LTE желісінде MIMO технологиясының жалпы принциптерін қарастыру
МАЗМҰНЫ
Кіріспе
12
1
LTE Advanced (4G+) технологиясының негізгі сипаттамаларын зерттеу
15
1.1
3G4G мобильдік байланыс желілерінің дамуына салыстырмалы талдау
15
1.2
LTELTE Advanced радиожиіліктік спектрін анықтау
18
1.3
LTELTE Advanced желі архитектурасын қарастыру
19
1.4
LTE желісінде MIMO технологиясының жалпы принциптерін қарастыру
21
1.5
Қазақстанда LTE даму перспективасын талдау
27
2
Жұмыстың негізгі тұжырымы және қондырғылар мен құрылғыларды таңдау
30
2.1
LTE Advanced технологиясы негізінде желіні ұйымдастыруға қажетті қажетті нысанды сипаттау
30
2.2
LTE Advanced желісінің қажетті құрылғылары мен қондырғыларын таңдау
31
2.3
Транспорттық желінің құрылғыларын таңдау
33
2.4
Оптикалық кабель түрін таңдау
41
3
Жұмыстың есептеу бөлімі
44
3.1
Петропавл қаласының аумағында LTE-А желісі үшін қамту аймағын есептеу
44
3.2
Абоненттердің ықтимал санын есептеу. Желінің өткізу қабілетін анықтау
44
3.3
Радиоқамту аймағын талдау
48
3.4
Петропавл қаласы аумағында eNB жиіліктік-аумақтық бөлінуі және жағдайлық орналасуы
51
4
Техникалық қауіпсіздік және еңбекті қорғау
54
4.1
Қызмет көрсетушіге қойылатын талаптар
54
4.2
Найзағайдан қорғау құрылғысы
56
4.3
Еңбек жағдайларын талдау
57
4.4
Найзағайдан қорғауды есептеу және өңдеу
59
5
Экономикалық бөлімі
62
5.1
Жобаның экономикалық тиімділігін есептеу
62
Қорытынды
69
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
71
Глоссарий
73
Қосымшалар
74
КІРІСПЕ
Дипломдық жұмыстың тақырыбы Петропавл қаласында LTE-Advanced технологиясы негізінде сымсыз байланыс желісін ұйымдастыру болып табылады.
Дипломдық жұмыс тақырыбының өзектілігі. Елбасымыздың Қазақстан халқына жолдауына сәйкес елімізде Цифрлы Қазақстан атты мемлекеттік бағдарламамен жұмыс істелуде. Жолдауда Елбасы: Біз цифрлы технологияны қолдану арқылы құрылатын жаңа индустрияларды өркендетуге тиіспіз. Бұл - маңызды кешенді міндет. Елде 3D-принтинг, онлайн-сауда, мобильді банкинг, цифрлы қызмет көрсету секілді денсаулық сақтау, білім беру ісінде қолданылатын және басқа да перспективті салаларды дамыту керек. Бұл индустриялар қазірдің өзінде дамыған елдердің экономикалық құрылымын өзгертіп, дәстүрлі салаларға жаңа сапа дарытты деп нақты бағдар берді. Цифрлы Қазақстан бағдарламасын жүзеге асыруда 4 бағыт бар. Бірінші бағыт - ауыл-аймақты кең жолақты интернетпен қамтамасыз етіп, Қазақстанның транзиттік әлеуетін арттыру. Екінші бағыт - экономиканың салаларына (көлік және логистика, денсаулық сақтау, білім беру, ауыл шаруашылығы және электронды сауда) цифрлы технологияны ендіру. Үшіншісі - мемлекеттік органдар жұмысының сапасын арттыру және төртінші бағыт - IT- мамандарды даярлау. LTE-Advanced технологиясының негізінде, жоғары жылдамдықты кеңжолақты қатынас қызметін ұсынатын ұялы байланыс жүйесін ұйымдастыру болып табылады.
Қазіргі біз тұрып жатқан әлем телекоммуникацияға қатысты жалпыға ортақ мобильділік шегінде тұр. Сымсыз байланыс жүйесі облысында тұрақсыз жасаулар жүргізілуде, өндірушілер біздің өмірімізге өздігінше әр түрлі және жоғары сапалы инновацияларды инвестициялауда. Жаңа мобильді технологиялар жылдан жылға біздің өмірімізде барынша белсенді қолданылуда, ал телефонияның жаңа кезеңіндегі мәліметтерді жіберетін мобильдік қызметтер сапасы дәстүрлі желілердегімен тең баламалы қызметтер болып табылуда. Жаңа технологияларды енгізудегі қажеттілік ғаламтордың танымалдығының, интерактивті интернет сервистердің саны мен сапасының жыл сайынғы өсуімен байланысты. Бұл өз кезегінде байланыс арнасының өсуіне алып келеді.
Дипломдық жұмыстың тақырыбы бойынша қозғалатын мәселенің заманауи деңгейін бағалау. Ақпараттық құрылымның дамуы мәліметтерді жіберу көлемінің өсуіне алып келеді. Осыған байланысты қазіргі ақпараттық қоғам мен бизнес талаптарына жауап беру үшін желінің өткізгіштік қабілеттілігіне, мәліметтер жіберу технологиясына да талаптар өсуде.
Бүгінде мәліметтерді жіберу жылдамдығын мегабайт және гигабайтпен өлшеу қабылданған, алдыңғы технологиялар шектетілуде және де олардың орнына барлық құрылғыларды бірге байланыстыратын, оларды орталықтан басқаратын жаңалары келуде. Осылардың бір мысалы LTE технологиясы болып табылады.
LTE технологиясы алдына қойған тапсырмалармен жақсы жұмыс істеуде, мәліметтерді таратудың жоғары жылдамдығын қамтамасыз ете отырып, мобильді байланыс желілерінде қызметтер спектрін кеңейтіп, осы қызметтерді алуға шығындарды азайтуда. Өндірушілер жоспарында тек қана үлкен видео мен дыбыстық файлдарды алмасуды ғана қамтамасыз ету емес, сонымен қатар видео ағынында қолданушылардың қажеттілігін жүзеге асыру болып табылады. Өкінішке орай, бұл тапсырманың жүзеге асырылуы әлі толық емес.
Дипломдық жұмыстың мақсаты: Петропавл қаласында LTE-A технологиясын пайдаланып, сол аймақта орналасқан халық үшін ғаламторға жоғары сапалы сымсыз қатынас желісін қамтамасыз ету.
LTE-A технологиясы негізінде Петропавл қаласында ғаламторға сымсыз қатынас желісін жаңғырту үшін мүмкін болатын әдістемелерін зерттеу.
Дипломдық жұмысты орындау кезінде мынадай тапсырмалар қойылды:
- Кеңейтілген LTELTE-Advanced технологиясын теориялық талдау;
- Желі жобаланатын аймақты сипаттау;
- Қондырғылар мен құрылғыларға салыстырмалы талдау жасап, қажеттісін таңдау;
- Жобаланатын желінің өткізгіштік қабілеттілігін есептеу;
- Желіні орнату үшін базалық станциялардың санын (БС) анықтау;
- Тіршілік қауіпсіздік бөлімін қарастыру;
- Экономикалық тиімділігін есептеу.
Дипломдық жұмыстың практикалық маңыздылығы: жобаланатын LTE-A технологиясы негізінде сымсыз байланыс жүйесі өңірдегі ғаламтор желісін одан әрі дамытуға мүмкіндік береді.
Дипломдық жұмыстың зерттеу обьектісі - Солтүстік Қазақстан облысы, Петропавл қаласына LTE-Advanced технологиясы негізінде сымсыз байланыс қатынас желісін орнату.
LTE-A технологиясының LTE технологиясынан ерекшелігін салыстыру жағдайындағы зерттеу бағыты негізінде Соколав Н.А., Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Гельгор А.Л сынды ғалымдардың және Garsia Uzeda L.G сияқты шетелдік ғалымдардың зерттеу жұмыстары жұмыстың теориялық негізі болды.
LTE-A технологиясы негізінде сымсыз қатынас желісін орнату жұмысына қажетті құрылғылар мен қондырғыларды таңдау негіз ретінде Л.П. Клочковская, С.В. Коньшин [12] сияқты ғалымдардың зерттеу жұмыстары алынды. Бұл зерттеулерді алу себебі, LTE-A технологиясын, бірінші LTE технологиясын оқып білу арқылы түсінеміз. LTE-A технологиясы LTE желісінің жаңаланған нұсқасы болып табылады. .
Дипломдық жұмысты орындаудың практикалық базасы - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар кафедрасы, физика-техникалық факультеті, Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия Ұлттық Университеті, Нұр-сұлтан қаласы.
Дипломдық жұмыстың құрылымы: кіріспе, негізгі бөлім, қорытынды, пайдаланылған әдебиеттер тізімі мен қосымшалардан, аббревиатура тізімі мен глоссарийден тұрады. Кіріспе 3 беттен, негізгі бөлім 54 беттен, қорытынды 2 беттен тұрады, пайдаланылған әдебиеттер саны - 30, қосымшалар - 4.
Кіріспе бөлімінде дипломдық жұмыс тақырыбының өзектілігі, практикалық маңыздылығы, заманауи мәселесінің деңгейі көрсетілді. Сондай-ақ, дипломдық жұмыстың мақсаты, міндеті және объектісі сипатталды.
Негізгі бөлім 3 бөлімнен және экономикалық, тіршілік қауіпсіздік негіздері бөлімдерінен тұрады.
Бірінші бөлімде LTE-Advanced (4G+) технологиясының негізгі сипаттамаларына шолу жасалынды. LTE-A мен LTE технологияларының ерекшеліктері қарастырылды. LTE-Advanced желісінің негізіндегі MIMO технологиясының жалпы принциптеріне талдау жасалынды. Қазақстандағы LTE технологиясының даму перспективасы талданды.
Екінші бөлімінде жұмыстың негізгі тұжырымы және қондырғылар мен құрылғыларды таңдау, жобаланатын желі үшін қажетті нысанды сипаттау, DBS3900 - базалық таратқыш станциясының сипаттамаларын зерттеу жұмыстары қарастырылды.
Үшінші бөлімде жұмыстың есептеу бөлімі қарастырылды. Бұл бөлімде Петропавл қаласының аумағында LTE-А желісі үшін қамту аймағы, абоненттердің ықтимал саны мен желінің өткізу қабілеттілігі, АС-БС бағытындағы байланыс жүйесінің ара-қашықтығы, базалық станциялар саны есептелінді.
