Сети беспроводной связи четвертого поколения (4G) начали разрабатываться в 2000 году, а с 2010 года сети 4G внедряются во многих странах мира. В соответствии с требованиями Международного союза электросвязи (МСЭ) сети 4G (International Mobile Telecommunications Advanced – IMT-Advanced), должны обеспечивать скорости передачи данных до 100 Мбит/с для высокоподвижных абонентов (абоненты, перемещающиеся в поездах или автомобилях) и до 1 Гбит/с для абонентов с небольшой подвижностью (пешеходы и фиксированные абоненты) [1]. В 2010 году МСЭ утвердил технологии LTE-Advanced (LTE Release 10) и WirelessMAN-Advanced (WiMAX Release 2 или IEEE 802.16m) в качестве официальных стандартов связи четвертого поколения [2]. 
Проведем сравнительный анализ стандартов LTE-Advanced (LTE-A) и WirelessMAN-Advanced (WiMAX-2) исходя из перечисленных ниже технических характеристик беспроводных сетей связи, определяющих их эффективность и качество предоставляемых услуг [3 – 6]:
- диапазон частот, в пределах которого рекомендовано МСЭ и разрешено Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ) развертывание беспроводной сети связи;
- максимальная спектральная эффективность – отношение максимальной скорости передачи информации к используемой полосе частот, измеряется в бит/с/Гц и определяется для линии связи от базовой станции к абоненту (линия «вниз» – downlink) и от абонента к базовой станции (линия «вверх» – uplink); 
- латентность сети – время подготовки к передаче информации по каналу связи, включающее в себя время перехода абонентского оборудования из режима ожидания в активный режим передачи данных (Control plane latency – C-plane) и время, через которое данные от абонентского оборудования поступят на базовую станцию (User plane latency – C-plane);
- длительность хэндовера – время переключения активного соединения с одного канала на другой: а) внутри одной и той же несущей частоты (внутри несущей), б) между двумя разными несущими в одной полосе частот (между несущими в полосе), в) между двумя разными несущими, расположенными в разной полосе частот (между полосами).
Следует отметить, что кроме традиционной оценки максимальной спектральной эффективности в бит/с/Гц существуют и другие подходы к расчету этого показателя. Например, спектральная эффективность часто определяется как отношение скорости передачи данных всех абонентов сети в определенной географической области (в соте или на границе соты) к используемой полосе частот [4].
Основные технические характеристики сетей связи четвертого поколения приведены в таблице 1, из которой следует, что стандарты LTE-А и WiMAX-2 являются практически равноценными по большинству параметров. Кроме того, оба стандарта поддерживают схему MIMO с обратной связью (Closed Loop MIMO – CL-MIMO), при использовании которой в приемнике оцениваются характеристики канала распространения радиоволн, после чего информация о характеристиках канала посылается от приемника к передатчику. Это позволяет сформировать оптимальные диаграммы направленности многоэлементных антенн на передающей и приемной сторонах, так чтобы пространственные каналы наименьшим образом интерферировали между собой, что значительно повышает энергетический бюджет соединения.

Таблица 1. Основные технические характеристики стандартов 4G

Таким образом, технологии LTE-А и WiMAX-2 теоретически позволяют обеспечить сравнимую скорость передачи информации. С другой стороны, рассматриваемые технологии имеют некоторые отличия, представленные ниже.
Базовая структура сети WiMax основана на использовании трех частотных каналов и трехсекторной конфигурации сот. При этом в каждом из секторов сети WiMax используется один из трех частотных каналов (коэффициент переиспользования частот равен 3), что показано на рис. 1, а. [3, 7, 8]. 
Коэффициент переиспользования частот для базовой структуры сети LTE равен 1, т. е. все базовые станции работают на одной несущей. В этом случае внутрисистемные помехи минимизируются с помощью гибкого частотного плана, один из вариантов которого представлен на рис. 1, б. Для пользователей в центре любой соты могут выделяться ресурсы из всей полосы канала (серая зона), таким образом, технология LTE более эффективно использует выделенный спектр, чем WiMAX. Пользователям на краях сот выделяются разные частотные блоки (указаны соответствующим цветом на рис. 1, б), что позволяет минимизировать внутрисистемные помехи. 

