Planificarea Unei Retele Radio Mobile Folosind Utilitarul Ics Telecom

Cuprins

Acronime 9

Lista figurilor și tabelelor utilizate în lucrare 11

Introducere 13

Capitolul 1. Evoluția rețelelor radio mobile 15

1.1 Arhitectura rețelei de acces radio(RAN) 16

1.2 Arhitectura rețelei de bază(Core) 18

1.3 Necesitatea LTE 18

1.4 Capacitatea unui sistem mobil de telecomunicații 19

1.5 Trecerea de la GSM și UMTS la LTE 20

1.6 Trecerea de la LTE la LTE-A 21

Capitolul 2. LTE 23

2.1 Arhitectura LTE 23

2.1.1 UE-echipamentul utilizatorului 23

2.1.2 E-UTRAN 24

2.1.3 EPC 25

2.2 Managementul spectrului în LTE. OFDMA 26

2.3 Caracteristici ale OFDMA 27

2.4 Sisteme de antene 28

2.4.1 Sisteme SISO (Single Input, Single Output) 29

2.4.2 Sisteme SIMO (Single Input, Multiple Output) 29

2.4.3 Sisteme MISO (Multiple Input, Single Output) 30

2.4.4 Sisteme MIMO (Multiple Input, Multiple Output) 30

Capitolul 3. LTE-A 33

Capitolul 4. ICS Telecom 35

Capitolul 5. Modele de propagare 37

5.1 Tipuri de terenuri în planificarea radio 37

5.2 Modelul Okumura-Hata 38

5.3 Modelul Cost 231-Hata 39

5.4 Modelul ITU-R 525/526 40

Capitolul 6. Planificarea rețelei mobile 4G și studiul acoperirii sale radio 41

6.1 Planificarea rețelei radio, realizarea acoperirii radio și obținerea rezultatelor pentru cele trei modele de propagare 42

6.2 Compararea modelelor de propagare 49

Concluzii 51

Bibliografie 53

Acronime

Lista figurilor și tabelelor utilizate în lucrare

Fig. 1.1 Arhitectura UMTS si GSM 15

Fig. 1.2 Arhitectura rețelei de acces radio terestre UMTS 16

Fig. 1.3 Arhitectura rețelei centrale a GSM și UMTS 18

Fig. 1.4 Măsurarea traficului de voce si date în perioada Ianuarie 2007-Iulie 2011 19

Fig. 1.5 Evoluția arhitecturii sistemului de la GSM și UMTS la LTE 21

Fig. 2.1 Arhitectura de nivel înalt a LTE 23

Fig. 2.2 Arhitectura internă a echipamentului utilizatorului 23

Fig. 2.3 Arhitecura rețelei terestre de acces radio evoluată din UMTS 24

Fig. 2.4 Componentele EPC 25

Fig. 2.5 Schema de acces multiplu LTE 27

Fig. 2.6 Sisteme de comunicații SISO 29

Fig. 2.7 Sisteme de comunicații SIMO 30

Fig. 2.8 Sisteme de comunicații MISO 30

Fig. 2.9 Sisteme de comunicații MIMO 31

Fig. 6.1 Harta pe care s-au efectuat simulările 41

Fig. 6.2 Importarea tipului de antenă și modificarea azimutului și tiltului 42

Fig. 6.3 Introducerea parametrilor antenelor (puterea nominală, frecvența de operare, etc) 43

Fig. 6.4 Harta după amplasarea stațiilor de bază 43

Fig. 6.5: Simularea acoperirii radio utilizând modelul de propagare Okumura-Hata-Davidson 44

Fig. 6.6: Simularea acoperirii radio utilizând modelul de propagare COST-231 Hata 44

Fig. 6.7: Simularea acoperirii radio utilizând modelul de propagare ITU 525/526 45

Fig. 6.8 Parametrii stocați de aplicația G-Mon 45

Fig. 6.9 Rezultatele obținute în cazul comparării nivelelor de semnal obținute pentru modelul Okumura-Hata-Davidson 46

Fig 6.10 Suprapunerea în harta de simulare a traseelor efectuate în cadrul măsurătorilor practice pentru modelul Okumura-Hata-Davidson 47

Fig. 6.11 Rezultatele obținute în cazul comparării nivelelor de semnal obținute pentru modelul Cost 231-Hata 47

Fig. 6.12 Rezultatele obținute în cazul comparării nivelelor de semnal obținute pentru modelul ITU 525/526 48

Fig. 6.13 Traseul efectuat pentru efectuarea măsurătorilor 49

Tabelul 5.1 49

Introducere

Comunicațiile mobile au devenit o necesitate zilnică. În ultimele decenii, acestea au evoluat de la o tehnologie foarte scumpă folosită de puțini oameni, la o tehnologie accesibilă majorității populației lumii. Tehnologiile de comunicații mobile au fost împărțite în mai multe generații, prima fiind denumită 1G, reprezentând sistemele radio analogice ale anilor 80’. Primele sisteme digitale mobile, au fost numite 2G, iar primele sisteme mobile de manipulare a unei benzi largi de date 3G.

Ultima generație, 4G , este cunoscută ca fiind denumită LTE (Evoluția pe termen lung), însă mulți consideră că adevăratul pas spre 4G este reprezentat de către LTE-A(Evoluția pe termen lung-Avansat). Aceasta a reprezentat un subiect important de dezbatere de la definirea formală a tehnologiei 3G de către ITU-R (Uniunea de Telecomunicații Internaționale si Radiocomunicații) în 1997. Un set de cerințe a fost specificat de către ITU-R privind ratele minime de date ale utilizatorilor din diferite medii. Cerințele includeau 2048 kbps in mediul unei clădiri de birouri, 384 kbps in mediile exterioare, 144 kbps pentru o conexiune cu un vehicul și 9.6 kbps pentru conexiunile cu sateliții. Cu scopul de a creea o colaborare între diferite asociații de telecomunicații a fost creeat 3GGP in 1998. Totul a început de la partea de radio, cea de rețea centrală și cea de arhitectură a 3G. S-a dorit îmbunătățirea standardelor deja existente la 3G. Astfel, combinația dintre HSDPA și HSUPA a condus la apariția tehnologiei numite HSPA, cunoscută și sub numele de 3.5G. Motivați de cererea tot mai mare de servicii de bandă pentru transfer de date mai rapid și QoS, 3GPP a început să lucreze la două proiecte paralele numite LTE și SAE care intenționează să definească atât partea de acces radio RAN, cât si partea de rețea centrală a sistemului. LTE/SAE reprezintă un pas extrem de important în evoluția industriei fără fir care dorește să ofere utilizatorilor viteze mai mari și servicii mult mai eficiente și optimizate. LTE a evoluat așadar dintr-un sistem 3GPP cunoscut ca UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), care la rândul său evoluase din sistemul GSM (Global System for Mobile Communication).

Creșterea accentuată a cererii pentru conexiuni de date de mare viteză atât pentru uz personal, cât și pentru o mai bună desfășurare a afacerilor, a determinat o creștere fără precedent în domeniul telecomunicațiilor. Conexiunile fără fir de bandă largă au revoluționat viețile oamenilor prin asigurarea accesului la informații oriunde și oricând.