Төртінші бөлім техникалық қауіпсіздік және еңбекті қорғау бөлімі болып табылады, қызмет көрсетушіге қойылатын талаптар, найзағайдан қорғау құрылғысы және еңбек жағдайларын талдау жүйесі қарастырылды.
Бесінші бөлім жұмыстың экономикалық бөлімі, қаржы жоспары құрылып, эксплуатациялық шығындар мен жобаны шығынын өтеу уақыты есептелінді.
Дипломның қорытынды бөлімінде LTE-A технологиясына жүргізілген салыстырмалы талдаулар, есептеулер, зерттеулер нәтижесі бойынша жалпылама ұсыныстар жасалынды.
Қосымшада негізгі бөлімге енбей қалған қосымша материалдар кіреді: Қосымша А MathСad 14 Rus бағдарламасын пайдалана отырып орындалған байланыс қашықтығын есептеу терезесі, Қосымша Ә Анықтамалық құрал. Оптикалық кабельдердің негізгі сипаттамасы, Қосымша Б LTE желісін дамыту үшін бөлінген жиілік диапазоны, Қосымша В LTE Advanced желісін дамыту үшін бөлінген жиілік диапазоны.
1 LTE ADVANCED (4G+) ТЕХНОЛОГИЯСЫНЫҢ НЕГІЗГІ СИПАТТАМАЛАРЫН ЗЕРТТЕУ
1.1 3G4G мобильдік байланыс желілерінің дамуына салыстырмалы талдау
Сымсыз байланыстың қарқынды дамуы теxнологиялардың үзіліссіз ауысымымен қоса жүреді, олардың негізінде ұялы байланыстың Global System of Mobile (GSM) және Code Definition Multiplex Access (CDMA) стандарттары, оған қоса Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) 802 деректерді жіберу жүйесінің стандарты жатады (сурет 1). Тариxи тұрғыдан қарасақ, сымсыз байланыс теxнологиялары екі бір-біріне тәуелсіз бағытта дамыған - телефондық байланыс жүйелері (ұялы байланыс) және деректерді жіберу жүйелері (Wireless Fidelity (Wi-Fi), World Interoperability for Microwave Access (WiMAX).
Сурет 1 - Кеңжолақты байланыс теxнологияларының дамуының негізгі бағыттары
Бірақ, соңғы уақытта аталған екі функциялардың бірігуінің айқын үрдісі байқалады. Алайда, High Speed Packet Access (HSPA) теxнологиясын енгізумен байланысты ұялы байланыс желілерінің 3-ші буынындағы пакеттік деректерінің көлемі дауыстық трафик көлемінен асып кеткен (сурет 2). Өз кезегінде, заманауи ақпарат тарату желілері әртүрлі трафик түрлеріне белгіленген сапа деңгейін міндетті түрде қамтамасыз етеді. Жеке ақпарат ағынының басымдылығын қолдау желіліктранспорттық деңгейлерінде (Transmission Control Protocol Internet Protocol (TCPIP) деңгейінде), сондай-ақ Media Access Control (МАС) деңгейінде (IEEE 802.16 стандарттары) іске асады.
Бұл оларды қызмет көрсетудің дауыстық байланысында, мультимедиалық ақпарат жіберуде қолдануға рұқсат береді. Осыған орай, келесі желі, төртінші буын (4G) түсінігі - ақпаратты таратудың әмбебап мобильді мультимедиалық желілерін құрумен тығыз байланысты (егер синонимді болмаса).
1990-жылдың соңында GSM теxнологиясының сипаттамасын дамыту мақсатында 3GPP (3rd Generation Partnership Project) - яғни, GSM стандарттарының тобының дамуы, қолдау көрсетуіне және өңдеуіне жауапты ұйым ретінде қалыптасқан. GSM (Groupe Special Mobile тобының атауынан пайда болған, кейінірек Global System for Mobile Communications деген атауға өзгертілген) (орыс. СПС-900) - каналды жиіліктік бөлудің Time Division Multiple Access (TDMA) принципіне сәйкес және қауіпсіздіктің орташа деңгейімен, мобильді ұялы байланысы үшін глобальді цифрлық стандарт. 80-ші жылдың соңында Еуропалық электробайланысты стандарттау институтының басшылығымен өңделген.
Сол уақыттан бері GSM теxнологиясымен байланысты барлық стандарттар 3GPP-де өңделеді және қызмет көрсетіледі (кесте 1). 3GPP аты айтып тұрғандай, бірқатар серіктестерден тұрады. Бұл серіктестер бүкіл әлем бойынша орналасқан стандарттау ұйымы және 3GPP әрекеттерінің шегіне келісім беру және қызмет көрсету, ресурстарды және процедуралық сұрақтар бойынша аппеляциялық мекеменің жұмысын белгілеуге жауапты.
Бастапқыдан, GSM дауыстық жіберу ретінде сәйкес келетін, бірақ деректерді жіберуде мүлдем келмейтін арналарды коммутациялау қызметінде өңделген. General Packet Radio Service (GPRS) стандартының пайда болуымен барлығы өзгерді, енді 3GPP барлық GSM стандарттары сияқты қызмет көрсетілетін объект ретінде танылды. GPRS GSM желісі бойынша пакеттерді жіберудің әдісін ұсынды, және оны көбінесе 2,5G стандарты ретінде сипаттайды.
GSM желілерімен деректерді жіберу мүмкіндігі Enhanced Data Ratesfor GSM Evolution (EDGE) ретінде көпшілікке танылған стандартын қабылдаумен одан әрі алға басты. 2003 жылы жарияланған EDGE теxнологиясы GPRS-ке қарағанда үш есе жоғары үнемділік қамтамасыз етеді және өз алдына 3G үшін ITU сипаттамасына негізделген, 3G теxнологиясы болып табылады.
Деректерді жіберу мүмкіндігі 3GPP-дан кезекті 3G стандартының HSPA деген атауға ие шығарылымымен одан сайын жақсартылды. EDGE желілері теория жүзінде төмендемелі деректерді жіберудің (down link data rate) 1МБс-қа дейінгі жылдамдығын қамтамасыз етсе, HSPA желісі теория жүзінде төмендемелі деректерді жіберудің 14 МБс-қа дейін қамтамасыз ете алады. Сондықтан, HSPA желісі төмендемелі деректерді жіберудің жылдамдығын едәуір басымдылықпен қамтамасыз ету керек болатын; алайда практикада бұл дәлелденген жоқ. Мысал ретінде,2009 жылдың басында Vodafone компаниясы HSPA+ төмендемелі деректерді жіберудің жылдамдығын 16 МБс-ке жеткізуге уәде берген желісін сынақтан өткізді, бірақ олар тұтынушылардың көбісі 4 МБс-тан аспайтын жүктеу жылдамдығын алатынын мойындады.
HSPA+ сондай-ақ, Evolved HSPA ретінде танылған HSPA базалық стандартының кеңейтілген түрі және теориялық тұрғыдан деректерді жүктеудің мүмкін жылдамдығын 56 МБс-ке дейін қамтамасыз етеді. HSPA+ теxнологиясының толықтырылған көрінісі ретінде all-IP міндетті емес арxитектурасын алуға болады. all-IP арxитектурасы сымсыз телекоммуникация саласында негізгі инновация болып табылады,онымен қоса LTE теxнологиясы үшін ең қажетті элементі болып келеді. HSPA+, сонымен қатар, Multiple Input Multiple Output (MIMO) деген атауға ие антеналық теxнологиясын қолданады. all-IP теxнологиясы сияқты MIMO да LTE-де қолданылатын теxнология.
Сонымен, егер де GSM теxнологиясын жоғары мобильділікті дауыстық тиімді қосымшалары үшін арналған арналарды коммутациялау бар желі ретінде неден бастағанына көз жүгіртсек және қазірде EDGE, HSPA және HSPA+ технологияларының қайда орналасқанын анықтасақ, 3GPP GSM стандартын жоғары мобильділікті деректермен айырбастау (бұл деректерге дауыстың да қатысы бар) стандартына айналдыру үшін үдемелі дамытып келе жатқанына көз жеткіземіз. Деректерді айырбастау жылдамдығының қарқынды және тұрақты өсуімен қатар, 3GPP GSM-нің 3-ші буыны және 4-ші буынға ауысуы максимал мүмкіндігіне қол жеткізу міндеттерінің жүзеге асуы үшін қажетті арxитектурасындағы едәуір өзгерістермен таныстырды.
Кесте 1 - Мобильді телефония буындары
ХЭО стандарты
Технологиялар
0G
PTT MTS IMTS AMTS Mobitex AutotelPALM ARP
1G
NMT AMTS Hicap
2G
GSM iDEN D-AMPS IS-95 PDC CSD GPRS HSCSD WiDEN
2.75G
EDGEEGPRS CDMA2000 (1xRTT)
3G
UMTS (W-CDMA FOMA) CDMA2000 (1xEV-DOIS-856) TD-SCDMA WiMAX
3.5G
UMTS (HSPA HSDPA HSUPA) CDMA2000 (EV-DO Rev.A)
3.75G
UMTS (HSPA+) CDMA2000 (EV-DO Rev.B3xRTT)
4 G
WiMAX LTE
Қазіргі таңда 4G байланысы атауының басым құқығына ие болу үшін күресуде: WiMAX (IEEE 802.16e стандартында қалыптасқан) теxнологиясы және деректерді жіберудің мобильді протоколы 3GPP Long Term Evolution (LTE).
4G стандартының негізгі теxнологиясы - Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM - Ортогональді жиіліктік тығыздау).
Болашақ 4-ші буын желілері туралы көптеген түрлі ой-пікірлер бар: таңдау мобильді WiMAX және LTE арасында, дегенмен кейінгі кездері мобильді сектордың компаниялары көбінесе дәл соңғысына артықшылық береді.
LTE оған қоса сымсыз кеңжолақты қолжетімділіктің 3G-стандартын қамтиды, LTE - GSM негізінде арxитектуралардың арналарды коммутациялаудан аll-IP-ге дейінгі базасында дамыған GSM тобының соңғы стандарты. General Packet Radio Service (GPRS) стандартынан кейін, Enhanced Data Ratesfor GSM Evolution (EDGE) және High Speed Packet Access (HSPA) стандарттарын қоса алғанда, GSM стандарты бірте-бірте, бірақ ештеңеге қарамастан аll-IP арxитектурасына ауысып жатыр [8].
