Электромагнитная совместимость сетей LTE с разными видами дуплекса tdd/fdd в диапазоне частот 2,6 ГГц

Электромагнитная совместимость сетей LTE с разными видами дуплекса TDD/FDD в диапазоне частот 2,6 ГГц

Ключевые слова: LTE (Long Term Evolution), TDD [Time Division Duplex),

FDD (Frequency Time Division Duplex), конфигурация передач TDD, синхронизированная сеть TDD, несинхронизированная сеть TDD, электромагнитная совместимость (ЭМС).

Показаны механизмы взаимного помехового влияния сетей LTE при смешанных видах дуплекса FDD и TDD. Сделан акцент на специфичность данного вида помех, обусловленную влиянием базовых станций разных сетей друг на друга. Показано также, что такого рода помеховое влияние имеет ярко выраженный вероятностный характер, а вероятность влияния помех зависит от стандартизованных конфигураций передач в сети LTE-TDD. Особое внимание уделено влиянию не-синхронизированных сетей LTE-TDD, а также сетей LTE-TDD и LTE-FDD. Показана необходимость специальной координации таких сетей и продемонстрировано, что учет вероятности появления помех при смешанных видах дуплекса позволяет снизить требования по совмещению и координации сетей LTE разных операторов. Рассматривается методология оценки условий электромагнитной совместимости таких сетей LTE, основанная на учете указанных вероятностей, приводятся результаты статистического моделирования, на основе которых сформулированы конкретные практические рекомендации для операторов сетей сотовой связи.

Скрынников В.Г.,

к.т.н., старший научный сотрудник, член-корреспондент РАЕН, эксперт ОАО "Мобильные ТелеСистемы”

Состояние вопроса

Рассматривая затронутый вопрос, следует обратить внимание на два аспекта. Во-первых, для полосы частот 2500-2690 МГц существуют принятые частотные планы, которые предполагают функционирование сетей LTE с разными видами дуплекса [1,2]. Во-вторых, в системе LTE временной дуплекс TDD имеет свою специфику, которая может оказывать существенное влияние на электромагнитную совместимость сетей, и была описана в [5]. С точки зрения ЭМС такой спецификой дуплекса TDD является наличие взаимного помехового влияния базовых станций смежных сетей LTE. Для представления о выигрыше или потерях в скоростях передачи данных при выборе одной из конфигураций TDD в табл. 1 приведены пиковые значения этих скоростей для Downlink.

Таблица 1

Пиковые скорости передачи данных в LTE-TDD-DL

Усредненная пиковая скорость в DL (LTE-TDD), Мбит/с

Без Ml МО

Конфи- гурации передач Г>1.:1Л. 2:3 3:2 4:1 7:3 8:2 9:1 5:5

Канал: 10 МГц 9,2

15 МГц 13.6

20 МГц 18,3

Общие рекомендации по обеспечению ЭМС отмеченных сетей LTE даны в Отчетах СЕРТ № 19 [3] и № 39 [4]. Эти рекомендации сводятся к следующему:

• защите в первую очередь подлежат сценарии БС«->БС, как имеющие наиболее высокий уровень воздействия помех, поскольку передатчик БС имеет высокую ЭИИМ, приемник БС имеет более высокую чувстви-

тельность, меньший уровень внутренних шумов и коэффициент усиления антенны, отличный от нуля;

• при смешанных видах дуплекса в сетях LTE защита должна осуществляться за счет TDD, т.е. возможные ограничения по мощности излучения и требуемые защитные полосы вводятся в рамках ресурса сетей TDD;

• защитные меры реализуются в пределах стандартизованных частотных блоков размером 5 МГц, которые в зависимости от сценария могут иметь статус защитной полосы частот или блока, ограниченного по мощности излучения (ограниченный блок).

Требования к ограниченному блоку определяются в рамках краевой маски спектра (ВЕМ), которая предписывает следующие допустимые уровни излучения [3,4]: в пределах этого блока - ЭИИМ = 25 дБм/30 кГц; вне блока - ЭИИМ = -19 дБм/30 кГц, -7 дБм/30 кГц и -3 дБм/ЗОкГц при частотных отстройках от края блока, равных 0-2,0,2-1 и 1-5 МГц соответственно.

