Особенности расчета параметров сети mobile WiMAX

УДК 621.396.6

В. Н. Дмитриев, И. Г. Шалаев ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ СЕТИ MOBILE WiMAX Введение

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) - телекоммуникационная технология, основанная на стандарте IEEE 802.16 и разработанная с целью предоставления универсальной беспроводной связи для широкого спектра устройств (от компьютеров до мобильных телефонов) фиксированных и мобильных абонентов.

Мобильный WiMAX (стандарт 802.16e), являющийся развитием технологии фиксированного доступа (802.16d), оптимизирован для поддержки мобильных пользователей. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями (БС) при передвижении абонента. Мобильный WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

Хотя достоинства технологии мобильного WiMAX вызывают интерес операторов связи, сдерживающим фактором для широкого развертывания сетей мобильного WiMAX является отсутствие доступных методик и программ для их планирования.

При расчетах параметров сети, создаваемой на основе определенного стандарта, важно учитывать требования и технические характеристики спецификации. Несоблюдение особенностей конкретного стандарта может привести к получению неточных результатов при проектировании сети связи. Для моделирования сетей связи применяют специализированные программные комплексы (например, «Wireless Insite» [1]), которые учитывают рекомендации выбранной технологии. Иногда бывает полезно предварительно оценить параметры проектируемой сети с помощью программы, которая рассчитывает основные параметры сети, не прибегая к дорогостоящим программам. Цель исследований - показать, какие особенности и рекомендации стандарта IEEE 802.16e следует учитывать при моделировании сети связи, а также определить тот минимальный набор характеристик, который должна рассчитывать программа, предназначенная для проектирования сети Mobile WiMAX.

Чувствительность приемника

Чувствительность - одна из важнейших характеристик, под которой понимают способность радиоприемника принимать слабые сигналы. На чувствительность оказывают влияние мощность тепловых шумов приемника, отношения сигнал/шум, коэффициент шума, а также потери реализации, учитывающие неидеальность приемника, ошибки квантования, фазовый шум и др. Тепловой шум зависит от ширины полосы канала (BW) и может быть вычислен по формуле

^т.ш =-174 +10 log (А/- ),

где А/ - используемая полоса частот.

Стандарт IEEE 802.16 ориентирован на использование полос частот шириной в 1,25; 5,0; 10,0; 20,0 МГц и основан на технологии OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing -мультиплексирование посредством ортогональных несущих). За счет наличия защитного интервала между поднесущими эффективная ширина спектра сигнала несколько больше ширины канала (BW), поэтому А/ можно рассчитать как произведение ширины канала BW, числа используемых поднесущих ( ^исп ), полного числа поднесущих OFDM сигнала ( ^всего ) и коэффициента дискретизации ( n ) [2]. Табл. 1 содержит для каждой ширины канала значения ^исп и ^всего . Следует заметить, что ^исп состоит из суммы числа поднесущих данных ( N ) и числа пилотных поднесущих ( ^пилот ). Число поднесущих данных определяется для нисходящего направления (NдянШ,) и восходящего направления (N^httt.) [3]. Коэффициент дискретизации n определяет интервал между поднесущими (вместе с шириной полосы и количеством поднесущих данных) и полезное время символа. Он равен 28/25 для канала, ширина полосы которого кратна 1,25; 1,50; 2,00; 2,75 МГц [4]. Таким образом, тепловой шум может быть определен по формуле

Рт.ш =-174 + 101св^

Таблица 1

Параметры, определяемые шириной полосы канала

Ширина полосы, МГц N всего N „„ N 1 даиБЬ N 1 даниЬ

1,25 128 85 72 56

5,00 512 421 360 280

10,00 1 024 841 720 560

20,00 2 048 1 681 1 440 1 120

Отношение сигнал/шум приемника зависит от схемы модуляции. Табл. 2 содержит перечень схем модуляций, утвержденных стандартом *^МАХ, и их требования к отношению сигнал/шум (Кс/ш) [4]. Значения Кс/ш приведены для сверточного кодирования (СК) и сверточного турбокодирования (СТК). Приведенные данные справедливы для канала с аддитивным белым гауссовским шумом и коэффициентом ошибок равным 10-6.

