ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ПОВТОРНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧАСТОТ В СЕТЯХ LTE

Божко Алексей Александрович

руководитель службы развития сети, ИООО «Йота Бел», г. Минск

E-mail: abozhko@yotateam.com

При планировании сетей LTE одной из важнейших целей является обеспечение максимальной емкости сети или eё пропускной способности. Пропускная способность может быть определена через спектральную эффективность, которая в свою очередь определяется используемой модуляционно-кодовой схемой, выбираемой по результатам измерения отношения сигнал/(шум+интерференция) (далее — SINR). Для сетей с частотным дуплексом FDD средняя пропускная способность соты может быть получена путем прямого умножения ширины канала на спектральную эффективность.

В [1, с. 73] приведены зависимости значений спектральной эффективности от величины SINR.

Для повышения пропускной способности сети необходимо увеличивать среднее значение SINR на сети, которое зависит от различных факторов, в том числе от методов частотного планирования. В данной работе проведена оценка этой зависимости.

Рассмотрим два, наиболее часто используемых, метода повторного использования частот.

Первый метод — это работа всех базовых станций сети на одной несущей частоте, коэффициент повторного использования частот в этом случае равен 1. Далее будем называть такой метод одночастотным.

Внутрисистемные помехи при одночастотном методе минимизируются благодаря механизмам частотно-селективной диспетчеризации ресурсных блоков, модифицированному алгоритму управления мощностью абонентских устройств и координации помех между сотами. Однако, предусмотренные спецификациями 3GPP Release 8, механизмы координации помех являются недостаточно эффективными и не позволяет значительно увеличить значение SINR, особенно на краях соты.

Второй метод — работа базовых станций сети на разных несущих частотах. Коэффициент повторного использования частот в этом случае больше 1. Учитывая дефицит частотного ресурса в полосах частот, выделенных для строительства сетей LTE (2500—2570 / 2620—2690 МГц), значение коэффициента повторного использования частот в этом случае будет равно 3. Далее будем называть такой метод трехчастотным. Внутрисистемные помехи при трехчастотном методе минимизируются благодаря частотному разносу соседних базовых станций.

В данной работе выполнено измерение значений SINR в кластере площадью 13,3 кв. км., состоящем из 15 базовых станций, в условиях плотной городской застройки. На рис. 1 приведена гистограмма распределения значений SINR в процентном соотношении при имитации 30 % и 70 % загрузки всех секторов базовых станций трафиком при использовании одночастотного метода.

Рисунок 1. Гистограмма распределения значений SINR при коэффициенте повторного использования частот равном 1.

Среднее значение SINR на сети, полученное как математическое ожидание распределения, при 30 % загрузке составляет 10,94 дБ, что позволяет достичь спектральной эффективности равной 2,26 бит/с/Гц. Результаты измерения показывают, что при увеличении загрузки до 70 % среднее значение SINR уменьшается до 8,83 дБ. Следовательно, достижимое значение спектральной эффективности составляет 1,9 бит/с/Гц. Таким образом, при увеличении загрузки в соседних сотах до 70 % емкость соты снижается на 26 %. Это объясняется тем, что спектральная плотность мощности сигнала LTE зависит от количества задействованных в данный момент ресурсных блоков.

На рис. 2 приведен результат аналогичных измерений при использовании второго метода. В этом случае принята трехсекторная конфигурация базовых станций, в каждом из секторов которых используется один из трех частотных каналов, коэффициент повторного использования частот равен 3.

Рисунок 2. Гистограмма распределения значений SINR при коэффициенте повторного использования частот равном 3.

При этом значение SINR при 30 % загрузке составляет 13,55 дБ, что позволяет достичь спектральной эффективности равной 2,73 бит/с/Гц. Результаты измерения показывают, что при увеличении загрузки до 70 % среднее значение SINR уменьшается до 12,86 дБ, достижимая спектральная эффективность составляет 2,6 бит/с/Гц.

Результаты измерений показывают, что использование трехчастотного метода частотного планирования позволяет за счет снижения уровня внутрисистемных помех увеличить спектральную эффективность. Увеличение средней пропускной способности в кластере составило 37 %. При этом значительно меньше выражен эффект уменьшения SINR с ростом загрузки соседних сот.

Кроме того, применение трехчастотного метода позволило увеличить зону обслуживания, в которой обеспечиваются ключевые показатели эффективности. В частности, для обеспечения комфортной пропускной способности на абонента, оператором ИООО «Йота Бел» в качестве одного таких показателей принято значение SINR более 5 дБ. На рис. 3 и рис. 4 показаны результаты измерения SINR.

Рисунок 3. Распределение значений SINR по зоне обслуживания при коэффициенте повторного использования частот равном 1.

Таким образом, в зоне покрытия, за которую принимается территория, на которой обеспечивается уровень сигнала RSRP >-110 дБм, переходом на повторное использование частот с коэффициентом 3 удалось увеличить зону обеспечения ключевых показателей эффективности с 73 % до 82 % от площади зоны покрытия.

Рисунок 4. Распределение значений SINR по зоне обслуживания при коэффициенте повторного использования частот равном 3.

Однако, полученное значение выигрыша в пропускной способности соты не позволяет говорить о повышении эффективности использования радиочастотного ресурса с учетом необходимости его трёхкратного увеличения. В случае разделения выделенного оператору частотного ресурса на 3 полосы, снижение общей емкости трехсекторной базовой станции составит 47 % в сравнении с применением одночастотного метода.

Таким образом, для эффективного использования частотного ресурса, в качестве основного метода частотного планирования сетей LTE целесообразно применять одночастотный метод частотного планирования.

Основным средством увеличения пропускной способности сети, кроме увеличения ширины полосы радиоканала, является строительство многоуровневых сетей. Опыт эксплуатации различных сетей передачи данных показывает, что абонентская нагрузка будет распределяться неравномерно по территории обслуживания. Увеличение емкости сети может быть достигнуто с помощью микросотовых решений, предполагающих разбиение районов с большой абонентской нагрузкой на небольшие соты размером в несколько сотен метров. Несмотря на меньшую пропускную способность микросоты, суммарная пропускная способность соты будет увеличиваться. В микросотах будет обеспечиваться лучшая спектральная эффективность в случае их работы на частотах, отличающихся от частот макросот, поскольку в этом случае в зоне обслуживания микросот будут достигаться большие значения SINR. Кроме того, конструктивное исполнение базовых станций для микросот упрощает их размещение в городских условиях.

Список литературы:

1.        Технический отчет 3GPP TR 36.942 v 8.3.0, «Radio Frequency (RF) system scenarios». Sophia-Antipolis, 2010, 83 с.