Инфраструктура сетей WiMAX более простая, чем сетей LTE и, следовательно, более надежная технически. С другой стороны, сети LTE совместимы со стандартами сотовой связи предыдущих поколений – GSM и UMTS. Например, сети LTE могут использовать для передачи речи ресурсы сетей GSM и UMTS, которые практически повсеместно внедрены на территории России [9]. Благодаря описанным выше достоинствам технология LTE в настоящее время используется подавляющим большинством операторов связи для построения сетей 4G на территории Российской Федерации. Технология WiMAX, в свою очередь, так и не получила широкого распространения в России.
Сеть LTE, структура которой показана на рис. 2, состоит из двух важнейших компонентов: сеть радиодоступа (Evolution UMTS Terrestrial Radio Access Network – E-UTRAN) и базовая сеть (System Architecture Evolution – SAE). 

Рис. 2. Структура сети LTE

Сеть радиодоступа E-UTRAN состоит только из базовых станций – БС (evolved Node В – eNB), соединенных между собой по принципу «каждый с каждым» при помощи интерфейса Х2, поддерживающего хэндовер мобильного терминала в активном состоянии. Базовые станции выполняют функции управления радиоканалами, управления доступом, управления мобильностью и осуществляют динамическое распределение ресурсов. 
Важнейшими элементами базовой сети SAE, иногда называемой ядром пакетной сети (Evolved Packet Core – ЕРС), являются узел управления мобильностью – УУМ (Mobility Management Entity – ММЕ) и узел уровня пользователя УУП (User Plane Entity – UPE). УУМ обеспечивает управление мобильностью абонентского терминала и распределяет сообщения вызова по базовым станциям с помощью протоколов плоскости управления (С-plane), а также отвечает за обеспечение безопасности сети и управление роумингом. Основными функциями УУП являются передача данных пользователей и взаимодействие с базовыми станциями согласно протоколам плоскости пользователя (U-plane), кроме того УУП обеспечивает шифрование потоков данных и коммутацию пакетов при обеспечении мобильности пользователя.
Основным отличием базовой сети SAE от базовой сети системы UMTS является максимально упрощенная структура и отсутствие дублирующих функций сетевых протоколов. Таким образом, базовая сеть SAE построена на основе сетей 3G , но позволяет обеспечить более высокие скорости передачи данных и низкие задержки с помощью оптимизации передачи данных.
Архитектура базовой сети SAE предоставляет как голосовые услуги, так и IP-услуги на основе коммутации пакетов. Доступ к базовой сети SAE может осуществляться через сети радиодоступа второго и третьего поколений (2G/3G) с помощью узла обслуживания абонентов (УОА) и 3GPP-шлюза, а также через сети радиодоступа неевропейских технологий (Wi-Fi, WiMAX) и через проводные IP-сети (ADSL+, FTTH, FTTB) с помощью IP-шлюза (шлюза пакетной коммутации). Шлюзы 3GPP и IP образуют единый узел привязки IASA (Inter Access System Anchor) для присоединения внешних IP-сетей.
Ниже описаны основные интерфейсы базовой сети SAE:
S1 – интерфейс между базовыми станциями и базовой сетью SAE, предоставляющий доступ к сети радиодоступа для передачи данных протоколов плоскостей пользователя и управления;
S2 – интерфейс, обеспечивающий передачу данных между базовой сетью и IP-сетями неевропейских технологий, поддерживает функции управления и мобильности;
S3 – интерфейс между УУМ/УУП и узлом обслуживания абонентов 2G/3G, обеспечивающий управление межсетевым хэндовером абонентских терминалов;
S4 – интерфейс, обеспечивающий передачу данных между 3GPP-шлюзом и узлом обслуживания абонентов 2G/3G;
S5a – интерфейс, обеспечивающий передачу данных между УУМ/УУП и 3GPP-шлюзом;
S5b – интерфейс между обеспечивающий передачу данных между шлюзами 3GPP и IP;
S6 – интерфейс, обеспечивающий доступ к серверу домашних абонентов (СДА) для аутентификации и авторизации пользователей;
S7 – интерфейс, обеспечивающий доступ к серверу тарификации абонентов (СТА) для управления установлением соединений с заданными параметрами на основе политики сети и тарификации;
SGi – интерфейс между узлом IASA и внешними IP-сетями, которые могут принадлежать как разным, так и одному оператору сотовой связи.
Рассмотрим основные этапы проектирования сети стандарта LTE на примере города Таганрога, который является крупным промышленным и культурным центром Ростовской области и юга России. Данная задача является актуальной для большинства провайдеров услуг связи, так как в настоящее время в Таганроге сети 4G развернуты только двумя операторами сотовой связи (МТС и Мегафон) притом, что потребности населения в высокоскоростном беспроводном доступе в Интернет постоянно растут с появлением новых мобильных устройств и разнообразных гаджетов.
Проведем анализ радиопокрытия сети связи. Вначале вычислим энергетический бюджет, который равен максимально допустимым потерям на линии (МДП). МДП – это разность между эквивалентной изотропной излучаемой мощностью (ЭИИМ) передатчика и минимальной мощностью сигнала на входе приемника, при которой обеспечивается нормальная демодуляция сигнала [10]. 
Для расчета энергетического бюджета проектируемой системы связи будем полагать, что для нее выделена полоса частот F = 20 МГц в диапазоне 2500 – 2690 МГц и применяется частотное дуплексирование (FDD), при котором системная полоса частот разделяется на 2 канала: 10 МГц для линии «вниз» (DL) и 10 МГц для линии «вверх» (UL).
В таблице 2 приведены характеристики линии «вниз» и линии «вверх» для случая, когда антенная система базовой станции имеет две передающие и две приемные антенны (режим MIMO 2×2 на линии «вниз»), а в качестве мобильной станции (МС) используется USB-модем (класс 3) имеющий одну передающую и две приемные антенны (режим MIMO 1×2 на линии «вверх») [10 – 13]. При расчете МДП на линии связи, кроме характеристик передатчиков и приемников, в таблице 2 также учитывался ряд других параметров и характеристик среды распространения, физический смысл которых описан ниже.
Запас на интерференционные помехи M_Int позволяет учитывать влияние помех от соседних сот на БС и МС, которое особенно велико для МС, находящихся на границах сот. Величина M_Int лежит в пределах 3…8 дБ [11].
Запас на проникновение в помещение/автомобиль M_Build необходимо учитывать вследствие различного ослабления сигнала в зависимости от класса местности. Для диапазона 2600 МГц могут использоваться следующие значения запаса на проникновение: 22 дБ – в условиях плотной городской застройки; 17 дБ – в условиях средней городской застройки; 12 дБ – в условиях редкой застройки и в пригороде; 8 дБ – в сельской местности, в парке и в автомобиле на открытой местности [10].
Запас на затенение M_Shade учитывает ослабление сигнала вследствие движения МС, так как при этом часто происходит потеря прямой видимости между МС и БС. Стандартное значение M_Shade = 8 дБ [13].
Необходимо отметить, что приведенным в таблице 2 значениям МДП соответствует минимальная скорость передачи данных на линии «вверх» – 128 кбит/с, на линии «вниз» – 4200 кбит/с при условии средней городской застройки [10].

