Материал: Проектирование мобильной сети 5G (New Radio)

Задания на контрольную работу по дисциплине «Мобильные сети 5G»

Тема: Проектирование мобильной сети 5G (New Radio)
Задание: Требуется рассчитать количество оборудования (базовые станции, маршрутизаторы, элементы управления сетью, транспортные каналы) для построения сети NR при заданных параметрах.

Табл. 1. Исходные данные

	Выберите значение параметра в соответствие с вариантом (последняя цифра пароля)
Параметр	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Диапазон частот, ГГц	2,0	1,8	1,9	1,8	3,6	1,95	2,4	3,4	0,46	0,84
Режим дуплексирования	FDD (отдельные симметричные полосы частот под UL и DL)
Ширина полосы частот (BW), МГц	5	10	15	20	5	10	20	15	10	20
Мощность передатчика gNB, Вт	10	80	40	20	4	40	20	5	60	40
Мощность передатчика UE, дБм	20	21	22	23	20	21	22	23	23	23
Усиление антенны gNB, dBi	21	14	16	18	19	19	20	17	12	15
Потери в антенно-фидерном тракте, dB	2	2,1	2	1,5	0.4	1	1	0,6	3	3
Тип местности*	DU	SU	U	U	FS	DU	Indoor	FS	RU	SU
Требуемая скорость в UL на краю соты, Мбит/с	1	0,256	0,26	0,512	0,512	0,256	1	1,256	0,128	0,256
Требуемая скорость в DL на краю соты, Мбит/с	2	0.5	0.6	1	1.1	1.2	2.2	2.5	0.5	0.9
Шумы gNB (NF), дБ	2	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	2,6	3	2,7	2
Шумы абонентского терминала UE (NF), дБ	7 дБ – если фамилия начинается на букву из диапазона А-З
	6,5 дБ – если фамилия начинается на букву из диапазона И-У
	7,4 дБ – если фамилия начинается на букву из диапазона Ф-Я
Высота подвеса антенны gNB, м	50	60	70	60	20	40	30	35	100	80
Высота антенны UE, м	1,5	1,6	1,7	1,5	1,6	1,7	1,5	1,5	1,6	1,7
Потери сигнала на проникновения (застройка), дБ	28	15	20	21	19	25	27	26	10	12
Площадь, тыс. км.кв	20	25	26	22	5	18	17	19	40	32
Число абонентов, тыс.чел	240	250	290	310	100	260	400	75	300	250
Объем трафика, скачиваемый абонентов в ЧНН (DL), Мбайт	10 Мбайт – если имя начинается на букву из диапазона А-З
	13 Мбайт – если имя начинается на букву из диапазона И-У
	17 Мбайт – если имя начинается на букву из диапазона Ф-Я
Число секторов на БС (gNB)	1	3	2	3	1	3	2	1	3	2
Максимальное число gNodeB, подключаемых к одному UPF	100	150	200	120	140	160	210	190	180	170
Максимальное число gNodeB, подключаемых к одному AMF	250	300	350	400	270	450	360	390	380	290

* U –Urban; DU – Dense Urban; FS – Free Space; RU – Rural; SU – Suburban.

Методические указания по выполнению курсового проекта:

1. 
   Выберите модель распространения сигнала, отталкиваясь от заданных параметров. Обоснуйте свой выбор.
   

Для нахождения радиуса соты 5G применяются модели, которые предсказывают затухание радиосигнала на определенном расстоянии для самых различных радиоусловий. Это могут быть аналитические модели, например, модель свободного пространства, не учитывающая факторы воздействия внешней среды на сигнал, а также эмпирические, полученные опытным путем для самых разных условий и типов приемопередающих устройств (например, модели Walfish-Ikegami, Knife-Edge, Okumura, Hata, и пр.).

Рассмотрим наиболее часто используемые модели распространения сигналов для сетей 5G NR. Базовые станции gNodeB могут устанавливаются практически где угодно: на зданиях, в бизнес-центрах, в аэропортах, вдоль железных дорог и пр.
А) Модель свободного пространства FSPM (Free Space Propagation Model)

Данная модель применяется в условиях открытого пространства между приемником и передатчиком для диапазона сверхвысоких частот (3..30 ГГц).

Формула для расчета затуханий имеет вид (1):

, (1)

где f – это несущая частота сигнала в МГц, d – расстояние между приемником и передатчиком в м.

Такую модель можно использовать при проектировании маломощных базовых станций в помещениях.
Б) Модель UMiNLOS (Urban Micro Non-Line-of-Sight)

Данная модель также применяется в условиях размещения точек доступа в помещениях (Indoor).

Формула для расчета затуханий имеет вид (2):

, (2)
В) Модель Окумура-Хата и ее модификация COST231

Данная модель распространения сигнала является одной из наиболее часто используемых моделей при проектировании покрытия макросот 5G NR. Она применима для сетей, работающих в частотных диапазонах от 150 МГц до 2 ГГц при высоте подвеса антенны базовой станции от 30 до 200 м, высоте антенны мобильного устройства от 1 до 10 м и радиусе соты от 1 до 20 км.