Таблица 2

Параметры схем модуляции

Схема модуляции К с/ш при СК, дБ Кс ш при СТК, дБ Количество бит на символ, Ясим

дрзк ‘/2 5,0 2,5 1,0

дрзк % 8,0 6,3 1,5

1бдАМ 1/2 10,5 8,6 2,0

1бдАМ 3/4 14,0 12,7 3,0

64дАМ 1/2 16,0 13,8 3,0

64дАМ 2/3 18,0 16,9 4,0

64дАМ 3/4 20,0 18,0 4,5

Потери реализации (Ь1), вызванные, например, повышенным фазовым шумом приемника, снижают его чувствительность, и для нормальной работы такой системы требуется более мощный радиосигнал. Значение Ь1 принято равным 5 дБ [3]. Таким образом, формула для расчета необходимого уровня чувствительности приемника имеет вид

Ртш =-174 + 101св^

где коэффициент шума Кш = 7 дБ, согласно рекомендациям WiMAX Богит [3].

Бюджет линии

Для расчета дальности связи используется уравнение бюджета линии, которое связывает уровни мощности на входе приемника и выходной мощности передатчика, находящихся друг от друга на заданном расстоянии. При расчете дальности связи выбирается наименьшее из значений бюджета для нисходящего (ВЬ) и восходящего (ИЬ) направлений. Бюджет линии зависит от технических характеристик базовой и абонентской станций. Замирания сигнала не учитываются моделью распространения радиоволн, поэтому их следует учесть при расчете бюджета линии (запас на замирания составляет 10 дБ) [3].

На границах секторов в канал связи вносит искажения межканальная интерференция, уровень которой принят: для нисходящего канала - = 2 дБ, для восходящего - /иь = 3 дБ [3].

Для учета того факта, что здания препятствуют распространению электромагнитных волн, необходимо ввести дополнительную поправку ис, значение которой зависит от плотности застройки. Табл. 3 содержит значения поправочного коэффициента ис [5].

Таблица 3

Значения поправочного коэффициента ис

Тип застройки ис, дБ

Сельская местность 5

Пригород 0

Городской район -3

Плотная городская застройка -4

Бюджет линии для нисходящего направления от базовой станции к абонентской станции (БС  АС) можно рассчитать по формуле

^БП = РТхБС — PA0AC + GTxБС + GRx AC - Lf — F — + UC ,

где Гххбс - излучаемая мощность передатчика БС, дБм; PА0АС - чувствительность приемника АС, дБм; GTxБС - коэффициент усиления антенны передатчика БС, дБи; GRxAС - коэффициент усиления антенны приемника АС, дБи; Lf - потери в фидере, дБ; F - замирание радиосигнала,

дБ; 10ь - уровень межканальной интерференции, дБ; Uc - поправочный коэффициент типа застройки, дБ.

Для восходящего направления от абонентской станции к базовой станции (АС  БС) бюджет линии имеет вид

^БП = PTxAC — ^.ОБО + ^ГхАС + GRxБC - — IUL + UC .

Модель распространения радиоволн

Для расчета оптимального расстояния от базовой станции до абонента необходимо оценить уровень потерь при распространении радиоволн. Потери на трассе при распространении электромагнитных волн в реальной среде определяют уменьшение уровня мощности сигнала. Эти потери не должны превышать энергетический бюджет линии (минимальный из двух значений). Для расчета уровня потерь использована модель Эрцега - Гринштейна, применяемая рабочей группой ІБББ 802.16 [5]. Эта модель базируется на экспериментальных измерениях, проведенных в США. С учетом некоторого минимального расстояния do уровень потерь рассчитывается по формуле

L = 20 ^10

где d - расстояние от БС до АС (d > do, d0 = 100 м ); X - длина волны, м; 5 - уровень затенения сигнала; ДLf - поправочный коэффициент для частоты; ДLh - поправочный коэффициент для высоты антенны АС, зависящий от типа местности; у = а — ЬНЪ + е/Нь , где Нъ - высота антенны БС.

Постоянные а, Ь, е зависят от ландшафта местности (табл. 4). Уровень затенения сигнала 5 , изменяющийся по логнормальному закону распределения с нулевым средним, также зависит от типа ландшафта местности: А - холмистая местность, умеренный лес; В - равнина с редкими холмами; С - равнина, редкий лес.

Таблица 4

Параметры, зависящие от ландшафта местности

Параметр А В с

а 4,6 4,0 3,6

Ь 0,0075 0,0065 0,0050

е 12,6 17,1 20,0

5, дБ 10,6 9,6 8,2

Без использования поправочных коэффициентов DL/, ALh формула (5) действительна только для частот меньше 2 ГГц и высоты антенны приемника до 2 м. Поправочный коэффициент для другой частоты DL/ записывается следующим образом:

DLf = біовю

где / - частота радиосигнала, МГц.

Формула для вычисления поправочного коэффициента для высоты антенны ALh зависит от ландшафта местности:

DL/ = 10,8 log10 (h/2) для A и B типов,

DL/ = -20log10 (h/ 2) для C типа,

где h - высота антенны приемника, м.