3GPP Long Term Evolution (LTE) - мобильді деректерді жіберу теxнологиясының атауы. 3GPP жобасы - деректерді жіберу жылдамдығының болашақ қажеттіліктерін қанағаттандыратын CDMA, UMTS теxнологияларын жетілдіру стандарты.
3GPP LTE стандартын қарастырғанда, көбінде 9-релиз және одан ертеректе пайда болған релиздерін айтуға болады, бірақ ресми түрде 4G сымсыз байланыстың стандарты емес, алайда LTE Advanced стандарты Халықаралық Электробайланыс Одағымен сымсыз байланыстың 4-ші буынының барлық талаптарына сай, және IMT-Advanced-ке қосылған сымсыз желі ретінде бекітілген. Бастапқыда 3GPP LTE 4G- сымсыз байланыстың 4-ші буынына жатпады, өйткені 4G-ге қатысты Халықаралық Электробайланыс Одағының шарттарын қанағаттандырмады, бірақ кейінірек бұл белгіні қолдану рұқсат етілді, сонымен 3GPP LTE стандарты pre-4G-ге, яғни 4-ші буын стандарттарының шамаланған нұсқасына жатқызылды. Cтандарт атауы ретінде жиі қолданылатын (IEEE 802.16m стандарты) WiMAX стандартымен бірге, LTE Advanced қазіргі уақытта IMT-Advanced-пен бекітілген барлық стандарттары болып табылады.
1.2 LTELTE Advanced радиожиіліктік спектрін анықтау
LTE стандарты үлкен икемділікке ие эфирлік интерфейсті білдіреді. Желі типі E-UTRAN деген атауға ие - Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (дамушы әмбебап жерүстілік радиоқолжетімділіктің желісі). Төменде LTE теxнологиясының негізгі параметрлері келтірілген.
1) Көпмөлшерлі қолжетімділік теxнологиясы:
- тура арна (Downlink - DL) - OFDMA;
- кері арна ( Uplink - UL) - SC-FDMA;
2) Жиіліктердің жұмыс аймағы:450 МГц; 700 МГц; 800 МГц; 1800 МГц; 2,1 ГГц; 2,4 - 2,5 ГГц; 2,6 - 2,7 ГГц.
3) Биттік жылдамдық:
- тура арна (DL) MIMO 2TXx2RX: 100 - 300 Мбитс;
- кері арна (UL) : 50-172,8 Мбитс.
4) Радиоарна жолағының ені:1,4 - 20 МГц.
5) Ұяшық радиусы: 5 - 30 км.
6) Ұяшық сыйымдылығы (қызмет көрсетілген абоненттер саны):
- 5МГц жолағында 200-ден астам тұтынушылар;
- 5 МГц-тен жоғары жолағында 400-ден астам тұтынушылар.
7) Мобильділік: қозғалу жылдамдылығы 250 кмсағ-қа дейін.
8) MIMO параметрлері:
- тура арна (DL): 2TXx2RX, 4TXx4RX;
- кері арна (UL): 2TXx2RX.
9) Кешігу мәні (latency): 5мс.
10) Спектрлік эффективтілігі: 5 битсекГц.
11) Модуляцияның қолданылатын типтері:
- тура арна (DL): 64 QAM, QPSK, 16 QAM;
- кері арна (UL): QPSK, 16 QAM
12) Арналарды дуплексті бөлу: FDD, TDD.
Кесте 2 талаптарын салыстыру көрсетілген.
Кесте 2 - IMT-Advanced, LTE Release 8 және LTE-Advanced талаптарын салыстыру кестесі
Параметрі
IMT-A талаптары
LTE талаптары
LTE-Advanced талаптары
Арна ені
Минимум 40 МГц
20 МГц-ке дейін
100 МГц-ке дейін
Шыңдық спектрлік тиімділігі:
- төмендемелі арна;
- өрлемелі арна
15 битсГерц
6,75 битсгерц
16 битсГерц
4 битсГерц
16 битсГерц
8,1 битсГерц
Кешігу:
- сигналдық деректері;
- пайдаланушы деректері
100 мс
10 мс
50 мс
4,9 мс
50 мс
4,9 мс
1.3 LTELTE Advanced желі архитектурасын қарастыру
LTE желісінің арxитектурасы, пакеттік трафиктің жіксіз мобильділікпен қолдауын қамтамасыз ететіндей және минимал кідіріспен пакеттерді жеткізу және қызмет көрсету сапасының жоғарғы көрсеткіштерімен жасалынып шығарылған. LTE стандартын жасаушылардың ең басты мақсаты - максималды мүмкін желі құрылымын ықшамдау және 3G UMTS жүйесіне тән, желілік протоколдардың қайталанатын қызметтерін алып тастау. Сурет 2 LTE желісінің жалпылама құрылымы көрсетілген.
Сурет 2 - LTE желісінің жалпылама құрылымы
Бұл кестеден желі құрылымы 2G және 3G стандарттарынан әлдеқайда өзгеше екендігін көруге болады. Елеулі өзгерістерді базалық станцияның ішкі жүйесі де, коммутацияның ішкі жүйесі де бастан өткізді. Тұтынушылардың құрылғылары мен базалық станция арасында деректерді жіберу теxнологиясы да өзгеріске ұшыраған. Сонымен қатар, деректерді жіберу протоколдары мен желілік элементтер арасында өзгерістер орын алған. Барлық ақпарат пакет түрінде жіберіледі, осыған орай тек дауыстық ақпаратты немесе тек пакеттік деректерді өңдейтін бөліктерге бөлу әдісі қолданылмайды [6].
LTE стандартының құрылымында барлық желілік өзара әрекеттесу екі түйін арасында болады: базалық станция (eNB) және GW (Gateway) желілік шлюзі бар мобильділікті басқару блогы арасында.
Физикалық деңгейде LTE желісі екі компоненттен тұрады: E-UTRAN радиоқолжетімділік желісі және SAE (System Architecture Evolution) базалық желісі.
E-UTRAN желісі eNB базалық станцияларынан тұрады. Базалық станциялар толық байланысты желінің элементтері болып келеді және өз арасында бәрі-бәрімен принципін ұстанады. Әрбір eNB-де пакеттерді коммутациялау принципі бойынша құрылған SAE базалық желісі бар S1 интерфейсі бар. LTE желісіндегі eNB-де келесі міндеттер қойылған: радиоресурстарды басқару, тұтынушылар деректерінің ағымын шифрлау, қызмет көрсетуші шлюзге бағытталған деректер пакеттерін пайдаланушы жазықтығында маршруттау, диспетчерлендіру және шақыру және хабарламалық ақпараттарды жіберу, мобильділікті басқару үшін өлшеу және есептеме жасау.
EPC (Evolved Packet Core) деп те аталатын SAE базалық желісінде MME және UPE деген логикалық элементтерден құралған MME UPE түйіні бар. MME (Mobility Management Entity) логикалық элементі абоненттік терминалдың мобильділігін басқару мәселелерін шешуге жауап береді және C-plane жазықтықты басқару протоколдары көмегімен базалық станциялармен өзара байланысады. Одан басқа, MME қоңырау хабарларын eNB-ге таратады, басқару жазықтығы протоколдарын басқарды, абоненттік терминалдарға идентификатор тағайындайды, желі қауіпсіздігін қамтамасыз етеді, хабарлардың шынайылығын тексереді және роумингті басқарады.
UPE (User Plane Entity) логикалық элементі U-plane тұтынушы жазықтығының протоколдарына сай, тұтынушылар деректерін жіберуге жауап береді. U-plane элементі келесі функцияларды атқарады: IP-протоколдарының тақырыпатын қысу, деректер ағымын, деректер пакеттерінің терминациясын шифрлау.
SAE базалық желісінің архитектурасы LTE жүйесінің дауыстық, деректерді пакеттік коммутациялау негізіндегі IP-қызмет көрсетудің барлық жинағын ұсынатын пакеттік PS-доменін қамтиды. SAE базалық желісінің негізінде барлығы IP арқылы концепциясы жатыр және оған деген қолжетімділік екінші және үшінші буын (UTRANGERAN) қолжетімділік желісі арқылы, сонымен қатар, 3GPP емес (WiMAX, Wi-Fi) және де сымды IP-технологиясын қолданушы желілер (ADSL+, FTTH) арқылы іске асырылады.
1.4 LTE-A желісінде MIMO технологиясының жалпы принциптерін қарастыру
Заманауи жоғары жылдамдықты жүйеде дискретті хабарламаларды жіберу кезінде аса маңызды мәселе болып, тұтынушыларға қызмет көрсету сапасын жоғарылату уақытында, деректерді жіберу қателік ықтималдылығын азайту есебінде ақпаратты тарату жылдамдығының жоғарылауы есептелінеді. Ақпарат санының өсуі өткізу жолағының ұлғаю мәселесін, яғни дәл сол спектр бөлігін немесе аз бөлігін қозғалта отырып, үлкен деректер санын қабылдау және жіберу қажеттілігін аса өзекті етеді.
Бұл жағдайдың қарапайым шешу жолдары - жиілік жолағының кеңеюімен және сәулелену қуатының өсуімен байланысты. Алайда, қазірде жиіліктік диапазонының аса қымбаттығы және биологиялық қорғаныс талаптарының әсерінен оған қол жеткізу қиын.
Деректерді жіберу уақытында қателіктерді айтарлықтай төмендетуге алшақтатылған қабылдау рұқсат береді, сонымен қатар ол бірнеше антеннамен жіберу есебінде мүмкін болады, бұл ретте ол антенналарда сигналдардың қатып қалу әлсіз корреляциясы байқалу керек арақашықтығын таңдайды.
Алайда заманауи жоғары жылдамдықты дискретті хабарламаларды жіберу жүйелерінде желі сыйымдылығын, спектрлік эффективтілігін және ақпаратты жіберу жылдамдығын едәуір жақсартуға көпарналы кірісі және көпарналы шығысы (Multiple Input Multiple Output, MIMO) [6,7] бар технологиясын қолданған кезде, яғни байланыс жолының екі шетіне де антенналық торларды қолданғанда қол жеткіземіз. Дегенмен, әр жұпқа, яғни таратушы және қабылдаушы антенналарға ақпаратты жіберуде жеке арна сәйкестендірілген.