Механизм возникновения помех

На рис. 1 (вверху) показан общий частотный план для полосы 2500-2690 МГц. На нем условно выделены четыре парных блока частот по 2x10 МГц для сетей LTE-FDD и два непарных блока по 25 МГц для сетей LTE-TDD. На рис. 1 (внизу) показаны три возможных сценария взаимного влияния сетей LTE при смешанных видах дуплекса.

Г*спрс.к.«гяис 4*001

Рис. 1. Сценарии взаимного влияния сетей LTE с разными видами дуплекса

Таблица 3

Вероятности появления помех при разных конфигурациях в обеих сетях ЬТЕ-ТОЭ

Соотношение конфигураций с минимальным влиянием (сеть - I «-»сеть - 2) Соотно- шение DL:UL Вероятность р

Влияние сети - 1 п "> = KII Pl(l-P2) Влияние сети - 2р„,2,= P2(l-Pl) Полная вероятность влияния сетей

2-3 4:1 — 7:3 0,24 0,14 0,38

2 — 4 4:1 —8:2 0,16 0,16 0,32

2 — 5 4:1 —9:1 0,08 0,18 0,26

3—4 7:3 — 8:2 0,14 0,24 0,38

3 — 5 7:3 —9:1 0,07 0,27 0,34

4 — 5 8:2 —9:1 0,08 0,18 0,26

На основе приведенных результатов можно сделать следующие выводы.

1. Полученные оценки свидетельствует о необходимости учета вероятностного характера появления помех в сетях LTE с дуплексом TDD.

2. Потери пропускной способности в смежных сетях LTE с разными видами дуплекса зависят от характера среды, поскольку условия распространения сигнала между антеннами этих сетей практически одинаковы из-за близости их размещения, а сигналы в сетях, в т.ч. и полезный сигнал, испытывают разное влияние разных сред. По этой причине потери пропускной способности в условиях города наиболее существенны и превышают допустимые 5%. Таким образом, основные проблемы наблюдаются именно в городских условиях и для их разрешения потребуются дополнительные меры (к примеру, установка внешних полосовых фильтров в передатчике и приемнике базовых станций, наклон антенн базовых станций и др.).

3. Как и ожидалось, среди рассмотренных сценариев не лучшим является и случай помехового воздействия сетей LTE-TDD друг на друга, несмотря на самую малую вероятность его появления. Поэтому оптимальным решением для этого сценария может быть синхронизация сетей TDD на базе единого источника (GPS/GLONASS), хотя и здесь будут иметь место проблемы, связанные с необходимостью синхронизировать конфигурации передач в сетях LTE разных конкурирующих операторов.

4. Наиболее благоприятным является сценарий, в котором сеть LTE-DL с дуплексом FDD оказывает влияние на сеть LTE-UL с дуплексом TDD (сценарий 2 на рис. 1). Причинами этого являются наиболее благоприятное для ослабления помехового сигнала соотношение разной ширины канала в этих сетях (10 МГц — полоса источника помех и 20 МГц — полоса рецептора помех) и меньшая вероятность появления помех. Первая причина обусловлена принятым в рассмотрении допущением о ширине канала в FDD, равной 2x10 МГц, и требует специального пояснения, которое выходит за рамки данного доклада. Следует лишь подчеркнуть, что такое предположение является желательным в реальности для сети LTE-TDD (сеть - 2).

Этот выявленный факт имеет особую практическую значимость. На его основе можно заключить, что в отдельных случаях для рассматриваемого сценария можно допустить ширину защитной полосы в 5 МГц без применения каких-либо дополнительных технических мер. Так, для открытой местности такую полосу можно считать

приемлемой, для пригорода потребуется защитная полоса шириной 8,5 МГц (если строго соблюдать требование по потере пропускной способности не более 5%) и для условий города - более 15 МГц, что потребует применения дополнительных технических мер.

5. Для минимизации влияния помех в смежных сетях LTE можно оптимизировать конфигурацию передач DL:UL при временном дуплексе TDD.

Теория вопроса

Здесь рассматривается теоретическая основа и методология получения приведенных выше оценок.

В общем случае упомянутая выше степень снижения пропускной способности в направлениях передач Downlink или Uplink сети LTE может быть выражена в виде

f л

П =

R

J___ max

\

><")

п(расч) max у

где R'"1 — реальная пропускная способность в сети LTE при наличии помех; - пропускная способность в

сети LTE при отсутствии помех (рассчитанная пиковая скорость передачи данных для соответствующих условий, см. табл. 1).