Această lucrare își propune să studieze realizarea unei rețele radio mobile pentru stații de bază LTE, respectiv LTE-A și analiza acoperirii sale radio pentru diferite modele de propagare. Pentru tehnologia LTE sunt puse în evidență o serie de experimente practice utilizând programele ICS Telecom și G-MoN. Cu ajutorul celor două programe se va realiza o comparație între acoperirea radio obținută în urma unor simulări în cadrul cărora am folosit trei modele de propagare diferite și cea efectuată pe teren. Pe baza rezultatelor obținute se vor face comparații între modelele de propagare utilizate, determinând care dintre acestea se apropie cel mai mult de cazul real.

Capitolul 1. Evoluția rețelelor radio mobile

O rețea de telefonie mobilă este alcătuită din trei elemente: echipamentul mobil (telefonul mobil), rețeaua de acces radio (RAN) și rețeaua centrală (Core). Rețeaua centrală este alcătuită din două domenii: domeniul comutației de circuit (CS) și domeniul comutației de pachete (PS).

Comutația de circuit transportă apelurile telefonice dintr-o regiune geografică acoperită de un operator de rețea in același mod precum un sistem tradițional de telefonie fixă. Acesta comunică cu rețeaua publică de comutație (PSTN) astfel încât utilizatorii pot efectua apeluri la liniile terestre fiind comutați spre alți operatori de rețea.

Domeniul comutării de pachete transportă fluxuri de date precum pagini web sau e-mail între utilizator și un serviciu extern de date precum Internetul.

Fig. 1.1 Arhitectura UMTS si GSM

Cele două domenii transportă informația în moduri foarte diferite. Domeniul CS transportă informația folosind un circuit de comutație în care se setează o conexiune bilaterală dedicată pentru fiecare telefon mobil în parte pentru a se putea transporta datele cu o rată constantă și o întârziere minimă. Această tehnică este bună însă nu este suficient de eficientă: conexiunea are o capacitate suficientă pentru a face față celui mai rău caz posibil în care amândoi utilizatorii vorbesc în același timp. De asemenea, este ineficientă pentru transferul de date în care rata de date poate varia foarte mult.

Pentru a face față acestei probleme, PS folosește o altă tehnică numită comutarea de pachete. În această tehnică, un flux de date este împărțit în mai multe pachete de date, fiecărui pachet atribuindu-se câte o etichetă care conține adresa la care acesta trebuie să ajungă. În cadrul rețelei, routerele citesc adresele de pe etichetele pachetului și le direcționează pe acestea spre destinația dorită. Resursele rețelei sunt împărțite către toți utilizatorii rețelei, făcând această metodă mai eficientă decât cea folosită de CS. Cu toate acestea, întârzierile pot interveni dacă prea multe echipamente doresc să transmită simultan[1].

Rețeaua de acces radio (RAN) face conexiunea dintre rețeaua centrală (Core) și utilizator. În figura de mai sus observăm două rețele de acces radio diferite: GERAN și UTRAN. Acestea folosesc tehnici diferite de comunicație radio, dar împărtășesc aceeași rețea centrală comună.

Dispozitivul utilizatorului (UE) este cunoscut oficial ca echipamentul de utilizator, dar generic îl vom denumi mobil. Acesta comunică cu rețeaua de acces radio prin intermediul interfeței aerului. Direcția de la rețea către mobil este cunoscută drept legătura descendentă, iar direcția de la mobil către rețea este cunoscută sub numele de legătură ascendentă. Un echipament mobil poate funcționa în afara zonei de acoperire a operatorului de rețea utilizând resursele a două rețele mobile terestre publice: rețeaua vizitată, unde echipamentul mobil este situat în acel moment, respectiv rețeaua de domiciliu a operatorului. Această situație este cunoscută sub numele de roaming.

1.1 Arhitectura rețelei de acces radio(RAN)

Fig. 1.2 Arhitectura rețelei de acces radio terestre UMTS

Cea mai importantă componentă a arhitecturii este stația de bază (BS), fiind cunoscută sub numele oficial de Node B în arhitectura UMTS. Fiecare stație de bază are unul sau mai multe seturi de antene, prin care comunică cu echipamentele mobile aflate într-unul sau mai multe sectoare de acoperire radio. O stație de bază tipică folosește trei seturi de antene pentru a controla trei sectoare fiecare set controlând câte un arc de aproximativ 120°. Într-o țară de mărime medie o rețea poate avea în jur de câteva mii de stații de bază.

Termenul de celulă este similar cu cel de sector. Fiecare celulă are o dimensiune limitată, care este determinată de distanța maximă la care receptorul poate auzi transmițătorul. De asemenea are și o capacitate limitată care reprezintă rata maximă combinată a datelor din toate mobilele aflate în celula respectivă. Aceste limite conduc la existența mai multor tipuri de celule. Macrocelulele oferă acoperire largă în zonele rurale și sub-urbane, având dimensiuni de câțiva kilometri. Microcelulele au o arie mai restrânsă de acoperire, de câteva sute de metri, însă oferă o capacitate mult mai ridicată fiind potrivite pentru zonele urbane aglomerate. Picocelulele sunt utilizate în medii interioare mari, precum birouri sau centre comerciale, fiind situate la câteva zeci de metri unele de altele. În cele din urmă, utilizatorii își pot cumpăra propria lor stație de bază pentru a o instala în propria locuință. Acestea controlează femtocelulele care sunt situate la câțiva metri distanță.

Privind mai atent la interfața aerului, fiecare echipament mobil și stație de bază transmit folosind o anumită frecvență radio numită frecvență purtătoare. În jurul acesteia se ocupă o anumită cantitate din spectru, cunoscută sub numele de lărgime de bandă. De exemplu, un telefon mobil transmite pe o frecvență purtătoare de 1960 MHz, pe o lărgime de bandă de 10MHz, caz in care ocupă o gamă de frecvență cuprinsă între 1955MHz și 1965 MHz.

Interfața aerului trebuie să separe transmisiunile stațiilor de bază de cele ale echipamentelor mobile, pentru ca acestea să nu interfereze. UMTS reușește acest lucru prin două căi: prin divizarea în frecvență și prin divizarea în timp. Când este folosită divizarea în frecvență (FDD), stația de bază transmite pe o frecvență purtătoare, iar mobilul pe alta. Când se folosește divizarea în timp, stația de bază și mobilul folosesc aceeași frecvență purtătoare, dar la momente diferite de timp. Atunci când un mobil se mută dintr-o parte a rețelei în alta, acesta trebuie să oprească comunicarea cu o celulă și să înceapă comunicarea cu celula urmă. În funcție de circumstanțe, această operațiune se poate efectua prin două tehnici numite reselectarea celulei sau handover. În UMTS, un mobil poate comunica simultan cu mai multe celule, procesul numindu-se soft handover[1].

Stațiile de bază sunt grupate împreună de niște dispozitive numite controlere de rețea radio(RNC), acestea având două sarcini de îndeplinit. În primul rând, ele fac trecerea informațiilor de voce ale utilizatorului și a pachetelor de date între stațiile de bază și rețeaua centrală. În al doilea rând, ele controlează comunicațiile radio ale unui mobil prin intermediul mesajelor de semnalizare, care sunt invizibile pentru utilizator, spunându-i unui telefon mobil să treacă de la o celulă la alta. O rețea normală conține câteva zeci de controlere de rețea radio, fiecare controlând în parte câteva sute de stații de bază.