Деректерді жіберудің арналық жылдамдығы қолданылатын антенналар санына пропорционалды түрде өседі деп сенімді түрде айтса болады. Көбінесе қабылдаушы және таратушы жақтарында антенналардың бірдей саны орналасқан, ол деректерді жіберудің жоғары жылдамдығына қол жеткізуге мүмкіндік береді. Таратушыда ағындарды бөлгіш орнатылады. Ол жіберу үшін деректерді антенналар санына сәйкес бірнеше төменгі жылдамдықты ішкі ағындарға бөледі. Сосын қабылдаушы жақта әрбір қабылдаушы әрбір таратушы антеннадан сигнал қабылдайды. Кеңістіктік бөлу сигналдардың әлсіз корреляциясын қамтамасыз етеді. Және де қабылдағышта сигналды сәйкестендіру үшін, түрлі поляризациямен әрбір антеннадан сигналды жіберуге болады. Ең бастысы, жіберілген әрбір сигнал өз жіберу ортасымен белгіленген болып табылады (арнааралық және символаралық интерференциямен, өшумен, уақытта кідірумен, басқа да қателермен).
Қабылдаушы жақта қандай да бір кеңістіктік бөлумен бірнеше антенна орнатылады. Қабылданған деректердің ағыны қабылдаушыға келіп түседі, олардың саны антенналар мен байланыс арналарының санына сәйкес келеді. Әрбір қабылдаушы құрылғыға барлық антенна жүйелерінен ақпараттық ағын келіп түсетіндіктен, әр қабылдаушы сумматормен жабдықталған. Оның көмегімен ортақ ағыннан, ол үшін жауап беретін ішкі арна сигналының энергиясы бөліне алады. Аталған бөлу алдын-ала анықталған айқын белгі арқылы жүзеге асады. Таралу ортасы ,сонымен қатар, пайдалы сигналдарды қателер анализінің көмегімен, деректердің бөлінуіне алып келетін кідірумен, өшігумен, немесе фазалардың жылжуымен маркалайды [5].
Қателік ықтималдылығы бұндай жүйелерде төмендейді, себебі қабылдағышта да таратқышта да біріккен бөлуге алып келеді. Сигналдарды адаптивті кеңістіктік өңдеу [8-11] бірнеше ақпараттық параллельді ішкі ағынын [2,5, 12-14] қалыптастыруға көмектесетін, ақпараттың (кеңістікті кодтау) жіберу жылдамдығын біршама өсіруге мүмкіндік береді. Егер деректер ағынының санын ұлғайтсақ, жіберу жылдамдығы артады, бірақ белгіленген сәулелену қуатында биттік қателік ықтималдылығы да арта бастайды. Қателік ықтималдылығын және жіберу жылдамдығын оңтайландыру мәселесі туындайды. Екі параметрлер арасында компромисс іздеуге тура келеді.
Әрбір екі жұп арасында, қабылдаушы және таратушы жақтарында сигналдарды оптималды кеңістіктік өңдеуді қамтамасыз ету үшін, көпарналы импульсті сипаттамасына (КИС) баға беру қажет. Бұл мәселені шешу мақсатында, псевдошумдық оқыту тізбегін қолданады. Сонымен қатар, КИС бағасын беру үшін сапалы бағалауды қамтамасыз ететін квазиортогональды оқыту векторы қолданылады.
Қазіргі таңда, түрлі стандарттау комитеттері MIMO технологиясын қолдайды немесе оны қабылдау туралы ойлануда. Алайда тартымдылығына қарамастан, бұл технология біршама қиындау. Жоғарыда аталып өткендей, сымсыз байланыс жүйесінің сипаттамасын анықтауда радиоарна негізгі себептің бірі болатын. Қиындықтар радиоарнамен және оның ішіндегі корреляция эффекттерімен байланысты, мысалы, тарату трактісіндегі шығындармен және көпсәулелі тарату кезіндегі қатып қалулармен. Бір жиілікті-уақыттық кеңістікте көпағынды жіберуді қамтамасыз ету үшін, әр байланыс арнасында ішкі радиоарналардың елеулі айырмашылықтарына кепілдік беру қажет. MIMO жүйесінің сипаттамаларын оңтайландыру мезетінде ішкі арналар арасындағы корреляция эффекттерін жақсы түсіну қажет. Сондықтан, MIMO сипаттамаларын оңтайландыру кезінде арналар арасында корреляция эффектін жақсы білу керек.
Егер таралу ортасы көп сәулелі таралудың сөзсіз әсеріне ие болса, онда MIMO жүйелерінің сымсыз байланыс жүйелерінің ортасында айқын басымдылығы болады. Таратушы жақ (Tx) және қабылдаушы жақ (Rx) сияқты жүйелерде сигнал таралуының бірнеше тәуелсіз жолдарын қалыптастыру үшін, кейін қабылдағышта қалпына келтіруге болатын бірнеше қабылдау-тарату трактісі қолданылады. Multiple Input Multiple Output (MIMO) атауында Input (кіріс) және Output (шығыс) сөздері антенналар арасындағы радиоарналарға жатады. Сигналды бір уақытта бірден бірнеше таратушы антенналармен радиоарнаға жіберу және осы сигналдардың комбинациясын бір мезгілде қабылдау - сипаттамаларын жақсартуға көмектеседі.Сымсыз байланыс жүйесінің бірнеше базалық конфигурациялары бар: Single Input Single Output (SISO) (бір кірісі, бір шығысы бар), Multiple Input Single Output (MISO) - (бірнеше кірісі, бір шығысы бар), Single Input Multiple Output (SIMO) - (бір кірісі, бірнеше шығысы бар) және MIMO (бірнеше кірісі, бірнеше шығысы бар) [15]. Екі антенналар арасында стрелкамен көпсәулелі сигналдарының таралуының жақсы жолдары көрсетілген, ол 1.3 суретінде бейнеленген. Сонымен қатар, тура көріну сызықтары Line of Sight (LOS) [1, 16, 17] нұсқасы да мүмкін. Бірақ, бұл жолдарда қоршаған объектілердегі дифракция, шашырау, шағылысу нәтижесінде пайда болатын көпсәулелі сигналдар трассалары осы жолға қосылған. Егер MIMO жүйесін конфигурациясымен қарастырсақ, онда әрбір таратушы антенна екі ерекшеленген арнаға ие болса, әрбір қабылдаушы антенна екі біріктірілген қабылдау арнасына ие болады. Бүгінде 2х2, 64х64 конфигурациясымен жүйелер жасалынуда. Оған қоса, қабылдағыш және таратқыш антенналардың бірдей емес санын қолдану нұсқасы да қолданылады.
MIMO жүйесінің негізгі екі артықшылықтары: сигналдың қатып қалу эффектісімен күресуге мүмкіндік береді немесе өткізу жолағын ұлғайтуда қолданылады. Көп антенналы жүйелердің келесі түрлері бар: кеңістіктік бөлу және кеңістіктік мультиплексерлеу мен бағытталу диаграммасын қалыптастыру. Одан әрі осы үш түрін қарастырайық.
Бірінші әдіс - кеңістіктік бөлу. Бұл тәсіл деректерді қайта жіберуді азайту көмегімен қуат бойынша эффективтілікті арттыруға рұқсат береді.Бұл кеңістіктік-уақытша блокты кодтау (Space Time Block Codes, STBC) [15], кідірісті тарату және кеңістіктік-уақытша торлы кодтау (Space Time Trellis Codes, STTC) қолдану арқылы жүзеге асады. Таралу жолының ұзындығына және уақытына байланысты, сигнал қуаты көпсәулелі қасиеттері бар ортада, яғни радиоарнада өте жылдам өзгереді. Қабылдағыш жағында көпсәулелік қатып қалулар басталады, яғни сигнал қуаты қатты әлсірейді. Таратылған қабылдау бұл мәселені шеше алады, өйткені бір сигналдың көшірмелері қатып қалулары әркелкі түрлі арналардан өтеді де, сосын қайтадан бірігеді.
Сурет 3 - Сымсыз байланыс жүйесінің конфигурациясы
SIMO типті жүйесіне мысал келтірейік. Егер таратылған қабылдауда қабылдағыш бірнеше түрлі антенналардан қабылданған сигналдарды өте жақсы деңгейде жинаса, бұл жүйені жақсартылған деп қарастыруға болады, бірақ оның кез келгенінің амплитудасы нәтижеде шыққан амплитудасымен салыстырғанда көбірек болуы керек. Тарату еселігі - қатып қалуы бар және тәуелсіз арналардың санымен анықталатын арналарға арналған түсінік. SIMO жүйесі үшін, ол қабылдағыш антенналардың санына сәйкес келеді. Таратылған қабылдау тарату-қабылдау көрсеткіштерін тек қана жақсарта алады, егер де барлық арналар тәуелсіз болған жағдайда. MISO жүйесінің жағдайында тартау еселігі қатып қалуы бар тәуелсіз тракттердегі таратушы антенналар санымен анықталады. Арнайы қалыптасқан сигналдарды таратуды пайдаланғанда - қабылдағышта арнаның қасиеттерін білмей және қажетті параметрлерді көрсетпей ұтысты алуға болады.Қазіргі уақытта кеңістіктік-уақытша кодтау (Space Time Coding, STC) көпантенналы таратуда пайдаланылатын технологиялар арасында кең таралған. Бұл жағдайда берілген сигналды дұрыс қалпына келтіру ықтималдығы артады, себебі бір деректер жіберу кезінде бір уақытта уақытша жылжуы бар барлық антенналармен жіберіледі, бұл ретте уақытша және кеңістіктік кодтау қолданылады.
Көпантенналы жүйелерді ұйымдастырудың тағы бір жолы - кеңістіктік мультиплексерлеу. Бұл жағдайда әр түрлі антенналар арқылы әр түрлі деректер беріледі, бұл ақпарат беру жылдамдығын арттырады. Осы технология SISO тарату және қабылдау үшін бір антеннасы бар, әдеттегі жүйе сияқты жиіліктер жолағы мен қуатты пайдалана отырып, жылдамдықты арттыруды қамтамасыз етеді. Теориялық тұрғыдан қарасақ, өткізу қабілеті - қолданылатын қабылдағыш және таратқыш антенналардың санына тікелей байланысты. Қабылдағыш және таратқыш антенналардың саны тең болмаған жағдайда, өткізу қабілеті осы екі санның аздығымен анықталады. Кеңістіктік мультиплексерлеу SDMA (Space Division Multiple Access) арналарын кеңістіктік бөлуі бар көп ағынды қолжетімділік технологиясында қолданылады.