Для рассматриваемого случая, когда имеют место сценарии с сетями LTE-TDD, потери пропускной способности г\ будут иметь несколько иной характер

(

П =

1-

ftlpacu)

где т/ - снижение пропускной способности в ячейке сети LTE при воздействии усредненных помех; Rmax - усредненная пропускная способность в сети LTE при воздействии помех.

Отличие (2) состоит в том, что пропускная способность при воздействии помех Rmax — есть максимальная скорость передачи данных, усредненная статистически по вероятности влияния помех рп, т.е.

+a-/o-*rv),

где рп — указанная выше вероятность (зависит от сценария взаимодействия сетей и конфигурации передач в LTE-TDD, см. табл. 2 и 3); (1 — рп) - вероятность

отсутствия помех;

С учетом (3) выражение (2) можно представить в следующем виде

п = р„-

( dM 4 1 _____ max

= Рп П-

Ырасч) v тах /

Полученный результат (4) показывает, что снижение пропускной способности ( ff ) в сети LTE при воздействии усредненных помех отличается от аналогичного показателя ( q ) в обычных сетях LTE (без дуплекса TDD) на коэффициент рп, который является вероятностью появления помех при временном дуплексе. Этот результат позволяет оптимизировать конфигурации передач в сети LTE-TDD и оценить для них требуемые условия ЭМС. Основываясь на этом результате, и были получены приведенные выше оценки с применением статистической модели SEAMCAT при параметрах, приведенных в табл. 4.

Таблица 4

Параметры модели SEAMCAT для статистической оценки потерь пропускной способности в сетях LTE

при их взаимном влиянии

Параметры LTE-TDD — LTE-TDD LTE-TDD — LTE-FDI)

Город, пригород | Открытая местность Город, пригород | Открытая местность

Базовая станция

Мощность 46 дБм 46 дБм 46 дБм 46 дБм

Высота антенны 30 м 45 м 30 м 45 м

Угол наклона антенны 0° 0° 0° 0°

Ширина диаграммы направленности антенны 90° 90° 90° 90°

Коэффициент усиления антенны 15 дБи 15 дБи 15 дБи 15 дБи

Маска приемника (ACS) const = 70 дБ const = 70 дБ const = 70 дБ const = 70 дБ

Коэффициент шума в приемнике 5 дБ 5 дБ 5 дБ 5 дБ

Мин. SINR -1 дБ -1 дБ -1 дБ -1 дБ

Ширина канала 20 МГц 20 МГц 10 МГц/ 20 МГц 10 МГц/ 20 МГц

Макс. количество ресурсных блоков (RB)в БС 100 100 50/100 50/100

Полоса одного RB 180 кГц 180 кГц 180 кГц 180 кГц

Абонентский терминал

Макс. мощность 24 дБм 24 дБм 24 дБм 24 дБм

Мин. мощность -50 дБм -50 дБм -50 дБм -50 дБм

Высота антенны 1,5 м 1,5 м 1,5 м 1,5 м

Коэффициент усиления антенны 0 дБи 0 дБи 0 дБи 0 дБи

Количество RB на одного АТ 10 10 5/10 5/10

Сеть - источник помех LTE-TDD-DL LTE-TDD-DL LTE-TDD-DL/ LTE-FDD-DL LTE-TDD-DL/ LTE-FDD-DL

Частота передачи 2585 МГц 2585 МГц 2585 МГц/ 2625 МГц 2585 МГц/ 2625 МГц

Тип соты 3-секторная

Количество сот в модели 19

Радиус соты 0,2 км 1 км 0,2 км 1 км

Сеть - рецептор помех LTE-TDD-UL LTE-TDD-UL LTE-FDD-UL/ LTE-TDD-UL LTE-FDD-UL/ LTE-TDD-UL