1.2 Arhitectura rețelei de bază(Core)

Fig. 1.3 Arhitectura rețelei centrale a GSM și UMTS

În figura de mai sus este prezentată arhitectura rețelei centrale. În domeniul comutației de circuit, porțile de acces media (MGWs) direcționează apelurile telefonice dintr-o parte în alta a rețelei, în timp ce centrul mobil de comutație (MSC) se ocupă cu semnalizările care pornesc, gestionează sau opresc apelurile telefonice. Dispozitivul care are grijă de funcțiile de trafic și de semnalizare a celor două dispozitive de mai sus se numește registrul de locație al vizitatorului (VLR). O rețea normală conține câteva dispozitive din fiecare categorie.

În domeniul comutației de pachete, GGSN acționează ca interfețe către serverele și rețelele de date sub formă de pachete din lumea exterioară. SGSN direcționează datele între GGSN și stațiile de bază și se ocupă de semnalizările care pornesc, gestionează sau întrerup fluxurile de date. Din nou, o rețea normală conține câteva dispozitive din fiecare categorie.

HSS este o bază centrală de date care conține informații despre toți abonații operatorului de rețea, fiind împărțită între cele două domenii de rețea.

1.3 Necesitatea LTE

Timp de mulți ani, apelurile vocale au dominat traficul de telecomunicații in rețelele mobile. Creșterea datelor mobile a fost lentă inițial, însă odată cu anul 2010 am avut parte de o creștere bruscă. Pentru a ilustra acest lucru, în figura 1.4 avem niște măsurători efectuate de compania Ericsson asupra traficului de date gestionat de rețelele din întreaga lume măsurat în petabytes (un milion de gigabytes) în fiecare lună. Se observă că în perioada Ianuarie 2007-Iulie 2011 traficul de date a crescut de peste 100 de ori.

Fig. 1.4 Măsurarea traficului de voce si date în perioada Ianuarie 2007-Iulie 2011

Creșterea se datorează disponibilității tehnologiei 3.5G și apariția primelor telefoane Apple respectiv cu Android. Aceste telefoane mobile au prezentat o interfață foarte prietenoasă pentru utilizator, lucru care a condus la o explozie a numărului de utilizatori al aplicațiilor mobile. Un alt factor contributiv este acela că operatorii de rețea au încercat să încurajeze creșterea datelor mobile prin introducerea unor sisteme de taxare care permiteau descărcarea nelimitată de date. Acest lucru a condus la o situație în care nici utlizatorii, nici producătorii nu aveau motive să își limiteze consumul de date.

Ca un rezultat al acestor probleme, rețelele 2G și 3G au început să devină congestionate în jurul anului 2010, conducând la necesitatea de a crește capacitatea rețelelor.

1.4 Capacitatea unui sistem mobil de telecomunicații

În 1948, Claude Shannon a descoperit o limită teoretică a ratei de date care poate fi obținută de orice sistem de telecomunicații.

C = B log2 (1 + SINR) (1.1)

SINR (semnalul interferență-zgomot), reprezintă puterea de la receptor a semnalului dorit împărțită la puterea zgomot-interferență. B reprezintă lărgimea benzii sistemului de comunicație măsurată in Hz, iar C reprezintă capacitatea canalului de transmisie măsurată in biți/. Este teoretic posibil pentru un sistem de comunicație să trimită date de la transmițător la receptor fără apariția niciunei erori. Într-un sistem de comunicații mobile, C reprezintă rata maximă de date pe care o celulă o poate gestiona și este egală cu totalitatea ratelor de date ale tuturor mobilelor din acea celulă.

Există trei căi de a crește capacitatea unui sistem de comunicații mobile. Prima și cea mai importantă este cea de a folosi celule mai mici. Într-o rețea celulară, capacitatea canalului este egală cu rata maximă de date pe care celula o poate gestiona. Prin construirea unor stații de bază în plus și reducerea fiecărei celule, putem crește capacitatea rețelei. A doua tehnică o reprezintă creșterea lărgimii de bandă. Spectrul radio este gestionat de către ITU și de către autoritățile regionale și naționale, iar creșterea folosirii telecomunicațiilor mobile a condus la creșterea spectrului alocat sistemelor 2G și 3G. Totuși, avem o gamă de frecvențe disponibilă destul de redusă, iar acest proces nu poate înainta foarte mult. A treia cale o reprezintă îmbunătățirea tehnologiei pe care o folosim, care ne aduce câteva avantaje precum faptul că ne permite o apropiere cât mai mare de capacitatea teoretică a canalului și ne lasă să exploatăm un SINR mai mare și o lățime de bandă cât mai ridicată. Această dorință de îmbunătățire a tehnologiei a condus la introducerea în cele din urmă a conceptului de LTE.

Două alte probleme au condus la trecerea spre LTE. În primul rând, operatorii 2G și 3G au de întreținut două rețele centrale: domeniul circuitului de comutație pentru voce, respectiv domeniul comutării de pachete pentru date. Deși a fost dovedit că nu congestia este o problemă, este de asemenea posibil să transportăm apeluri de voce prin rețele de comutare de pachete folosind tehnici precum VoIP. Reușind acest lucru, operatorii pot muta totul în domeniul comutării de pachete, reducând astfel costurile. O altă problemă o reprezintă faptul că rețelele 3G introduc o întârziere de ordinul a 100 de milisecunde în aplicațiile de date și în transferul datelor între rețele prin interfața aerului. Acest lucru este abia permis în aplicațiile de voce însă pentru aplicații mai complexe precum video-streaming nu este deloc indicat.

1.5 Trecerea de la GSM și UMTS la LTE

În noua arhitectură, EPC reprezintă înlocuitorul direct al PS din arhitecturile GSM și UMTS. Acesta distribuie orice fel de informație către utilizator, precum date și voce, utilizând comutarea de pachete care a fost utlizată doar pentru transmiterea datelor în trecut. În noua arhitectură nu mai există domeniul comutării de circuit: apelurile vocale sunt transportate utilizând VoIP. Rețeaua de acces radio terestră evoluată (E-UTRAN) gestionează comunicațiile radio ale EPC cu mobilul,fiind un înlocuitor direct al UTRAN. LTE a fost conceput pentru o rată maximă de date de 100 Mbps pe descărcare și 50 Mbps pe încăcare. Aceste limite au fost însă depășite ajungându-se la 300 Mbps pentru descărcare și 75 Mbps pentru încărcare. LTE este optimizat pentru celule cu o rază maximă de 5 kilometri. De asemenea, a fost creeat pentru a lucra cu o varietate mare de lărgimii de bandă, aflate în intervalul 1.4 MHz-20MHz. EPC este creat astfelt încât să suporte handovere între sistemele LTE și cele GSM și UMTS.

Fig. 1.5 Evoluția arhitecturii sistemului de la GSM și UMTS la LTE

1.6 Trecerea de la LTE la LTE-A

În 2008, ITU a lansat o serie de cerințe pentru un sistem mobil de telecomunicații de a patra generație sub denumirea de IMT-Advanced. Aceste cerințe presupun o creștere a ratei maxime de date pe descărcare la o valoare de cel puțin 600 Mbps, iar cea de încărcare de 270 Mbps pe o lățime de bandă de 40 MHz. 3GPP a început să studieze cum se pot spori capacitățile LTE. Principalul rezultat al studiului l-a reprezentat o nouă specificație pentru un sistem numit LTE-A.