Аталған технологияны мобильді абоненттердің мысалында қарастырайық. Бір деректерді жіберу арнасынан екі мобильді абонент сигналдарды жіберсін. Екі сигнал екі антеннамен жабдықталған базалық станцияға келеді, онда олар кеңістіктік мультиплексерлеу көмегімен бөлінеді. Бұл жағдайда өткізу қабілетінің өсуі мобильді абоненттердің санына немесе базалық станцияның антенналарының санына пропорционал болады, ол мәндердің қайсысы аз болады, соған байланысты. Сонымен қатар, бұл әсер провайдерге тиімді болады, себебі қызмет көрсету аймағын пайдаланушылар санын арттыра алады, нақты пайдаланушы үшін бұл технологияның артықшылығы байқалмайды. Бұл қолжетімділік технологиясы Wave2 профилінде анықталған WiMAX стандарты және Uplink Collaborative Spatial Multiplexing (UL-CSM - шығу арнасында бірлескен кеңістіктік мультиплексерлеу) атауын алды. Алайда, егер тарату ортасы көпсәулелік қасиеттерге ие болмаса, кеңістіктік мультиплексерлеу ақпарат беру жылдамдығының өсуіне әкелмейді. Төмен арнааралық корреляцияда кеңістіктік мультиплексерлеу сипаттамалары жақсарады, және берілген деректерді қалпына келтіру оңай болады. Жоғары арнааралық корреляция кері әсерлерге әкеледі.
Көпантенналы жүйелерді ұйымдастырудың үшінші әдісі - бағытталу диаграммасын қалыптастыру. Бұл жағдайда тарату жағында байланыс арнасы туралы алдын ала берілген ақпарат пайдаланылады. Әрбір трактісіне әрбір антенна арқылы амплитудасы бойынша жәненемесе фазасы бойынша комплексті коэффициентпен бірге бірдей символдар беріледі. Бұл ретте антенналық тор сигналшу арнасының белгілі бір қатынасына қарай өзгеруге тырысады. Егер бағытталу диаграммасын қалыптастыру кеңістіктік тарату немесе кеңістіктік мультиплексерлеу үшін оңтайландырылған болса, онда әрбір антенна элементі бір уақытта деректердің екі символының өлшенген комбинациясын береді. Қабылдағыш пен таратқышта болжамды және келесі түзетудің сүзгілері болады, олар қателердің алдын-ала болжау матрицасын қалыптастыру үшін қажет. Егер тарату жағында радиобайланыс арнасының қасиеттері туралы ақпарат болса, бағытталу диаграммасының мұндай матрицасын құру мүмкін. Осылайша өткізу қабілетін ұтуға болады. Әрине, бұл жағдайда арнаның сипаттамалары өзгерген кезде, қателерді алдын-ала болжау матрицасын өзгерту керек. Қабылдау жағында арна туралы деректер келіп түсуі мүмкін, содан кейін ары қарайғы түзету жұмыстары үшін таратқышқа жіберіледі [6].
MIMO технологиясы саласындағы алғашқы идеялар A.R. Kaye және D. A. George (1970), W. Van Etten (1975, 1976) жұмыстарында көрсетілді. 1984 және 1986 жылдары, Jack Winters және Jack Salz Bell Laboratories-дан [7] бағытталу диаграммасын қалыптастыру туралы бірнеше мақала жариялады және радиобайланыста MIMO-принципін пайдалануға бірінші патент алды. А. Paulraj және Т. Kailath 1993 жылы MIMO технологиясын қолдана отырып, кеңістіктік мультиплексерлеу тұжырымдамасын ұсынды (Spatial Multiplexing - SM). Ал 1994 жылы оларға № 5345599 АҚШ патенті берілді, ол сымсыз трансляциядағы кеңістіктік мультиплексерлеуді пайдалануды сипаттайды. 1996 жылы Greg Raleigh және Gerard J. Foschini MIMO технологиясына жаңа көзқарас ұсынды, яғни көптеген таратушы антенналарды бір таратқышта орналастыру идеясын, бұл жүйенің өткізу қабілетін сапалы жақсартады. Bell Labs-та 1998 жылы алғаш рет MIMO байланыс жүйесінің өнімділігін және потенциалын арттыру үшін негізгі болжамды технологиясы болып табылатын кеңістіктік мультиплексерлеудің лабораториялық макеті ұсынылды [2].
Өнеркәсіпте, Iospan Wireless Inc. Компаниясы 2001 жылы MIMO- OFDMA технологиясын пайдалана отырып, алғашқы коммерциялық жүйені әзірледі.
Iospan компаниясының технологиясы кодтау мен кеңістіктік мультиплексерлеуді біріктіреді.
2003 жылы Airgo компаниясы әлемдегі алғашқы MIMO-OFDM микросхемаларын жеткізуді бастады. 2005 жылы Airgo Networks компаниясы MIMO технологиясы саласындағы әзірлемелері 802.11 n стандартының бірінші нұсқасын жариялауға мүмкіндік берді. Осыдан кейін 2006 жылы бірнеше компания (Broadcom, Intel) IEEE 802.11n Wi-Fi болжамды стандартында жұмыс істеу үшін MIMO-OFDM жабдығы бар нарыққа шықты. Сондай-ақ 2006 жылы бірнеше компания (Beceem Communications, Samsung, Runcom Technologies және тағы да басқа) IEEE 802.16e WiMAX кең жолақты мобильді стандарты үшін MIMO-OFDMA кейбір шешімдерін әзірледі. MIMO технологиясы барлық 4G-жүйелер үшін қолданылады.
MIMO технологиясын пайдаланатын Wi-Fi 802.11n стандарты кең таралған. Осы стандарт бойынша деректерді жіберу жылдамдығын 300 Мбитсекундқа дейін алуға болады. Айта кету керек, 802.11g бұрынғы стандарты 50 Мбитсек дейінгі жылдамдықты қамтамасыз етті. Сондай-ақ, 802.11n стандартында MIMO технологиясын пайдалану тарату жылдамдығын ұлғайтып қана қоймай, сигнал деңгейі жоғары емес жерлерде қызмет көрсету сапасын жақсартуға мүмкіндік берді. Ең көп таралған қолдану - 802.11n-LAN (Local Area Network) жергілікті есептеу желісін құру кезінде нүктекөп нүкте (PointMultipoint) типті Wi-Fi жүйелері. Бірақ мұндай шешімдер жоғары жылдамдықты магистралды байланыс арналарын ұйымдастыру үшін (жылдамдығы бірнеше жүздеген Мбитсек) және деректерді ондаған километрге (50 км дейін) жіберуге мүмкіндік беретін нүктенүкте түрін қосу үшін де қолданылады.
MIMO технологиясы сондай-ақ, бірнеше нұсқасы бар WiMAX стандарттарында қолданылады. Релиздердің бірі 802.16e. Онда базалық станциядан абоненттік құрылғыға қарай 40 Мбитсек дейінгі жылдамдықпен деректерді жіберуге мүмкіндік беретін мобильді кеңжолақты қолжетімділік қызметтерімен қамтамасыз ету тәсілі сипатталады. Сонымен бірге, 802.16 e үшін MIMO технологиясы негізгі болып табылмайды, бірақ 2х2 конфигурациясымен қосымша ретінде ғана қолданылады. MIMO технологиясы 802.16m стандартының келесі нұсқасының ажырамас бөлігі болып табылады, онда конфигурациясы 4х4 болуы мүмкін. Сонымен қатар, WiMAX төртінші буынның ұялы байланыс жүйесінің бір түрі ретінде әрекет етеді, өйткені өзіне тән қасиеттер тізімі бар: хэндовер, роуминг, дауыстық қосылу.
Егер WiMAX құрылғыны мобильді түрде қолданса, деректерді беру жылдамдығы 100 Мбитсек дейін болуы мүмкін, ал стационарлық жағдайда жылдамдық 1 Гбитсек шамасында болуы мүмкін.
Алайда, MIMO технологиясын ең ерекше қолдану үшінші буыннан бастап ұялы байланыс жүйесінде тапты. Мысалы, UMTS стандарты, Rel.6-де ол HSPA технологиясымен (сымсыз кеңжолақты радиобайланыс технологиясы, деректерді пакеттік таратуды пайдаланатын және WCDMAUMTS ұтқыр желілеріне қондырма болып табылатын) 20 Мбитсек дейінгі жылдамдықты қолдайтын, ал Re7-де HSPA+ - мен деректерді жіберу жылдамдығы 40 Мбитсек жетеді. Бұл ретте 3G MIMO жүйелерінде кең қолданыс таппады.
4G LTE төртінші буындағы сымсыз жоғары жылдамдықты деректер беру стандартында 8х8 дейінгі конфигурацияда MIMO жүйелерін пайдалану қарастырылған, бұл теориялық тұрғыдан базалық станциядан 300 Мбитс жоғары жылдамдықпен абонентке ақпарат жіберуге мүмкіндік береді.
Айта кету керек, байланыс тұрақтылығы сота ішіндегі абоненттің жағдайынан тәуелсіз жоғарылайды. Жылдамдықты азайту - ақпаратты таратуда тек экстремалды жағдайларда ғана мүмкін, мысалы, абоненттің базалық станциясынан едәуір алшақ болған кезде немесе жабық экрандалған бөлмеде болған кезде.
MIMO технологиясы барлық сымсыз деректер жіберу жүйелерінде кең тәжірибелік қолдануды табады. Алайда оны пайдалану мүмкіндігі толық зерттелмеген. Қазіргі таңда MIMO 64х64-ке дейін жүйенің жаңа конфигурацияларын әзірлеу жүріп жатыр. Осының барлығы ақпаратты тарату жылдамдығын, желі сыйымдылығын және спектрлік тиімділікті арттыруға әкеледі.