Частота приема 2605 МГц 2605 МГц 2565 МГц/ 2605 МГц 2565 МГц/ 2605 МГц

Запас на хэндовер 1 дБ 1 дБ 1 дБ 1 дБ

Порог регулировки мощности 0,9 0,9 0,9 0,9

Тип соты 3-секторная

Количество сот в модели 19

Радиус соты 0,2 км 1 км 0,2 км 1 км

Количество активных АТ в соте 20 20 20 20

Макс. количество допустимых попыток разъединения 3 3 3 3

Скорость передачи данных АТ Стандартная модель Link Level Data

Модель потерь E-Hata

MCL 70 дБ 80 дБ 70 дБ 80 дБ

Условия взаимодействия сетей

Пространственный разнос антенн разных сетей >10 M >10 м >10 м >10 м

MCL 100 дБ 100 дБ 100 дБ 100 дБ

Модель потерь E-Hata

Литература

1. Recommendation ITU-R М. 1036-3. Frequency arrangements for implementation of the terrestrial component of International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) in the bands 806-960 MHz. 1 710-2 025 MHz, 2 110-2 200 MHz and 2 500-2 690 MHz. 2007.

2. ECC Decision of 18 March 2005 on harmonized utilization of spectrum for IMT-2000/UMTS system operating within the band 2500-2690 MHz. - ECC/DEC/(05)05. 2005.

3. CEPT Report 19. Report from CEPT to the European Commission in response to the Mandate to develop least restrictive

technical conditions for frequency bands addressed in the context of WAPECS. - Electronic Communications Committee (ECC). 2008.

4. CEPT Report 39. Report from CEPT to the European Commission in response to the Mandate to develop least restrictive technical conditions for 2 GHz bands. Final Report. - Electronic Communications Committee (ECC). 2010.

5. Скрынников В.Г. Временной дуплекс TDD в системах LTE. - Мобильные Телекоммуникации, 2010, №4. - С. 39-43.

6. Об использовании радиочастотного спектра радиоэлектронными средствами стандарта LTE и последующих его модификаций. - Решение ГКРЧ от 08 сентября 2011 г. № 11-12-02.

Electromagnetic compatibility of LTE networks with different types of duplex TDD/FDD

in range of frequencies 2,6 Ghz

Skrynnikov V.G., doctor of science, senior researcher, corresponding member of the RAEN, Russia

Abstract

In the report are shown mechanisms of mutual interfering influence of the LTE networks with the mixed types of duplex FDD and TDD. The emphasis on specificity of this type of the hindrances, caused by influence of base stations of different networks at each other is placed. It is shown that such interfering influence has pronounced probabilistic character, and the probability of influence of hindrances depends on the standardized configurations of transfers to the LTE-TDD networks. The special attention is paid to influence of not synchronized LTE-TDD networks, and also the LTE-TDD and LTE-FDD networks. Need of special coordination of such networks is shown and is shown that the accounting of probability of emergence of hindrances at the mixed types of duplex allows to lower requirements for combination and coordination of the LTE networks of different operators. In the report the methodology of an assessment of conditions of electromagnetic compatibility of such LTE networks, based on the accounting of the specified probabilities is considered, results of statistical modeling on the basis of which concrete practical recommendations for operators of networks of cellular communication are formulated are given.

Keywoeds LTE (Long Term Evolution), TDD (Time Division Duplex), FDD (Frequency Time Division Duplex), synchronized network TDD), not synchronized network TDD, electromagnetic compatibility — EMC.

References

1. Recommendation ITU-R M.1036-3. Frequency arrangements for implementation of the terrestrial component of International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000) in the bands 806-960 MHz, 1 710-2 025 MHz, 2 110-2 200 MHz and 2 500-2 690 MHz. 2007.

2. ECC Decision of 18 March 2005 on harmonized utilization of spectrum for IMT-2000/UMTS system operating within the band 2500-2690 MHz. ECC/DEC/(05)05. 2005.

3. CEPT Report 19. Report from CEPT to the European Commission in response to the Mandate to develop least restrictive technical conditions lor frequency bands addressed in the context of WAPECS. Electronic Communications Committee (ECC). 2008.

4. CEPT Report 39. Report from CEPT to the European Commission in response to the Mandate to develop least restrictive technical conditions for 2 GHz bands. Final Report. Electronic Communications Committee (ECC). 2010.

5. Skrynnikov V.G. Time duplex TDD in LTE systems / Mobile Communications, 2010, №4. Pp. 39-43.

6. On the use of the radio frequency spectrum radioelektronic means of LTE and its subsequent modifications. Decision dated September 08 2011 r. No 11-12-02.