Таблица 2. Характеристики канала связи сети LTE

Расчет радиуса соты, равного дальности связи, производят для минимального из двух значений МДП, полученных для линии «вниз» и линии «вверх». Для расчета дальности связи в данном случае используется модель распространения радиоволн COST231-Hata [13, 14]:

, (1)

где L_P – потери на распространение радиоволн, дБ; h_B – высота антенны базовой станции, м; h_M – высота антенны мобильной станции, м; d – дальность связи, км; f – рабочая частота, МГц; K_С – поправочный коэффициент потерь, зависящий от типа застройки, дБ.
Выражение (1) можно привести более компактному виду:
, (2)
где ; .
Из формулы (2) нетрудно определить зависимость дальности связи d от величины потерь и от рабочей частоты 
. (3)
Площадь радиопокрытия одной базовой станции S_BS можно оценить как площадь правильного шестиугольника (соты) с радиусом описанной окружности равным d [15]:
. (4)
Полагая, что h_B = 30 м, h_M = 1,5 м, f = 2600 МГц и приравнивая потери на распространение радиоволн L_P минимальному из двух значений МДП, полученных для линии «вниз» и линии «вверх», можно определить радиус и площадь радиопокрытия одной базовой станции с помощью формул (3) и (4), а затем рассчитать требуемое количество БС для обслуживания города Таганрога площадь которого составляет около 80 км². 
Результаты расчетов числа БС сведены в таблицу 3. При расчетах учитывался класс местности, так как потери на проникновение в помещение существенно влияют на МДП и соответственно на площадь обслуживания и количество БС.