1.5 Қазақстанда LTE даму перспективасын талдау
Жақында ғана, 2013 жылы әлемнің сексен екі елінде екі жүз он бес LTE коммерциялық желісі болды, 2017 жылы [23] жылы бұл көрсеткіш екі есе жоғарылап, әлемнің жүз жиырма елінде болды. 2013 жылы төрт жылдан кейін абоненттер саны жүз миллионнан тоғыз жүз миллионға дейін өседі деген болжам жасалды, және болжамдар іс жүзінде 2018 жылы жүзеге асырылды деп айтуға болады.
Әлемдегі ең ірі LTE Verizon Wireless операторы 2013 жылы екінші ауысымның соңына қарай АҚШ-та 4G-қосылумен отыз бес миллионға жуық адамға қызмет көрсете алды, осы арқылы оларға жиырма миллион LTE-қосылыстарға қызмет көрсететін Жапонияның NTT DoCoMo операторы кіретін абоненттік база бойынша көшбасшылардың үштігін тұйықтауға мүмкіндік берді. Сондай-ақ, он бір миллион LTE абоненттері бар Оңтүстік Кореяның SK Telecom операторы бар. Ұялы байланыстың жаңа технологиясына біркелкі көшу импульстерінің бірі, оның арқасында қолда бар ресурстарды ақылға қонымды қолдануға болатын Self-Operation Network (SON) тұжырымдамасын пайдалану болып саналады.
LTE желілері алдыңғы буын желілерінде өте көп еңбекті қажет ететін немесе тіпті іс жүзінде іске асырылмайтын перспективалық қосымшаларды дамытуға мүмкіндік береді.
Қазақстанда LTE-ді іске қосу перспективасы өте көп және олардың барлығы шынайы. LTE технологияларында байланыс операторларына қолжетімді төмен жиіліктерді пайдалануға болады, және шын мәнінде бұл барлық үкіметтік келісулер мен әр түрлі рұқсаттарды алуда барлық технологияның дамуына әсер етпейтініне сенім туғызады. Осы диапазонның басты беретін оң сапасы - төмен жиіліктерде неғұрлым кең жабынды қамтамасыз ету және сол арқылы тұрғын үй-жайлардың ішінде тұрақты байланыс беру мүмкіндігі, бұл біздің еліміздің географиялық жағдайында өте өзекті болып табылады.
Қазақстанда LTE желілерінің мүмкіндіктері алғаш рет 2010 жылы сынақтан өтті [26]. LTE желілерін тестілеумен айналысқандардың бірі - 2010 жылы Beeline болды. Тестілеу нәтижелерін алғаннан кейін компания пайдаланушы бағытында 60 Мбитсек дейінгі жылдамдықпен және 15 Мбитсек жылдамдықпен пайдаланушыдан деректерді жіберуді ұйымдастырды.
Оң ұсыныстар алғаннан кейін, Kcell компаниясы осы жылы мемлекет астанасында LTE желісін сынауды шешті. Дегенмен, сегіз жылдан кейін жоғарыда аталған операторлар коммерциялық іске қосу үшін LTE жиіліктеріне лицензия ала алмады.
Қазіргі уақытта тек Қазақтелеком АҚ бүкіл ел аумағында LTE пилоттық жобасын ұйымдастыру үшін қысқа мерзімді рұқсатқа ие.
Соңғы бірнеше жылда LTE ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Кіріспе
12
1
LTE Advanced (4G+) технологиясының негізгі сипаттамаларын зерттеу
15
1.1
3G4G мобильдік байланыс желілерінің дамуына салыстырмалы талдау
15
1.2
LTELTE Advanced радиожиіліктік спектрін анықтау
18
1.3
LTELTE Advanced желі архитектурасын қарастыру
19
1.4
LTE желісінде MIMO технологиясының жалпы принциптерін қарастыру
21
1.5
Қазақстанда LTE даму перспективасын талдау
27
2
Жұмыстың негізгі тұжырымы және қондырғылар мен құрылғыларды таңдау
30
2.1
LTE Advanced технологиясы негізінде желіні ұйымдастыруға қажетті қажетті нысанды сипаттау
30
2.2
LTE Advanced желісінің қажетті құрылғылары мен қондырғыларын таңдау
31
2.3
Транспорттық желінің құрылғыларын таңдау
33
2.4
Оптикалық кабель түрін таңдау
41
3
Жұмыстың есептеу бөлімі
44
3.1
Петропавл қаласының аумағында LTE-А желісі үшін қамту аймағын есептеу
44
3.2
Абоненттердің ықтимал санын есептеу. Желінің өткізу қабілетін анықтау
44
3.3
Радиоқамту аймағын талдау
48
3.4
Петропавл қаласы аумағында eNB жиіліктік-аумақтық бөлінуі және жағдайлық орналасуы
51
4
Техникалық қауіпсіздік және еңбекті қорғау
54
4.1
Қызмет көрсетушіге қойылатын талаптар
54
4.2
Найзағайдан қорғау құрылғысы
56
4.3
Еңбек жағдайларын талдау
57
4.4
Найзағайдан қорғауды есептеу және өңдеу
59
5
Экономикалық бөлімі
62
5.1
Жобаның экономикалық тиімділігін есептеу
62
Қорытынды
69
Пайдаланылған әдебиеттер тізімі
71
Глоссарий
73
Қосымшалар
74
КІРІСПЕ
Дипломдық жұмыстың тақырыбы Петропавл қаласында LTE-Advanced технологиясы негізінде сымсыз байланыс желісін ұйымдастыру болып табылады.
Дипломдық жұмыс тақырыбының өзектілігі. Елбасымыздың Қазақстан халқына жолдауына сәйкес елімізде Цифрлы Қазақстан атты мемлекеттік бағдарламамен жұмыс істелуде. Жолдауда Елбасы: Біз цифрлы технологияны қолдану арқылы құрылатын жаңа индустрияларды өркендетуге тиіспіз. Бұл - маңызды кешенді міндет. Елде 3D-принтинг, онлайн-сауда, мобильді банкинг, цифрлы қызмет көрсету секілді денсаулық сақтау, білім беру ісінде қолданылатын және басқа да перспективті салаларды дамыту керек. Бұл индустриялар қазірдің өзінде дамыған елдердің экономикалық құрылымын өзгертіп, дәстүрлі салаларға жаңа сапа дарытты деп нақты бағдар берді. Цифрлы Қазақстан бағдарламасын жүзеге асыруда 4 бағыт бар. Бірінші бағыт - ауыл-аймақты кең жолақты интернетпен қамтамасыз етіп, Қазақстанның транзиттік әлеуетін арттыру. Екінші бағыт - экономиканың салаларына (көлік және логистика, денсаулық сақтау, білім беру, ауыл шаруашылығы және электронды сауда) цифрлы технологияны ендіру. Үшіншісі - мемлекеттік органдар жұмысының сапасын арттыру және төртінші бағыт - IT- мамандарды даярлау. LTE-Advanced технологиясының негізінде, жоғары жылдамдықты кеңжолақты қатынас қызметін ұсынатын ұялы байланыс жүйесін ұйымдастыру болып табылады.
Қазіргі біз тұрып жатқан әлем телекоммуникацияға қатысты жалпыға ортақ мобильділік шегінде тұр. Сымсыз байланыс жүйесі облысында тұрақсыз жасаулар жүргізілуде, өндірушілер біздің өмірімізге өздігінше әр түрлі және жоғары сапалы инновацияларды инвестициялауда. Жаңа мобильді технологиялар жылдан жылға біздің өмірімізде барынша белсенді қолданылуда, ал телефонияның жаңа кезеңіндегі мәліметтерді жіберетін мобильдік қызметтер сапасы дәстүрлі желілердегімен тең баламалы қызметтер болып табылуда. Жаңа технологияларды енгізудегі қажеттілік ғаламтордың танымалдығының, интерактивті интернет сервистердің саны мен сапасының жыл сайынғы өсуімен байланысты. Бұл өз кезегінде байланыс арнасының өсуіне алып келеді.
Дипломдық жұмыстың тақырыбы бойынша қозғалатын мәселенің заманауи деңгейін бағалау. Ақпараттық құрылымның дамуы мәліметтерді жіберу көлемінің өсуіне алып келеді. Осыған байланысты қазіргі ақпараттық қоғам мен бизнес талаптарына жауап беру үшін желінің өткізгіштік қабілеттілігіне, мәліметтер жіберу технологиясына да талаптар өсуде.
Бүгінде мәліметтерді жіберу жылдамдығын мегабайт және гигабайтпен өлшеу қабылданған, алдыңғы технологиялар шектетілуде және де олардың орнына барлық құрылғыларды бірге байланыстыратын, оларды орталықтан басқаратын жаңалары келуде. Осылардың бір мысалы LTE технологиясы болып табылады.
LTE технологиясы алдына қойған тапсырмалармен жақсы жұмыс істеуде, мәліметтерді таратудың жоғары жылдамдығын қамтамасыз ете отырып, мобильді байланыс желілерінде қызметтер спектрін кеңейтіп, осы қызметтерді алуға шығындарды азайтуда. Өндірушілер жоспарында тек қана үлкен видео мен дыбыстық файлдарды алмасуды ғана қамтамасыз ету емес, сонымен қатар видео ағынында қолданушылардың қажеттілігін жүзеге асыру болып табылады. Өкінішке орай, бұл тапсырманың жүзеге асырылуы әлі толық емес.
Дипломдық жұмыстың мақсаты: Петропавл қаласында LTE-A технологиясын пайдаланып, сол аймақта орналасқан халық үшін ғаламторға жоғары сапалы сымсыз қатынас желісін қамтамасыз ету.
LTE-A технологиясы негізінде Петропавл қаласында ғаламторға сымсыз қатынас желісін жаңғырту үшін мүмкін болатын әдістемелерін зерттеу.
Дипломдық жұмысты орындау кезінде мынадай тапсырмалар қойылды:
- Кеңейтілген LTELTE-Advanced технологиясын теориялық талдау;
- Желі жобаланатын аймақты сипаттау;
- Қондырғылар мен құрылғыларға салыстырмалы талдау жасап, қажеттісін таңдау;
- Жобаланатын желінің өткізгіштік қабілеттілігін есептеу;
- Желіні орнату үшін базалық станциялардың санын (БС) анықтау;
- Тіршілік қауіпсіздік бөлімін қарастыру;
- Экономикалық тиімділігін есептеу.
Дипломдық жұмыстың практикалық маңыздылығы: жобаланатын LTE-A технологиясы негізінде сымсыз байланыс жүйесі өңірдегі ғаламтор желісін одан әрі дамытуға мүмкіндік береді.