Формула для расчета затуханий имеет вид (3):

, (3)

где f – это несущая частота сигнала в МГц, d – расстояние между приемником и передатчиком в км, – высота подвеса антенны БС eNodeB, – константы (см.Табл.2).


Табл. 2. Значения коэффициентов А и В для различных диапазонов частот.

Диапазоны частот, МГц	А	В
150-1500	69.55	26.16
1500-2000	46.3	33.9

Параметр a зависит от высоты антенны мобильной станции , от несущей частоты f, а также от типа местности (или клаттера) и определяется по формуле (4):

, (4)

где DU –это Dense Urban (плотная городская застройка), U – urban (город), SU – suburban (пригород), RURAL – сельская местность, ROAD – трасса.

Последняя составляющая в выражении (3) – это Lclutter, зависящая от несущей частоты f и от типа местности, определяется как (5):

, (5)

Составляющая s зависит от высоты базовой станции , от несущей частоты f и от расстояния между абонентом и базовой станцией d и определяется как (6):

, (6)

Для нахождения радиуса соты 5G применяются модели, которые предсказывают затухание радиосигнала на определенном расстоянии для самых различных радиоусловий. В данной работе я применю модель Окумура-Хата так как данная модель применима для сетей, работающих в частотных диапазонах от 150 МГц до 2 ГГц при высоте подвеса антенны базовой станции от 30 до 200 м, высоте антенны мобильного устройства от 1 до 10 м и радиусе соты от 1 до 20 км, что соответствует моим параметрам согласно таблицы.

Чтобы построить зависимость потерь сигнала от расстояния между абонентом и базовой станции gNB, нужно произвести расчеты согласно формулы(3). Возьмем расстояние через каждые 10 км, подставим в формулу и получим:

a=3,2[ =0,44

S=
PL(10)=46,3+33,9

PL(20)=46,3+33,9

PL(30)=46,3+33,9

PL(40)=46,3+33,9

PL(50)=46,3+33,9

PL(60)=46,3+33,9

PL(70)=46,3+33,9

PL(80)=46,3+33,9

PL(90)=46,3+33,9

PL(100)=46,3+33,9

PL(110)=46,3+33,9

PL(120)=46,3+33,9

Согласно этих данных составим график зависимости потерь мощности радиосигнала от расстояния между приемником и передатчиком





Рис1

В рамках данного курсового проекта нас будут интересовать принципы расчета радиуса действия одной соты NR. При расчете радиопокрытия беспроводных точек доступа или базовых станций, нужно учитывать физические факторы, ограничивающие зону действия. Прежде всего, это чувствительность приемного устройства RxSens (приемника базовой станции gNodeB или пользовательского терминала UE), которая вычисляется по формуле (7):

, (7)

где NoiseFigure (NF) – коэффициент шума, который обычно указывается производителем оборудования; RequiredSINR – требуемое отношение мощности сигнала к мощности шумов и интерференции, зависящее от используемых схем модуляции и кодирования MCS, а также от механизмов, позволяющих снизить это значение (features); ThermalNoise – тепловой шум приемника, определяемый по формуле (8):

, (8)

где BW – ширина полосы частот принимаемого сигнала в Гц, а -174 дБм – уровень шума на 1 Гц полосы частот при температуре 20⁰С.

Значение RxSens, получаемое из выражения (7) – это минимальный требуемый уровень радиосигнала, при котором возможно успешное декодирование битов данных.

Для того, чтобы определить RequiredSINR, необходимо знать, какая схема модуляции и кодирования MCS может использоваться на краю соты. MCS зависит от требований оператора к скорости передачи данных на краю соты. Ниже приведена таблица, показывающая спектральную эффективность различных MCS (число бит передаваемых в секунду в 1 Гц полосы частот) и требования к RequiredSINR (Таблица 3).
Табл. 3. Для определения RequiredSINR.

№	MCS	Спектральная эффективность, бит/с/Гц	RequiredSINR, дБ
1	QPSK1/32	0.0625	2.1
2	QPSK1/15	0.133	2.9
3	QPSK1/7	0.286	5.1
4	QPSK1/3	0.67	6.3
5	QPSK2/3	1.33	7.9
6	QPSK6/7	1.71	9.5
7	QAM16 1/3	1.33	12.9
8	QAM16 2/3	2.66	15.4
9	QAM16 9/10	3.6	19.8
10	QAM64 1/8	0.75	16
11	QAM64 3/8	2.25	19.1
12	QAM64 ½	3	20.2
13	QAM64 5/8	3.75	21.3
14	QAM64 ¾	4.5	24.7
15	QAM64 9/10	5.4	26.9

В таблице 3 показаны лишь примерные значения