LTE-A trebuia să furnizeze o rată maximă de date de 1000 Mbps pe descărcare și 500 Mbps pe încărcare. În practică, sistemul a fost conceput să ofere rate de date maxime de aproximativ 3000 și 1500 Mbps, utilizând o lărgime de bandă de 100 MHz, alcătuită din cinci componente a câte 20 MHz fiecare. Această specificație include de asemenea anumite ținte pentru eficiența spectrului de frecvențe în cadrul anumitor scenarii de testare. LTE-A a fost proiectat astfel încât să fie compatibil cu LTE, în sensul că un mobil LTE poate comunica cu o stație de bază LTE-A, și invers.

Capitolul 2. LTE

2.1 Arhitectura LTE

Arhitectura LTE este constituită din trei componente principale: UE-echipamentul utilizatorului,

E-UTRAN-rețeaua terestră de acces radio evoluată din UMTS și EPC-evolved packet core.

Fig. 2.1 Arhitectura de nivel înalt a LTE

2.1.1 UE-echipamentul utilizatorului

Echipamentul de comunicație este cunoscut sub denumirea de echipament mobil (ME). Acesta are o arhitectură identică cu cea din sistemele GSM și UMTS. Echipamentul mobil are la rândul său două componente principale numite terminalul mobil (MT), care se ocupă cu toate funcțiile de comunicare și echipamentul terminal(TE), care întrerupe fluxurile de date[4].

Fig. 2.2 Arhitectura internă a echipamentului utilizatorului

Cardul universal cu circuit integrat (UICC) este cunoscut sub numele de cartelă SIM. Această cartelă rulează o aplicație numită modul de identitate a abonatului universal (USIM), care stochează informații despre utilizator precum numărul său de telefon și identitatea rețelei din care acesta face parte. LTE suportă cartele SIM din UMTS, dar nu suportă cartele SIM folosite în GSM.

2.1.2 E-UTRAN

Fig. 2.3 Arhitecura rețelei terestre de acces radio evoluată din UMTS

E-UTRAN gestionează comunicațiile radio dintre mobil si EPC, având o singură componentă numită evolved Node-B (eNB). Fiecare eNB este o stație de bază care controlează mobilele dintr-una sau mai multe celule. Un mobil comunică doar cu o stație de bază și cu o celulă la un moment dat, neavând un echivalent al handover-ului din UMTS. Stația de bază care comunică cu un mobil este cunoscută ca nodul B de serviciu[8].

eNB are două funcții principale. În primul rând, eNB trimite transmisiile radio tuturor mobilelor sale pe descărcare, și primește transmisii de la mobile pe încărcare utilizând funcțiile de procesare ale semnalelor digitale si analogice ale interfeței aerului. În al doilea rând, eNB controlează operațiile de nivel scăzut ale mobilelor sale, trimițându-le mesaje de semnalizare precum comenzi de predare referitoare la aceste transmisii radio. eNB combină funcțiile anterioare ale Nodului B și a controlerului de rețea pentru a reduce latența care apare atunci când mobilul schimbă informații cu rețeaua.

Fiecare stație de bază este conectată la EPC prin interfața S1. De asemenea, poate fi conectată la o stație de bază alăturată prin interfața X2, care este folosită în special pentru semnalizare și transmiterea de pachete în timpul handoverului.

2.1.3 EPC

În figura de mai jos avem prezentate principalele componente ale EPC. HSS este o bază de date care conține informații despre abonații unei rețele. Este una din puținele componente care a fost moștenită de LTE de la GSM și UMTS.

Fig. 2.4 Componentele EPC

Poarta de acces a rețelei de pachete de date (P-GW) este punctul de contact cu lumea exterioară. Prin intermediul interfeței Sgi, fiecare P-GW schimbă date cu diverse echipamente precum serverul operatorului de rețea sau internetul. Fiecare echipament mobil este atribuit unei P-GW atunci când este pornit.

Poarta de acces de servire (S-GW) acționează ca un router și trimite mai departe datele între stația de bază și gateway-ul rețelei de pachete de date.

2.2 Managementul spectrului în LTE. OFDMA

Majoritatea operatorilor de top și a producătorilor de echipamente și infrastructură au considerat LTE ca fiind tehnologia mobilă a viitorului, motiv pentru care au început demersurile pentru a integra tehnologia la o scară cât mai mare. Principala preocupare a operatorilor de rețele mobile a devenit transmiterea diverselor tipuri de date simultan, la rate ridicate de transfer, cu erori cât mai mici.

Aceste aspecte sunt îndeplinite de OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Acces), un protocol de interfață care împarte fluxul de date în subfluxuri care pot fi transmise simultan pe frecvențe purtătoare diferite. LTE utilizează tehnica de acces multiplu OFDM în sens descendent, obținându-se astfel rate foarte mari de transmitere a datelor. OFDMA permite stației de bază să comunice cu mai multe echipamente mobile în același timp. Metoda de acces multiplu OFDMA prezintă o flexibilitate ridicată privind canalele radio, LTE folosind canale radio de dimensiuni diferite care variază între 1.4 – 20 MHz. De asemenea, LTE mărește eficiența spectrală.

OFDMA este o combinație între modulație și multiplexare, repezentând o modulație din punctul de vedere al legăturii dintre semnalele de la intrare și cele de la ieșire și o multiplexare deoarece semnalul de la ieșire reprezintă suma modulațiilor respective. În LTE, OFDMA este protocolul standard pentru legătura în sens descendent, în timp ce pentru legătura în sens ascendent este folosită tehnica SC-FDMA (Single Carrier Frequency Divison Multiple Access).

Un obiectiv important al dezvoltării rețelelor de comunicații mobile îl reprezintă utilizarea cât mai eficientă a resurselor radio. Deoarece aceste resurse sunt limitate iar cererea de servicii este tot mai mare, sunt impuse anumite tehnici de management adecvat al resurselor. Pentru aceasta este necesară monitorizarea continuă a variației calității legăturilor radio și realizarea unei adaptări dinamice a sistemului care să conducă la maximizarea numărului de utilizatori care pot utiliza sistemul simultan.

Managementul resurselor radio implică anumite tehnici și algoritmi de control al unor parametrii precum:

Puterea de transmisie

Viteza de transfer a datelor

Tehnica de modulație și codare

Modalitatea de alocare a lărgimii de bandă necesară în vederea transmisiei

Alocarea canalelor disponibile diferiților utilizatori

Programarea transmisiei de pachete în funcție de cerințele de trafic

Transferul legăturii de comunicație și controlul admisiei unei noi conexiuni în rețea

Alocarea resurselor în domeniul frecvenței se face în mod egal pentru legăturile în sens ascendent și în sens descendent cu o rezoluție de 180 KHz. Pentru legătura în sens descendent, cea care folosește OFDMA, se pot folosi resurse din diferite zone ale spectrului pentru același utilizator, fapt ce conduce la creșterea sporită a capacității rețelei LTE.

Fig. 2.5 Schema de acces multiplu LTE

Folosirea LTE asigură o flexibilitate crescută în alegerea benzii de transmisiune, aceasta luând valori între 1.4 și 20 MHz. Pentru o bandă de 20 KHz se pot asigura viteze de până la 150 Mbps pentru legătura descendentă și de 75 Mbps pentru legătura ascendentă.

2.3 Caracteristici ale OFDMA

Principiul OFDMA este cunoscut încă din anii 1950, atunci când sistemele de comunicații erau integral analogice, dar îndeplinirea exactă a condiției de ortogonalitate era dificilă din motive tehnice. Implementarea practică a unui sistem OFDMA se bazează pe folosirea transformatei Fouriei disrcete sau a operației inverse acesteia, pentru a ne permite trecerea din domeniul timp în domeniu frecvenței și invers. Principiul transmiterii în OFDMA este de a utiliza subpurtătoare înguste, reciproc ortogonale. În LTE, distanța dintre aceste subpurtătoare este de 15 KHz, indiferent de banda totală de transmisiune.