Таблица 3. Расчет числа базовых станций для обслуживания г. Таганрога

Таким образом, для организации сети четвертого поколения стандарта LTE в городе Таганроге потребуется размещение 90 БС. Очевидно, что полученный результат является только предварительной оценкой, тем не менее, он позволяет установить возможность развертывания сети связи исходя из финансовых возможностей сотовой компании. Более точную оценку количества БС можно определить с помощью специализированных программных пакетов радиопланирования, учитывающих рельеф местности и тип застройки. Кроме того,при размещении БС необходимо проводить анализ зоны покрытия каждой станции и учитывать наличие уже имеющихся БС стандартов 2G/3G.
Формула (3) позволяет оценить зависимость дальности связи от частоты при различных типах застройки (рис. 3). Из рис. 3 видно, что с ростом рабочей частоты дальность связи уменьшается. Так, при увеличении рабочей частоты от 1 ГГц до 3 ГГц дальность связи будет уменьшаться от 4,8 до 1,7 км – на открытой местности, от 2,6 до 0,9 км – при редкой застройке, от 1,4 до 0,5 км – при средней застройке и от 0,7 до 0,25 км при плотной застройке. 

Рис. 3. Зависимости дальности связи от частоты при различных типах застройки

Основными производителями операторского оборудования LTE являются компании Ericsson, ZTE, Samsung, Huawei и Nokia. Стоимость одной базовой станции для сети LTE лежит в пределах от $30000 до $50000 [16]. В качестве примера БС можно привести модель DBS3900 компании Huawei (рис. 4), которая поддерживает диапазоны частот 700/800/900 МГц, 1,8/1,9/2,1/2,3/2,6/3,5 ГГц; полосы частот 3/5/10/20 МГц; временное и частотное дуплексирование (TDD и FDD); режимы MIMO2x2 и MIMO4x2 [17].
DBS3900 имеет гибкие возможности установки и обеспечивает быстрое развертывание сети. DBS3900 состоит из блока обработки базовых частот (BBU) и выносного радиочастотного блока (RRU). BBU устанавливается внутри помещений и обеспечивает централизованное управление, обработку сигнализации и синхронизацию базовой станции. BBU имеет физические интерфейсы (оптические линии) для соединения с контроллером базовых станций и RRU. RRU обеспечивает прием, передачу и обработку радиосигналов, причем каждый RRU реализует функции двух приемопередатчиков. Для снижения потребляемой мощности и затрат на фидеры RRU можно установить на столбе, мачте, бетонной стене или рядом с антенной системой.

Оценим пропускную способность (емкость) проектируемой сети с учетом, того, что для нее выделена пара полос 10 + 10 МГц. Емкость сети оценивают на основе средней спектральной эффективности соты, которая в соответствии с данными приведенными в таблице 1 для сети стандарта LTE-Advanced на линии «вниз» составляет 3,2 бит/с/Гц/сота, на линии «вверх» − 1,8 бит/с/Гц/сота. Для системы с частотным дуплексированием средняя пропускная способность соты равна произведению полосы частот канала на среднюю спектральную эффективность соты. В случае трехсекторных антенн средняя пропускная способность базовой станции будет в три раза больше средней пропускной способности соты [10]. Результаты расчета средней пропускной способности трехсекторных базовых станций приведены в таблице 4.

Таблица 4. Средняя пропускная способность базовых станций LTE-Advanced

Из таблицы 4, следует, что средняя пропускная способность базовой станции на линии «вниз» составляет R_BS = 96 Мбит/с. Поскольку число базовых станций в проектируемой сетиN_BS = 90, суммарная пропускная способность сети равна

Далее можно рассчитать число абонентов в сети, используя известные оценки трафика в типовой городской сети передачи данных [10]:
- максимальный объем трафика абонента T_m = 30 Гбайт/месяц;
- число часов наибольшей нагрузки (ЧНН) в день N_BH = 8;
- число дней в месяце N_D = 30;
- усредненный трафик абонента в ЧНН

;

- доля трафика на линии «вниз» S_DL = 0,8;
- усредненный трафик на линии «вниз» в ЧНН

;