Значение высоты антенны БС лежит в пределах от 10 до 80 м, АС - от 2 до 10 м [3].

Расчет скорости передачи данных на сектор

Скорость передачи данных зависит от ширины полосы канала и используемой схемы модуляции [6]. На скорость передачи данных влияют защитный интервал символа Tg , отношение

распределения ресурсов вниз/вверх (DL/UL) и время передачи протокольной информации (Th). Момент времени, в течение которого никакие данные не передаются, а посылается различная системная информация, необходимая для инициализации и синхронизации, называется временем передачи протокольной информации. Тогда по формуле (8), можно рассчитать скорость передачи данных по направлению вниз (БС  АС):

RDL = BW n

где Nдан DL - число поднесущих для передачи данных по направлению БС  АС; Лсим - количество бит на символ; Th - время передачи протокольной информации; Tg - защитный интервал; KTDD DL - коэффициент распределения ресурсов по направлению БС  АС .

Для расчета скорости передачи данных по направлению вверх (АС  БС):

RUL = BW n ^дан UL / Nвсего )Рсим I1 -

где Nдан UL - число поднесущих для передачи данных по направлению АС  БС ; Ktdd ul -

коэффициент распределения ресурсов UL.

При расчетах Th принимается равным 20 % от основного времени передачи, а значение защитного интервала - 1/8 от длительности полезного символа. Стандартом IEEE 802.16e также предусматриваются значения защитного интервала 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. Соотношение между направлениями вниз/вверх позволяет регулировать отношение скоростей. Значения Nul,

Nqan^, ^сего были приведены выше в табл. 1, значение Лсим зависит от выбранной схемы

модуляции (см. табл. 2).

Программа планирования сети

По приведенному алгоритму написана программа расчета сети, учитывающая рассмотренные особенности мобильного WiMAX [7]. Программа написана на языке высокого уровня Object Pascal с использованием среды разработки Delphi 5. Программа позволяет по введенным исходным данным, таким как параметры канала (частота, ширина канала, тип модуляции и т. д.); параметрам базовой станции (мощность, коэффициент усиления (КУ) антенны, количество секторов и т. д.); параметрам абонентской станции (мощность, КУ антенны, чувствительность и т. д.); параметрам модели распространения радиоволн и площади покрываемой терри-

тории, рассчитать количество базовых станций, радиус соты, количество абонентов, бюджет линии, скорость передачи данных на сектор. На рисунке показано окно разработанной программы для планирования сети мобильного WiMAX.

Планирован

не сети мобильного WiMAX

Параметры канала

Частота, МГц |3500 Ширина канала, МГц | 10,00

Защитный интервал | 1/8 ]] Т ип модуляции | 64-QAM 3/4  |

Отношение DL/UL I 3:1 ^ Системные данные, X [20

Параметры базовой станции

Тип базовой станции | БС 2x2 М1М0  |

Мощность передатчика, дБм [ЗЗ Количество секторов |4

КУ антенны передатчика, дБ и |16,5 КУ антенны приемника, дБи |16,5

П отери в Фидере, дБ 10,5

Параметры абонентской станции

Мощность передатчика, дБм |27 Чувствительность, дБ |'95

КУ антенны передатчика, дБ и 3 КУ антенны приемника, дБ и |3

ВИВ

П араметры модели

Местность I (С) Равнина, редкий лес j*]

--------3

Тип застройки I Городской район Высота БС, м |з5

Высота АС, м р”

Межканальная интерференция

Канал вниз, дБ 2 Канал вверх, дБ 3

Замирания, дБ 10

Расчет ]| Copyright ©2009 Шалаев Иван

Параметры сети

Площадь, кв. км. |17,6 Скорость, Кбит/с 11000

Радиус соты: 911 м Бюджет линии: 132,5 дБ

Кол-во БС: 7 Потери: 132,43 дБ

Кол-во абонентов: 1058 Скорость: 37,8 Мбит/с на сектор

Окно программы для планирования сети мобильного WiMAX

Окно программы включает в себя пять блоков.

1. Параметры канала. Содержит параметры, определяющие характеристики канала связи, такие как частота несущей, ширина канала, защитный интервал, тип модуляции, коэффициент соотношения ресурсов вниз/вверх, время, затрачиваемое на передачу системных данных, в процентах от основного времени.

2. Параметры базовой станции. В этом блоке сгруппированы технические характеристики БС, которые используются при расчете бюджета линии. Тип БС определяет количество антенн на сектор. Установка двух антенн на передачу увеличивает скорость передачи данных в нисходящем направлении, а двух антенн на прием позволяет одновременно обрабатывать два потока информации (технология MIMO 2x2).