Principiile OFDMA au fost folosite pentru legătura de tip descendent pentru LTE, iar SC-FDMA, care este folosit pentru legătura de tip ascendent, folosește la rândul său multe principii împrumutate de la OFDMA pentru a obține o eficiență spectrală ridicată. Principalele motive pentru care OFDMA este folosit în LTE, precum și în alte sisteme de comunicații sunt reprezentate de faptul că la OFDMA întâlnim o complexitate redusă a receptorului, precum și proprietăți spectrale bune sau operarea în diferite benzi de frecvență. De asemenea, OFDMA se caracterizează prin performanțe foarte bune din punct de vedere al selectivității față de canalele vecine, compatibilitate cu diverse tipuri de antene sau o împărțire eficientă a spectrului în canalele de transmisiune. Aceste performanțe au fost atinse datorită inovațiilor aduse în cazul arhitecturii rețelelor de acces radio.

OFDMA prezintă însă o serie de probleme precum:

Cu cât banda unei transmisiuni devine mai largă, cu atât receptorul devine mai complex

Toleranță foarte scăzută la offset în frecvență; acest dezavantaj a fost eliminat în LTE prin alegerea ecartului de 15 kHz dintre frecvențele purtătoare, care oferă o toleranță suficientă diverselor deplasări în frecvență (efect Doppler și imperfecțiuni ale emițătorului)

Semnalul transmis are un raport Peak-to-Average foarte ridicat, ceea ce implică necesitatea unui transmițător liniar pe un interval mare de valori; amplificatoare de acest tip au o valoare a câștigului și a randamentului scăzute și nu sunt ideale pentru legături mobile de tip ascendent; în LTE acest dezavantaj a fost eliminat prin folosirea transmisiunilor SC-FDMA pentru legătura ascendentă

Pentru sensul ascendent, se folosește tehnica numită SC-FDMA. Forma de bază a SC-FDMA este similară cu cea a modulației QAM, unde fiecare simbol este transmis la un anumit timp, la fel ca în sistemele GSM care folosesc TDMA (Time Division Multiple Acces). SC-FDMA folosește același principiu al subpurtătoarelor ca și OFDMA cu distanța dintre subpurtătoare tot de 15 KHz[10].

2.4 Sisteme de antene

LTE a fost proiectat astfel încât stația de bază și echipamentul mobil să poată utiliza mai multe antene pentru transmisie si recepție. Pentru a îmbunătăți puterea semnalului recepționat putem utiliza mai multe antene pentru recepție. Această metodă se poate aplica atât în sensul ascendent (spre stațiile de bază), cât și în sensul descendent (spre stațiile mobile). Prin combinarea semnalelor recepționate de diferitele antene de recepție, raportul semnal-zgomot poate fi îmbunătățit proporțional cu numărul antenelor de recepție, obținându-se astfel rate de transmisie superioare a datelor.

Metoda mai sus menționată poate fi aplicată și în cazul emisiei, de regulă în cadrul stațiilor de bază, și este utilizată pentru a concentra puterea de emisie totală în direcția receptorului, adică spre stația mobilă. Acest lucru determină îmbunătățirea semnalului recepționat și conduce, ca în cazul anterior, la obținerea unor rate superioare de transmisie.

Există patru tipuri de sisteme de comunicații: SISO, SIMO, MISO și MIMO.

2.4.1 Sisteme SISO (Single Input, Single Output)

Sistemele SISO sunt cele mai simple sisteme de comunicații dintre cele patru sisteme menționate anterior și sunt formate dintr-o singură antenă de emisie și o singură antenă de recepție. Aceste sisteme sunt utilizate în cadrul altor sisteme precum Bluetooth, Wi-Fi, radiodifuziune sau televiziune.

SISO este o soluție avantajoasă datorită simplității. Viteza de transmisie a sistemului depinde de lărgimea de bandă a canalului și de raportul semnal-zgomot. În anumite condiții, aceste sisteme sunt expuse la probleme precum efectele propagării multicale. Acest tip de propagare determină apariția unor probleme de fading, atenuări, reducerea vitezei de transmisie, creșterea numărului de erori și de pachete pierdute.

Fig. 2.6 Sisteme de comunicații SISO

2.4.2 Sisteme SIMO (Single Input, Multiple Output)

Sistemele SIMO sunt sistemele de comunicații în care se regăsesc multiple antene în segmentul de recepție și o singură antenă utilizată pentru emisie.

Acest tip de sistem de comunicații poate fi utilizat în diverse aplicații însă nu este utilizat foarte des în sistemele de recepție localizate în dispozitivele mobile întrucât performanța ar fi limitată de dimensiuni, cost și baterie.

Prin utilizarea a două sau mai mult antene pentru recepție, efectele propagării multicale, întârzierile sau pierderile de pachete pot fi reduse. Aceste tipuri de sisteme sunt utilizate pentru aplicații precum televiziunea digitală sau rețele WLAN[4].

Fig. 2.7 Sisteme de comunicații SIMO

2.4.3 Sisteme MISO (Multiple Input, Single Output)

Sistemele MISO sunt sisteme de comunicații alcătuite din mai multe antene în segmentul de emisie și o singură antenă utilizată pentru recepție.

Aceste sisteme sunt foarte avantajoase întrucât redundanța și codarea se mută din partea de recepție în partea de emisie. Această implementare aduce beneficii în utilizarea în cadrul terminalelor mobile prin reducerea energiei consumate și a necesarului de procesare.

Fig. 2.8 Sisteme de comunicații MISO

2.4.4 Sisteme MIMO (Multiple Input, Multiple Output)

Sistemele MIMO sunt formate din mai multe antene de emisie și mai multe antene de recepție.

Între un emițător și un receptor, semnalul poate urma mai multe căi iar prin mutarea uneia dintre antene, chiar și la o distanță mică, calea urmată de către semnal se modifică.

Prin utilizarea tehnologiei MIMO, diferitele căi disponibile poti fi utilizate drept avantaj. Astfel legăturile radio devin mai robuste prin îmbunătățirea raportului semnal-zgomot sau prin creșterea capacității legăturii de date.

Fig. 2.9 Sisteme de comunicații MIMO

Cea mai înaltă performanță este atinsă în cazul utilizării mai multor antene atât la emisie, cât și la recepție, realizându-se așa-numita multiplexare spațială, cunoscută și sub acronimul MIMO.

LTE Release 8 s-a dovedit a fi o tehnologie de succes din punct de vedere al performanțelor obținute în rețelele de telecomunicații. De asemenea, popularitatea smartphone-urilor a determinat o creștere a cererii de evoluție a comunicațiilor mobile de bandă largă.

Capitolul 3. LTE-A

LTE-A este un standard de telecomunicații mobile și reprezintă o îmbunătățire majoră astandardului LTE. Cerințele acestuia au fost prezentate pentru prima dată la sfârșitul anului 2009, și a fost standardizat în martie 2011 sub denumire de 3GPP Release 10. LTE-A poate funcționa pe aceleași frecvențe ale terminalelor ca și LTE.