Дипломдық жұмыстың зерттеу обьектісі - Солтүстік Қазақстан облысы, Петропавл қаласына LTE-Advanced технологиясы негізінде сымсыз байланыс қатынас желісін орнату.
LTE-A технологиясының LTE технологиясынан ерекшелігін салыстыру жағдайындағы зерттеу бағыты негізінде Соколав Н.А., Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Гельгор А.Л сынды ғалымдардың және Garsia Uzeda L.G сияқты шетелдік ғалымдардың зерттеу жұмыстары жұмыстың теориялық негізі болды.
LTE-A технологиясы негізінде сымсыз қатынас желісін орнату жұмысына қажетті құрылғылар мен қондырғыларды таңдау негіз ретінде Л.П. Клочковская, С.В. Коньшин [12] сияқты ғалымдардың зерттеу жұмыстары алынды. Бұл зерттеулерді алу себебі, LTE-A технологиясын, бірінші LTE технологиясын оқып білу арқылы түсінеміз. LTE-A технологиясы LTE желісінің жаңаланған нұсқасы болып табылады. .
Дипломдық жұмысты орындаудың практикалық базасы - Радиотехника, электроника және телекоммуникациялар кафедрасы, физика-техникалық факультеті, Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия Ұлттық Университеті, Нұр-сұлтан қаласы.
Дипломдық жұмыстың құрылымы: кіріспе, негізгі бөлім, қорытынды, пайдаланылған әдебиеттер тізімі мен қосымшалардан, аббревиатура тізімі мен глоссарийден тұрады. Кіріспе 3 беттен, негізгі бөлім 54 беттен, қорытынды 2 беттен тұрады, пайдаланылған әдебиеттер саны - 30, қосымшалар - 4.
Кіріспе бөлімінде дипломдық жұмыс тақырыбының өзектілігі, практикалық маңыздылығы, заманауи мәселесінің деңгейі көрсетілді. Сондай-ақ, дипломдық жұмыстың мақсаты, міндеті және объектісі сипатталды.
Негізгі бөлім 3 бөлімнен және экономикалық, тіршілік қауіпсіздік негіздері бөлімдерінен тұрады.
Бірінші бөлімде LTE-Advanced (4G+) технологиясының негізгі сипаттамаларына шолу жасалынды. LTE-A мен LTE технологияларының ерекшеліктері қарастырылды. LTE-Advanced желісінің негізіндегі MIMO технологиясының жалпы принциптеріне талдау жасалынды. Қазақстандағы LTE технологиясының даму перспективасы талданды.
Екінші бөлімінде жұмыстың негізгі тұжырымы және қондырғылар мен құрылғыларды таңдау, жобаланатын желі үшін қажетті нысанды сипаттау, DBS3900 - базалық таратқыш станциясының сипаттамаларын зерттеу жұмыстары қарастырылды.
Үшінші бөлімде жұмыстың есептеу бөлімі қарастырылды. Бұл бөлімде Петропавл қаласының аумағында LTE-А желісі үшін қамту аймағы, абоненттердің ықтимал саны мен желінің өткізу қабілеттілігі, АС-БС бағытындағы байланыс жүйесінің ара-қашықтығы, базалық станциялар саны есептелінді.
Төртінші бөлім техникалық қауіпсіздік және еңбекті қорғау бөлімі болып табылады, қызмет көрсетушіге қойылатын талаптар, найзағайдан қорғау құрылғысы және еңбек жағдайларын талдау жүйесі қарастырылды.
Бесінші бөлім жұмыстың экономикалық бөлімі, қаржы жоспары құрылып, эксплуатациялық шығындар мен жобаны шығынын өтеу уақыты есептелінді.
Дипломның қорытынды бөлімінде LTE-A технологиясына жүргізілген салыстырмалы талдаулар, есептеулер, зерттеулер нәтижесі бойынша жалпылама ұсыныстар жасалынды.
Қосымшада негізгі бөлімге енбей қалған қосымша материалдар кіреді: Қосымша А MathСad 14 Rus бағдарламасын пайдалана отырып орындалған байланыс қашықтығын есептеу терезесі, Қосымша Ә Анықтамалық құрал. Оптикалық кабельдердің негізгі сипаттамасы, Қосымша Б LTE желісін дамыту үшін бөлінген жиілік диапазоны, Қосымша В LTE Advanced желісін дамыту үшін бөлінген жиілік диапазоны.
1 LTE ADVANCED (4G+) ТЕХНОЛОГИЯСЫНЫҢ НЕГІЗГІ СИПАТТАМАЛАРЫН ЗЕРТТЕУ
1.1 3G4G мобильдік байланыс желілерінің дамуына салыстырмалы талдау
Сымсыз байланыстың қарқынды дамуы теxнологиялардың үзіліссіз ауысымымен қоса жүреді, олардың негізінде ұялы байланыстың Global System of Mobile (GSM) және Code Definition Multiplex Access (CDMA) стандарттары, оған қоса Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) 802 деректерді жіберу жүйесінің стандарты жатады (сурет 1). Тариxи тұрғыдан қарасақ, сымсыз байланыс теxнологиялары екі бір-біріне тәуелсіз бағытта дамыған - телефондық байланыс жүйелері (ұялы байланыс) және деректерді жіберу жүйелері (Wireless Fidelity (Wi-Fi), World Interoperability for Microwave Access (WiMAX).
Сурет 1 - Кеңжолақты байланыс теxнологияларының дамуының негізгі бағыттары
Бірақ, соңғы уақытта аталған екі функциялардың бірігуінің айқын үрдісі байқалады. Алайда, High Speed Packet Access (HSPA) теxнологиясын енгізумен байланысты ұялы байланыс желілерінің 3-ші буынындағы пакеттік деректерінің көлемі дауыстық трафик көлемінен асып кеткен (сурет 2). Өз кезегінде, заманауи ақпарат тарату желілері әртүрлі трафик түрлеріне белгіленген сапа деңгейін міндетті түрде қамтамасыз етеді. Жеке ақпарат ағынының басымдылығын қолдау желіліктранспорттық деңгейлерінде (Transmission Control Protocol Internet Protocol (TCPIP) деңгейінде), сондай-ақ Media Access Control (МАС) деңгейінде (IEEE 802.16 стандарттары) іске асады.
Бұл оларды қызмет көрсетудің дауыстық байланысында, мультимедиалық ақпарат жіберуде қолдануға рұқсат береді. Осыған орай, келесі желі, төртінші буын (4G) түсінігі - ақпаратты таратудың әмбебап мобильді мультимедиалық желілерін құрумен тығыз байланысты (егер синонимді болмаса).
1990-жылдың соңында GSM теxнологиясының сипаттамасын дамыту мақсатында 3GPP (3rd Generation Partnership Project) - яғни, GSM стандарттарының тобының дамуы, қолдау көрсетуіне және өңдеуіне жауапты ұйым ретінде қалыптасқан. GSM (Groupe Special Mobile тобының атауынан пайда болған, кейінірек Global System for Mobile Communications деген атауға өзгертілген) (орыс. СПС-900) - каналды жиіліктік бөлудің Time Division Multiple Access (TDMA) принципіне сәйкес және қауіпсіздіктің орташа деңгейімен, мобильді ұялы байланысы үшін глобальді цифрлық стандарт. 80-ші жылдың соңында Еуропалық электробайланысты стандарттау институтының басшылығымен өңделген.
Сол уақыттан бері GSM теxнологиясымен байланысты барлық стандарттар 3GPP-де өңделеді және қызмет көрсетіледі (кесте 1). 3GPP аты айтып тұрғандай, бірқатар серіктестерден тұрады. Бұл серіктестер бүкіл әлем бойынша орналасқан стандарттау ұйымы және 3GPP әрекеттерінің шегіне келісім беру және қызмет көрсету, ресурстарды және процедуралық сұрақтар бойынша аппеляциялық мекеменің жұмысын белгілеуге жауапты.
Бастапқыдан, GSM дауыстық жіберу ретінде сәйкес келетін, бірақ деректерді жіберуде мүлдем келмейтін арналарды коммутациялау қызметінде өңделген. General Packet Radio Service (GPRS) стандартының пайда болуымен барлығы өзгерді, енді 3GPP барлық GSM стандарттары сияқты қызмет көрсетілетін объект ретінде танылды. GPRS GSM желісі бойынша пакеттерді жіберудің әдісін ұсынды, және оны көбінесе 2,5G стандарты ретінде сипаттайды.
GSM желілерімен деректерді жіберу мүмкіндігі Enhanced Data Ratesfor GSM Evolution (EDGE) ретінде көпшілікке танылған стандартын қабылдаумен одан әрі алға басты. 2003 жылы жарияланған EDGE теxнологиясы GPRS-ке қарағанда үш есе жоғары үнемділік қамтамасыз етеді және өз алдына 3G үшін ITU сипаттамасына негізделген, 3G теxнологиясы болып табылады.
Деректерді жіберу мүмкіндігі 3GPP-дан кезекті 3G стандартының HSPA деген атауға ие шығарылымымен одан сайын жақсартылды. EDGE желілері теория жүзінде төмендемелі деректерді жіберудің (down link data rate) 1МБс-қа дейінгі жылдамдығын қамтамасыз етсе, HSPA желісі теория жүзінде төмендемелі деректерді жіберудің 14 МБс-қа дейін қамтамасыз ете алады. Сондықтан, HSPA желісі төмендемелі деректерді жіберудің жылдамдығын едәуір басымдылықпен қамтамасыз ету керек болатын; алайда практикада бұл дәлелденген жоқ. Мысал ретінде,2009 жылдың басында Vodafone компаниясы HSPA+ төмендемелі деректерді жіберудің жылдамдығын 16 МБс-ке жеткізуге уәде берген желісін сынақтан өткізді, бірақ олар тұтынушылардың көбісі 4 МБс-тан аспайтын жүктеу жылдамдығын алатынын мойындады.