3. Параметры абонентской станции. Блок содержит поля для ввода характеристик АС (мощность передатчика, чувствительность приемника, коэффициент усиления антенны).

4. Параметры модели. В этом блоке определяются параметры для расчета потерь при распространении радиоволн. С помощью списков «Местность» и «Тип застройки» выбираются ландшафт и плотность застройки территории. Помимо учета потерь, блок содержит поля для установки высот базовой и абонентской станций.

5. Параметры сети. Площадь территории, которую надо обеспечить связью и скорость передачи данных на одного абонента задаются в полях «Площадь» и «Скорость».

При нажатии на кнопку «Расчет» производится расчет параметров сети, в результате которого выдается радиус соты (расстояние от БС до абонента), количество БС и число одновременно обслуживаемых абонентов при заданной скорости передачи данных.

В качестве примера приведены результаты расчета параметров сети мобильного доступа. Сеть проектируется для городского района площадью 17,6 км2, высота подвеса антенн БС выбрана 30 м. Оператору связи выделен частотный ресурс в диапазоне 3 500 МГц, ширина канала - 10 МГц. Параметры физического уровня: защитный интервал OFDM-символа 1/8 от общей длины символа, в качестве модуляции выбрана 64-позиционная квадратурная амплитудная модуляция со скоростью кодирования 3/4, отношение распределения ресурсов при передаче данных по направлениям вниз/вверх 3 : 1, для передачи системной информации отводится 20 % времени от всего времени передачи.

Оборудование БС выбрано с поддержкой технологии MIMO с двумя антеннами - на прием и передачу, мощность излучения составляет 33 дБм, КУ антенн - 16,5 дБи, 4-секторная конфигурация. Параметры АС: чувствительность - 95 дБ, мощность - 27 дБм, КУ антенны - 3 дБи.

По результатам расчета для обеспечения городского района площадью 17,6 км2 мобильным доступом со скоростью 1 Мбит/с требуется разместить 7 БС, каждая из которых способна обслуживать зону радиусом 911 м. Максимальное количество активных абонентов для проектируемой сети составляет 1 058. Остальные характеристики представлены на рисунке. Это минимальный набор параметров, которые должна рассчитывать любая программа моделирования сетей.

Заключение

Разработанная программа расчета сети Mobile WiMAX позволяет учитывать особенности выбранного стандарта и рекомендаций рабочей группы, более эффективно оценивать необходимый уровень чувствительности приемника, расстояние до абонента, скорость передачи данных, количество базовых станций и другие параметры, необходимые для проектирования.

На точность результатов при расчете сетей мобильного WiMAX оказывают влияние физические параметры OFDM, зависящие от ширины полосы частот, схемы модуляции, помехи в канале связи, предусмотренные рабочей группой (межканальная интерференция, замирания), параметры канала связи (отношение DL/UL, защитный интервал, время передачи системных данных и др.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. to^.-//www.rodnik.ru/product/sapr/sapr_svch/REMCOM/wireless_insite/

2. WiMAX-технология беспроводной связи: теоретические основы, стандарты, применение / В. И. Сю-ваткин, В. И. Есиненко, И. П. Ковалев, В. Г. Сухоребров. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 368 с.

3. WiMAX Forum. WiMAX System Evaluation Methodology. - 2007. - 209 p.

4. WiMAX Forum. Mobile WiMAX - Part 1 : A Technical Overview and Performance Evaluation. - 2006. - 53 p.

5. Javornik T., Kandus G., Hrovat A., Ozimek I. Comparison of WiMAX coverage at 450MHz and 3.5GHz, SoftCOM 2006, 14th International Conference on Software, Telecommunications & Computer Networks, Split, Dubrovnik, Hrvaska, sep. 2006. - Р. 71-75.

6. Шинаков Ю. С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 392 с.

7. Программа «Планирование сети мобильного WiMAX (IEEE 802.16e)»: свид-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2010611722 / Шалаев И. Г., Дмитриев В. Н., Сорокин А. А.

Статья поступила в редакцию 28.05.2010

FEATURES OF CALCULATION OF NETWORK PARAMETERS IN WIMAX MOBILE

V. N. Dmitriev, I. G. Shalaev

The features of calculating the parameters of the network of IEEE 802.16e standard using the developed program of planning WiMAX mobile network are considered. The program allows to take into account the peculiarities of the chosen standard and the working group recommendations, to assess more effectively the required level of the receiver sensitivity, the distance to the subscriber, data transfer rate, the number of base stations and other parameters necessary for design.

Key words: communication standard, receiver sensitivity, link budget, propagation model, bit rate, program.