Cele mai importante îmbunătățiri aduse de LTE-A sunt:

Agregarea purtătoarelor în sens descendent pentru atingerea unor rate de 300 Mbps cu spectrul 20 + 20 MHz și 2 × 2 MIMO, și ulterior atingerea ratelor de 3 Gbps prin utilizarea unei lărgimi de bandă de 100 MHz și 8 × 8 MIMO. Lărgimea de bandă superioară este soluția obținerii rate ale datelor mai mari

Evoluția multiantenelor MIMO la 8 × 8 în sens descendent și 4 × 4 în sens ascendent. MIMO poate fi folosit în stațiile de bază pentru a menține numărul antenelor din terminalele mobile scăzut. Acest aspect permite creșterea capacității rețelei, în timp de complexitatea terminalelor mobile rămâne scăzută

Rețele eterogene pentru implementarea co-canal a macrocelulelor și celulelor mici. Aceste rețele permit controlul interferențelor între diferite nivele ale celulei. Aceste caracteristici sporesc capacitatea rețelei și acoperirea cu o densitate mare de celule mici ce partajează frecvențe cu macrocelule

Coordonarea transmisiei și recepției multipunct permite utilizarea mai multor celule pentru conexiunea de date către un terminal. Coordonarea multipunct îmbunătățește în mod special rata de transmisie a datelor la marginea celulei, limitată de interferențe intercelulare

Caracteristicile de auto-organizare ale rețelei permit funcționarea mai rapidă a acesteia și îmbunătățește performanța resimțită de către utilizator prin furnizarea de configurații corecte și setări optimizate ale parametrilor.

LTE-Advanced este descris în Release 10 și poate fi implementat treptat pornind de la rețelele ce au la bază Release 8, utilizând aceleași frecvențe și asigurând buna funcționare a terminalelor mobile compatibile cu Release 8. Prin urmare evoluția de la LTE la LTE-Advanced va fi una progresivă.

ITU-R a definit cerințele pe care ar trebui sistemul să le îndeplinească în cadrul tehnologiei LTE-A:

Asigurarea unor rate de transmisiune de 100 Mbps în cazul unei mobilități ridicate și până la 1 Gbps în cazul unei mobilități scăzute

Să permită interconectarea cu alte sisteme de acces radio

Asigurarea unor servicii mobile de înaltă calitate

Asigurarea serviciului de roaming la nivel global

Posibilitatea utilizării acestei tehnologii și în cazul deplasării cu viteze de până la 350 km/h (ratele de transmisiune vor fi mai mici decât în cazul în care stația mobilă ar staționa)

Latență de până la 100 ms pentru tranziția între starea inactivă și cea activă, respectiv 10 ms pentru începerea furnizării conținutului solicitat de către utilizator[3].

Capitolul 4. ICS Telecom

ICS Telecom este principalul utilitar folosit de către operatorii de rețea, organizațiile de reglementare a spectrului și fabricanții de echipamente. Acest program permite o modelare a diferitelor rețele cu anumite funcții și caracteristici.

Acesta permite modelarea sistemelor radio de diferite dimensiuni, indiferent de zona geografică (zone urbane, zone suburbane, zone de câmpie, zone de munte, etc). ICS Telecom permite o planificare foarte rapidă și economică a rețelelor ce acoperă diferite tipuri de zone. ICS Telecom acoperă o gamă de frecvențe cuprinsă între 10 KHz și 450 GHz, putând fi folosit pentru proiectarea rețelelor mobile, dar și fixe[9].

Programul cuprinde un set complet de instrumente pentru modelarea comunicațiilor radio în benzile de frecvență MF/HF/VHF/UHF/SHF/EHF. Acesta permite modelarea și analizarea unui număr mare de tehnologii precum:

Sisteme aeronautice

Difuziune TV și radio analog și digitală

Acces fără fir celular/mobil

Comunicații terestre

Date mobile

Sisteme radar

Sisteme satelit

Sisteme telemetrice

ICS Telecom poate fi utilizat când proiectăm o rețea de la început sau când se dorește expansiunea unui sistem deja existent. De asemenea, poate fi folosit la analiza interfețelor rețelelor deja existente. Programul se folosește pentru:

Evaluarea tehnologiilor

Planificări de rețea

Optimizarea spectrului

Optimizarea rețelei

Administrarea rețelei

Dimensionarea unei infrastructuri

Interfața grafică a programului ICS Telecom, este împărțită în următoarele regiuni:

Zona de afișare

Zona de coordonate

Paleta de culori

Bara de stare

Bara de culori

Capitolul 5. Modele de propagare

Modelele de propagare reprezintă principala componentă a proiectării unei rețele radio mobile. Rețeaua trebuie construită mai întâi pentru a se testa performanțele sale reale sau pentru a se optimiza rețeaua pe baza unor rezultate obiținute anterior.

Din punctul de vedere al propagării radio mobile, tipurile de modele disponibile se încadrează în două mari categorii: modele punct-la-punct și modele punct-la-zonă.

Modelul punct-la-punct nu se referă la o legătură fixă, ci mai degrabă la faptul că este posibilă descrierea explicită a căii dintre emițător și receptor, atunci când se face presupunerea că stația de recepție se află într-o anumită locație. Prin repetarea acestui proces pentru toate locațiile posibile ale antenei de recepție, este posibilă determinarea comportamentului rețelei pentru un utilizator mobil.

Metodele punct-la-zonă utilizează modele mai puțin precise pentru descrierea căii în sine. Acestea se axează mai mult pe caracterizarea căii pe baza unui număr de parametri care se așteaptă să fie prezenți.

5.1 Tipuri de terenuri în planificarea radio

Unul din cele mai importante aspecte legate de planificarea radio îl reprezintă terenul pe care va urma planificată rețeaua. Acestea sunt clasificate în trei categorii: zone urbane, zone suburbane și zone rurale. La rândul lor, aceste categorii pot fi împărțite în alte subcategorii, în funcție de cerințele organizațiilor de reglementare sau de preferințele operatorilor.

Primul tip de teren este reprezentat de cel al unei zone urbane. Acest tip de teren este caracterizat în principal de clădiri foarte înalte, apropiate unele de altele, de o populație foarte ridicată, și de lipsa vegetației. Pentru astfel de zone a fost dezvoltat modelul Okumura-Hata, în Japonia.

Planificarea radio în aceste tipuri de zone este cea mai grea, deoarece atenuările sunt foarte ridicate, iar cele mai mari pierderi se înregistrează în aceste zone. Din această cauză, tehnicile de modulație și de codare avansate sunt cele mai potrivite pentru aceste zone.

Al doilea tip de teren, zonele suburbane, reprezintă în general zone în care apar blocuri de locuințe de 3-4 etaje, centre comerciale și vegetație medie. Din cauza faptului că pierderile din aceste zone sunt minime comparativ cu cele dintr-o zonă urbană, acoperirea se poate determina mult mai ușor.

Ultima categorie cuprinde zonele rurale. Acestea se referă la zonele întinse, câmpii, zone muntoase, văi, etc. Aceste zone sunt puțin populate, conținând vegetație foarte dezvoltată. O stație de bază plasată la o înălțime mai mare de 30 metri este suficientă pentru o acoperire și capacitate dezvoltată.