- число абонентов в сети: .
Полученная расчетная емкость в 39 тыс. абонентов означает, что примерно 15 % населения города Таганрога (численность населения Таганрога составляет примерно 250 тыс. человек) можно обеспечить беспроводным широкополосным доступом в Интернет по технологии LTE-Advanced при выделении полосы 10 + 10 МГц (режим частотного дуплексирования).
Преимущества беспроводных сетей связи заключаются в том, что они не требуют затрат на прокладку кабелей к каждому абоненту, могут быть развернуты в достаточно короткие сроки и позволяют обеспечить высокоскоростной канал передачи данных и возможность голосовой связи для различных типов абонентов, в том числе абонентов с высокой мобильностью. В данной работе были рассмотрены основные принципы и особенности проектирования городской беспроводной сети связи четвертого поколения на примере города Таганрога. Получены оценки пропускной способности и емкости сети LTE-Advanced при заданной полосе частот. Следует отметить, что представленная в работе методика проектирования может использоваться при разработке беспроводных сетей связи четвертого поколения в средних и крупных городах России с населением 100 – 500 тыс. человек и площадью 30 – 120 км².

1. Recommendation ITU-R M.1645. Framework and overall objectives of the future development of IMT-2000 and systems beyond IMT-2000 // International Telecommunication Union, 2003. – URL: http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/m/R-REC-M.1645-0-200306-I!!PDF-E.pdf (дата обращения 16.11.2015)
2. ITU-R IMT-Advanced 4G standards to usher new era of mobile broadband communications // International Telecommunication Union, 2010. – URL:http://www.itu.int/net/pressoffice/press_releases/2010/40.aspx#.Vkpb87-ns5l (дата обращения 16.11.2015).
3. Варукина Л. Производительность сети TD-LTE в сравнении с WiMAX [Электронный ресурс]: Мобильный Форум, 2010. – URL: http://www.mforum.ru/news/article/093817.htm (дата обращения 16.11.2015).
4. Тихвинский В.О., Юрчук А.Б., Терентьев С.В. Сети мобильной связи LTE. Технологии и архитектура. – М: Эко-Трендз, 2010. – 284 с.
5. IEEE 802.16m. Technology Introduction: Rohde & Schwarz, 2010. –URL: https://www.rohde-schwarz.com/en/applications/ieee-802.16m-technology-introduction-application-note_56280-15513.html (дата обращения 16.11.2015).
6. Терещенко С. LTE vs. WiMAX [Электронный ресурс]: Радиочастотная служба, 2012 – URL: http://www.rfs-rf.ru/upload/medialibrary/53e/018691.pdf (дата обращения 16.11.2015).
7. Легков К.Е. Беспроводные сети нового поколения WiMax и LTE: анализ производительности при применении на транспорте // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2012. Т. 6. № 3. С. 46-51.
8. Легков К. Анализ производительности беспроводных сетей нового поколения // Мобильные телекоммуникации. 2012. № 5 (117). С. 12-15.
9. Бочкова Н.И. Ярлыкова С.М. Сравнительный анализ решений по передаче голоса в мобильных сетях широкополосного доступа // TComm: Телекоммуникации и транспорт. 2013, T. 7. №7. С. 16-19.
10. Варукина Л. Упражнение по планированию радиосетей LTE [Электронный ресурс]: Мобильный Форум, 2011. – URL: http://www.mforum.ru/news/article/097078.htm (дата обращения 15.11.2015).
11. LTE Radio Link Budgeting and RF Planning: LTE Encyclopedia – URL: https://sites.google.com/site/lteencyclopedia/lte-radio-link-budgeting-and-rf-planning (дата обращения 21.11.2015).
12. Holma H., Toskala A. WCDMA for UMTS: HSPA evolution and LTE. 5th ed. – John Wiley & Sons Ltd, 2010.
13. Sesia S., Toufik I., Baker M. LTE – the UMTS long term evolution: from theory to practice. 2nd ed. – John Wiley & Sons Ltd, 2011.
14. 3GPP TR 25.996 version 12.0.0 Release 12. Spatial channel model for Multiple Input Multiple Output (MIMO) simulations. Technical report, 2014. – URL:http://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/125900_125999/125996/12.00.00_60/tr_125996v120000p.pdf (дата обращения 21.11.2015).
15. Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи / пер. Н.И. Рудинского, А.И. Ледовского. – М.: Горячая линия-Телеком, 2006. – 536 с.
16. LTE (Long-Term Evolution, 4G) [Электронный ресурс] – URL: http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:LTE (дата обращения 21.11.2015).
17. DBS3900 Distributed Base Stations [Электронный ресурс] – URL: http://e.huawei.com/en/products/wireless/elte-access/network-element/dbs3900 (дата обращения 21.11.2015).

Все статьи автора «Пилипенко Александр Михайлович»