5.2 Modelul Okumura-Hata

Există două forme ale modelului Okumura-Hata. Pentru prima formă, pierderile de propagare se calculează cu următoarea relație:

L = Lfreespace + Aexc + Hcb + Hcm (5.1)

unde:

Lfreespace – pierderile de propagare în spațiul liber

Aexc – pierderile de propagare în exces exprimate în funcție de distanță și frecvență pentru o stație de bază cu înălțimea hb=200m și o stație mobilă cu înălțimea hm= 3m

Hcb – factor de corecție al înălțimii stației de bază

Hcm – factor de corecție al înălțimii stației mobile

O formă mai cunoscută a relației este prezentată mai jos:

A+ (5.2)

unde A,B,C- factori care depind de frecvența și înălțimea antenei.

unde:

fc – frecvența exprimată în MHz

d – distanța exprimată în km

Funcția a(hm) și factorul C sunt dependente de mediu:

Orașe de dimensiune mică și medie:

mcmc (5.5)

Zone metropolitane:

m (5.6)

C=0

Zone suburbane:

(5.7)

Zone rurale:

(5.8)

Valoarea funcției a(hm) pentru zonele rurale și suburbane este aceeași ca pentru orașele de dimensiune medie și mică. Pentru acest model de propagare, parametrii pot avea următoarele valori:

Frecvența purtătoare (fc) – între 150-1500 MHz

Înălțimea antenei stației de bază (hb) – între 30-200m

Înălțimea antenei stației mobile (hm) – între 1-10m

Distanța (d) – între 1-20km

Observăm că valoarea frecvenței purtătoare nu poate ajunge la 1800Mhz pentru modelul Okumura-Hata, o valoare foarte comună pentru tehnologia 4G. De asemenea, în cazul modelului Okumura-Hata se presupune că nu există obstacole importante între stația de bază și cea mobilă[6].

5.3 Modelul Cost 231-Hata

Acest model reușeste extinderea benzii de frecvență până la intervalul 1500-2000MHz. Înălțimea antenelor de recepție este de maxim 10m, iar ale celor de emisie între 30-200m. Acest model este utilizat pentru a face predicția pierderilor de propagare pentru sistemele de comunicații mobile în zonele urbane. Modelul COST-231 Hata conține factori de corecție pentru zonele urbane, suburbane și rurale.

Pierderile de propagare în cazul acestui model se determină folosind următoarea ecuație:

tttm (5.9)

unde:

f – frecvența în MHz

ht – înălțimea antenei de emisie exprimată în metri

d – distanța dintre antena de emisie și cea de recepție exprimată în km

cm – factor de corecție (cm =0dB pentru zonele rurale și suburbane, respectiv cm =3dB pentru zonele urbane )

Funcția a(hr) are următoarele valori:

r (5.10)

rr (5.11)

unde hr reprezintă înălțimea antenei de recepție.

5.4 Modelul ITU-R 525/526

Acest model reprezintă metoda propusă de ITU-R pentru determinarea pierderilor de propagare în spațiul liber. În cazul unei legături punct-la-punct, este de preferat să se calculeze pierderile de propagare în spațiul liber considerând antenele ca fiind izotrope. Aceasta poate fi exprimată prin intermediul relației următoare:

bf (5.12)

unde:

Lbf – pierderile de transmisie în spațiul liber exprimate în dB

d – distanța

– lungimea de undă

Ecuația de mai sus se poate rescrie sub următoarea formă:

bf (5.13)

Capitolul 6. Planificarea rețelei mobile 4G și studiul acoperirii sale radio

În acest capitol este prezentată realizarea rețelei, respectiv acoperirea radio pe care aceasta o oferă pe suprafața unei porțiuni a municipiului București. Pentru simulările ce vor urma se va folosi o porțiune a hărții municipiului București, prezentată în figura de mai jos:

Fig. 6.1 Harta pe care s-au efectuat simulările

În urma aflării parametrilor stațiilor de bază de la un operator, am plasat pe hartă stațiile de bază parametrizate individual. Parametrii utilizați au fost următorii:

Puterea de emisie

Azimut și tilt

Latitudine și longitudine

Frecvența de operare

Benzile pentru utilizatori

6.1 Planificarea rețelei radio, realizarea acoperirii radio și obținerea rezultatelor pentru cele trei modele de propagare

Am utilizat opt stații de bază, fiecare având 3 antene cu parametrii diferiți. Mai jos, am prezentat modul în care am introdus parametrii specifici stațiilor de bază. Pentru început am selectat meniul Patterns, unde am selectat 3D antennas. Apoi folosind Import.PLT am importat diferitele antene pe care le-am utilizat în cadrul simulării. De asemenea, tot aici am introdus azimutul respectiv tilt-ul antenei folosite.

Fig. 6.2 Importarea tipului de antenă și modificarea azimutului și tiltului

În continuare am selectat meniu General în care am introdus puterile antenelor, înălțimile, frecvența purtătoare respectiv benzile de frecvență pentru emisie/recepție. Tot aici am selectat si tipul semnalului folosit, în cazul nostru acesta fiind LTE.

Fig. 6.3 Introducerea parametrilor antenelor (puterea nominală, frecvența de operare, etc)

După introducerea parametrilor pentru toate stațiile de bază, harta obținută arată altfel:

Fig. 6.4 Harta după amplasarea stațiilor de bază

Pentru simulări am folosit modelele de propagare descrise în capitolul anterior: Okumura-Hata-Davidson, Cost 231-Hata și ITU-R 525/526. Primul model folosit în simulare a fost Okumura-Hata-Davidson, model pentru care am obținut următoarea acoperire radio:

Fig. 6.5: Simularea acoperirii radio utilizând modelul de propagare Okumura-Hata-Davidson

Următorul model pentru care am simulat acoperirea radio a fost modelul Cost 231-Hata:

Fig. 6.6: Simularea acoperirii radio utilizând modelul de propagare COST-231 Hata

Ultimul model studiat în cadrul acestui experiment este ITU 525/526. În urma simulării acestui model de propagare s-a obținut următoarea acoperire:

Fig. 6.7: Simularea acoperirii radio utilizând modelul de propagare ITU 525/526

Măsurătorile pentru cazul real au fost realizate cu ajutorul aplicației G-Mon, aceasta permițând stocarea a diferite date referitoare la poziția stațiilor mobile la fiecare secundă a măsurătorii. Aplicația stochează de asemenea nivelul semnalului recepționat, identificatorul celulei, rețeaua în care au fost realizate măsurătorile, tehnologia utilizată, raportul semnal-zgomot, data și ora efectuării măsurătorilor. Acești parametrii sunt salvați la finalul măsurătorilor într-un fișier text în memoria terminalului mobil. Parametrii care ne interesează sunt longitudinea, latitudinea și nivelul semnalului. Aceștia au fost prelucrați folosind editorul CSVed.

Fig. 6.8 Parametrii stocați de aplicația G-Mon

Pentru analizarea rezultatelor, se va determina corelația dintre nivelele semnalelor recepționate în cazul simulărilor și cele obținute în cazul practic. Este necesară suprapunerea traseului pe care s-au efectuat măsurătorile cu harta obținută din simulare. Programul compară nivelele de semnal recepționate de echipamentul mobil de-a lungul traseului cu cele obținute prin simulare în punctele acoperite pe traseu.

Obținem un rezultat sub forma unui grafic în care sunt reprezentate cele două nivelele ale semnalelor, în urma cărora vom efectua comparațiile. Pentru modelul Okumura-Hata-Davidson am obținut următoarele rezultate:

Fig. 6.9 Rezultatele obținute în cazul comparării nivelelor de semnal obținute pentru modelul Okumura-Hata-Davidson

Corelația dintre nivelele de semnal simulate si cele măsurate este de 50% pentru acest caz, iar diferența mai mică de 6 dB are o proporție de 27.21%. Valoarea erorii medii este de 1.92 dB, fapt care ne indică că acest model de propagare este mai optimist decât cazul real. Figura de mai jos prezintă prin linia neagră de pe suprafața hărții punctele în care au fost realizate măsurătorile:

Fig 6.10 Suprapunerea în harta de simulare a traseelor efectuate în cadrul măsurătorilor practice pentru modelul Okumura-Hata-Davidson

În cazul modelului Cost 231-Hata am obținut următoarele rezultate:

Fig. 6.11 Rezultatele obținute în cazul comparării nivelelor de semnal obținute pentru modelul Cost 231-Hata

Valoarea negativă a erorii medii (-8.09) ne indică faptul că acest model este mai pesimist decât modelul anterior și decât cazul real. De asemenea, am obținut un factor de corelație de 29% între nivelele semnalelor recepționate de echimpamentul mobil în cazul modelului Cost 231-Hata și cazul măsurătorilor de teren.

În ultimul caz am studiat modelul ITU 525/526, pentru care am obținut următoarele grafice:

Fig. 6.12 Rezultatele obținute în cazul comparării nivelelor de semnal obținute pentru modelul ITU 525/526

Observăm că am obținut un factor de corelație de 36% pentru acest model, diferența mai mică de 6 dB având o proporție de 26.87%. Eroarea medie de 7 dB ne arată că acest model este unul foarte optimist.

Cu ajutorul aplicației Google Earth, se poate realiza vizualizarea traseului parcurs pentru efectuarea măsurătorilor:

Fig. 6.13 Traseul efectuat pentru efectuarea măsurătorilor

Observăm apariția unor puncte de culori diferite de-a lungul traseului. Culorile acestora corespund nivelului de semnal recepționat de echipamentul mobil în acel punct. Punctele marcate cu albastru sunt corespunzătoare unui nivel de semnal mai mare sau egal de -95 dB, cele cu verde corespund nivelelor mai mari sau egale de -80 dB. Punctele galbene și roșii reprezintă locurile în care nivelel de semnal au valorile mai mari sau egale decât -76 dB, respectiv -69 dB

6.2 Compararea modelelor de propagare

Tabelul 5.1

În tabelul de mai sus am notat rezultatele obținute în urma simulărilor. Cel mai bun factor de corelație l-am obținut pentru modelul Okumura-Hata-Davidson, unde observăm că nivelul semnalului obținut în urma simulării este similar cu cel înregistrat în cazul măsurătorilor de teren în jumătate din punctele în care am efectuat măsurători. Modelul Okumura-Hata-Davidson ignoră anumiți factori precum panta terenului, orientarea străzii sau corecția pentru clădirile de pe dealuri. Principalii factori incluși în Okumura-Hata-Davidson sunt tipul zonei (urbană, suburbană) precum și corecții pentru înălțimea antenei receptorului. Din această cauză, în multe cazuri pentru acest model pierderile sunt mai mici decât cele din cazul spațiului liber.

Valoarea erorii medii ne indică care model a fost mai pesimist sau optimist din punctul de vedere al nivelului de semnal obținut. Observăm ca cel mai pesimist model este COST 231-Hata având o valoare a erorii medii de -8.09. Celelalte modele sunt mult mai optimiste, eroarea medie având valori pozitive. Cele mai bune rezultate din acest punct de vedere le-am obținut pentru modelul ITU 525/526.

În cazul deviației standard, cele mai bune rezultate sunt obținute pentru modelul COST 231-Hata.

Pe baza acestor rezultate, putem concluziona că cel mai apropiat model de realitate este modelul Okumura-Hata-Davidson. Acesta are cel mai mare factor de corelație și de asemenea cea mai mică valoare a erorii medii. Acest model este în general folosit pentru zonele urbane și suburbane, fiind cel mai indicat pentru harta folosită în simulări care se încadrează în aceste criterii.

Concluzii

LTE reprezintă în momentul de față cea mai utilizată tehnologie din cadrul comunicațiilor mobile. Capacitățile și performanțele acestui sistem au reușit să îndeplinească toate cerințele impuse de către ITU, acestea fiind chiar depășite în unele cazuri. Motivele pentru care majoritatea operatorilor de telecomunicații aleg această tehnologie sunt multiple. Față de generațiile anterior dezvoltate, LTE prezintă viteze de transmisie mult mai ridicate. Faptul că LTE a evoluat pe baza GSM și UMTS conduce la o compatibilitate foarte ridicată între echipamentele aferente acestor tehnologii. De asemenea, 4G folosește o gamă mult mai ridicată de frecvențe decât tehnologiile anterioare datorită antenelor utilizate mult mai performante. Dezvoltarea LTE a atras după sine apariția unei game de echipamente mobile foarte performante, lucru care a condus la creșterea numărului de abonați din cadrul unei rețele. Având arhitectura bazată pe IP, spre deosebire de celelalte tehnologii, LTE permite navigarea pe internet sau VoIP.

Cu toate acestea, unii clienți au reproșat faptul că folosirea tehnologiei LTE au determinat un consum mult mai ridicat al echipamentelor mobile. Acest lucru se datorează faptului că semnalul primit de echipament este de un nivel scăzut, forțând mobilul să facă eforturi mai ridicate pentru a menține un nivel stabil al semnalului recepționat.

O variantă compatibilă cu versiunea 8 a lui LTE-Advanced va fi finalizată în cadrul 3GPP Release 10. Combinarea celor două tehnologii va conduce la apariția altor cerințe de îndeplinit, specificate de IMT-Advanced. Evoluția tehnologiilor fără fir vor continua să crească, dorindu-se o economisire a energiei cât mai mare.

În ceea ce privește dezvoltările viitoare, aș dori să planific și să studiez acoperirea radio pentru alte tipuri de teren, precum niște terenuri denivelate sau pentru zone montane. De asemenea, mi-am propus realizarea unei analize pentru condiții meteorologice diferite. Aceste lucruri mă vor ajuta să găsesc diferitele influențe pe care le are tipul de teren sau precipitațiile asupra nivelului și calității semnalului recepționat de echipamentul mobil.

Bibliografie

[1] Erik Dahlam, Stefan Parkvall, Johan Skold, LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband

Editura:British Library

[2] Ian F. Akyildiz, David Guttierez Estevez, Elias Chavarria Reyes, The Evolution to 4G cellular systems

Editura:Elesevierr B.V

[3] Christopher Cox, An Introduction to LTE: LTE, LTE-Advanced, SAE and 4G Mobile Communications

[4] Harri Holma, Antti Toskala,LTE for UMTS. OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access, John Wiley and Sons, 12009

[5] Harri Holma, Antti Toskala,LTE Advanced: 3GPP Solution for IMT-Advanced

[6] http://www.wiley.com/legacy/wileychi/molisch/supp2/appendices/c07_Appendices.pdf -accesat la data de 22.04.2015

[7] http://compnetworking.about.com/od/cellularinternetaccess/g/lte-broadband.html – accesat la 6.05.2015

[8] Farooq Kahn, LTE for 4G Mobile Broadband

Editura:Cambridge University Press

[9] http://www.atdi.com/ics-telecom – accesat la data de 27.04.2015

[10] http://aenescu.com/wp-content/uploads/2012/09/Raport-stiintific.pdf -accesat la data de 24.04.2015