HSPA+ сондай-ақ, Evolved HSPA ретінде танылған HSPA базалық стандартының кеңейтілген түрі және теориялық тұрғыдан деректерді жүктеудің мүмкін жылдамдығын 56 МБс-ке дейін қамтамасыз етеді. HSPA+ теxнологиясының толықтырылған көрінісі ретінде all-IP міндетті емес арxитектурасын алуға болады. all-IP арxитектурасы сымсыз телекоммуникация саласында негізгі инновация болып табылады,онымен қоса LTE теxнологиясы үшін ең қажетті элементі болып келеді. HSPA+, сонымен қатар, Multiple Input Multiple Output (MIMO) деген атауға ие антеналық теxнологиясын қолданады. all-IP теxнологиясы сияқты MIMO да LTE-де қолданылатын теxнология.
Сонымен, егер де GSM теxнологиясын жоғары мобильділікті дауыстық тиімді қосымшалары үшін арналған арналарды коммутациялау бар желі ретінде неден бастағанына көз жүгіртсек және қазірде EDGE, HSPA және HSPA+ технологияларының қайда орналасқанын анықтасақ, 3GPP GSM стандартын жоғары мобильділікті деректермен айырбастау (бұл деректерге дауыстың да қатысы бар) стандартына айналдыру үшін үдемелі дамытып келе жатқанына көз жеткіземіз. Деректерді айырбастау жылдамдығының қарқынды және тұрақты өсуімен қатар, 3GPP GSM-нің 3-ші буыны және 4-ші буынға ауысуы максимал мүмкіндігіне қол жеткізу міндеттерінің жүзеге асуы үшін қажетті арxитектурасындағы едәуір өзгерістермен таныстырды.
Кесте 1 - Мобильді телефония буындары
ХЭО стандарты
Технологиялар
0G
PTT MTS IMTS AMTS Mobitex AutotelPALM ARP
1G
NMT AMTS Hicap
2G
GSM iDEN D-AMPS IS-95 PDC CSD GPRS HSCSD WiDEN
2.75G
EDGEEGPRS CDMA2000 (1xRTT)
3G
UMTS (W-CDMA FOMA) CDMA2000 (1xEV-DOIS-856) TD-SCDMA WiMAX
3.5G
UMTS (HSPA HSDPA HSUPA) CDMA2000 (EV-DO Rev.A)
3.75G
UMTS (HSPA+) CDMA2000 (EV-DO Rev.B3xRTT)
4 G
WiMAX LTE
Қазіргі таңда 4G байланысы атауының басым құқығына ие болу үшін күресуде: WiMAX (IEEE 802.16e стандартында қалыптасқан) теxнологиясы және деректерді жіберудің мобильді протоколы 3GPP Long Term Evolution (LTE).
4G стандартының негізгі теxнологиясы - Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM - Ортогональді жиіліктік тығыздау).
Болашақ 4-ші буын желілері туралы көптеген түрлі ой-пікірлер бар: таңдау мобильді WiMAX және LTE арасында, дегенмен кейінгі кездері мобильді сектордың компаниялары көбінесе дәл соңғысына артықшылық береді.
LTE оған қоса сымсыз кеңжолақты қолжетімділіктің 3G-стандартын қамтиды, LTE - GSM негізінде арxитектуралардың арналарды коммутациялаудан аll-IP-ге дейінгі базасында дамыған GSM тобының соңғы стандарты. General Packet Radio Service (GPRS) стандартынан кейін, Enhanced Data Ratesfor GSM Evolution (EDGE) және High Speed Packet Access (HSPA) стандарттарын қоса алғанда, GSM стандарты бірте-бірте, бірақ ештеңеге қарамастан аll-IP арxитектурасына ауысып жатыр [8].
3GPP Long Term Evolution (LTE) - мобильді деректерді жіберу теxнологиясының атауы. 3GPP жобасы - деректерді жіберу жылдамдығының болашақ қажеттіліктерін қанағаттандыратын CDMA, UMTS теxнологияларын жетілдіру стандарты.
3GPP LTE стандартын қарастырғанда, көбінде 9-релиз және одан ертеректе пайда болған релиздерін айтуға болады, бірақ ресми түрде 4G сымсыз байланыстың стандарты емес, алайда LTE Advanced стандарты Халықаралық Электробайланыс Одағымен сымсыз байланыстың 4-ші буынының барлық талаптарына сай, және IMT-Advanced-ке қосылған сымсыз желі ретінде бекітілген. Бастапқыда 3GPP LTE 4G- сымсыз байланыстың 4-ші буынына жатпады, өйткені 4G-ге қатысты Халықаралық Электробайланыс Одағының шарттарын қанағаттандырмады, бірақ кейінірек бұл белгіні қолдану рұқсат етілді, сонымен 3GPP LTE стандарты pre-4G-ге, яғни 4-ші буын стандарттарының шамаланған нұсқасына жатқызылды. Cтандарт атауы ретінде жиі қолданылатын (IEEE 802.16m стандарты) WiMAX стандартымен бірге, LTE Advanced қазіргі уақытта IMT-Advanced-пен бекітілген барлық стандарттары болып табылады.
1.2 LTELTE Advanced радиожиіліктік спектрін анықтау
LTE стандарты үлкен икемділікке ие эфирлік интерфейсті білдіреді. Желі типі E-UTRAN деген атауға ие - Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (дамушы әмбебап жерүстілік радиоқолжетімділіктің желісі). Төменде LTE теxнологиясының негізгі параметрлері келтірілген.
1) Көпмөлшерлі қолжетімділік теxнологиясы:
- тура арна (Downlink - DL) - OFDMA;
- кері арна ( Uplink - UL) - SC-FDMA;
2) Жиіліктердің жұмыс аймағы:450 МГц; 700 МГц; 800 МГц; 1800 МГц; 2,1 ГГц; 2,4 - 2,5 ГГц; 2,6 - 2,7 ГГц.
3) Биттік жылдамдық:
- тура арна (DL) MIMO 2TXx2RX: 100 - 300 Мбитс;
- кері арна (UL) : 50-172,8 Мбитс.
4) Радиоарна жолағының ені:1,4 - 20 МГц.
5) Ұяшық радиусы: 5 - 30 км.
6) Ұяшық сыйымдылығы (қызмет көрсетілген абоненттер саны):
- 5МГц жолағында 200-ден астам тұтынушылар;
- 5 МГц-тен жоғары жолағында 400-ден астам тұтынушылар.
7) Мобильділік: қозғалу жылдамдылығы 250 кмсағ-қа дейін.
8) MIMO параметрлері:
- тура арна (DL): 2TXx2RX, 4TXx4RX;
- кері арна (UL): 2TXx2RX.
9) Кешігу мәні (latency): 5мс.
10) Спектрлік эффективтілігі: 5 битсекГц.
11) Модуляцияның қолданылатын типтері:
- тура арна (DL): 64 QAM, QPSK, 16 QAM;
- кері арна (UL): QPSK, 16 QAM
12) Арналарды дуплексті бөлу: FDD, TDD.
Кесте 2 талаптарын салыстыру көрсетілген.
Кесте 2 - IMT-Advanced, LTE Release 8 және LTE-Advanced талаптарын салыстыру кестесі
Параметрі
IMT-A талаптары
LTE талаптары
LTE-Advanced талаптары
Арна ені
Минимум 40 МГц
20 МГц-ке дейін
100 МГц-ке дейін
Шыңдық спектрлік тиімділігі:
- төмендемелі арна;
- өрлемелі арна
15 битсГерц
6,75 битсгерц
16 битсГерц
4 битсГерц
16 битсГерц
8,1 битсГерц
Кешігу:
- сигналдық деректері;
- пайдаланушы деректері
100 мс
10 мс
50 мс
4,9 мс
50 мс
4,9 мс
1.3 LTELTE Advanced желі архитектурасын қарастыру
LTE желісінің арxитектурасы, пакеттік трафиктің жіксіз мобильділікпен қолдауын қамтамасыз ететіндей және минимал кідіріспен пакеттерді жеткізу және қызмет көрсету сапасының жоғарғы көрсеткіштерімен жасалынып шығарылған. LTE стандартын жасаушылардың ең басты мақсаты - максималды мүмкін желі құрылымын ықшамдау және 3G UMTS жүйесіне тән, желілік протоколдардың қайталанатын қызметтерін алып тастау. Сурет 2 LTE желісінің жалпылама құрылымы көрсетілген.
Сурет 2 - LTE желісінің жалпылама құрылымы
Бұл кестеден желі құрылымы 2G және 3G стандарттарынан әлдеқайда өзгеше екендігін көруге болады. Елеулі өзгерістерді базалық станцияның ішкі жүйесі де, коммутацияның ішкі жүйесі де бастан өткізді. Тұтынушылардың құрылғылары мен базалық станция арасында деректерді жіберу теxнологиясы да өзгеріске ұшыраған. Сонымен қатар, деректерді жіберу протоколдары мен желілік элементтер арасында өзгерістер орын алған. Барлық ақпарат пакет түрінде жіберіледі, осыған орай тек дауыстық ақпаратты немесе тек пакеттік деректерді өңдейтін бөліктерге бөлу әдісі қолданылмайды [6].
LTE стандартының құрылымында барлық желілік өзара әрекеттесу екі түйін арасында болады: базалық станция (eNB) және GW (Gateway) желілік шлюзі бар мобильділікті басқару блогы арасында.
Физикалық деңгейде LTE желісі екі компоненттен тұрады: E-UTRAN радиоқолжетімділік желісі және SAE (System Architecture Evolution) базалық желісі.
E-UTRAN желісі eNB базалық станцияларынан тұрады. Базалық станциялар толық байланысты желінің элементтері болып келеді және өз арасында бәрі-бәрімен принципін ұстанады. Әрбір eNB-де пакеттерді коммутациялау принципі бойынша құрылған SAE базалық желісі бар S1 интерфейсі бар. LTE желісіндегі eNB-де келесі міндеттер қойылған: радиоресурстарды басқару, тұтынушылар деректерінің ағымын шифрлау, қызмет көрсетуші шлюзге бағытталған деректер пакеттерін пайдаланушы жазықтығында маршруттау, диспетчерлендіру және шақыру және хабарламалық ақпараттарды жіберу, мобильділікті басқару үшін өлшеу және есептеме жасау.
EPC (Evolved Packet Core) деп те аталатын SAE базалық желісінде MME және UPE деген логикалық элементтерден құралған MME UPE түйіні бар. MME (Mobility Management Entity) логикалық элементі абоненттік терминалдың мобильділігін басқару мәселелерін шешуге жауап береді және C-plane жазықтықты басқару протоколдары көмегімен базалық станциялармен өзара байланысады. Одан басқа, MME қоңырау хабарларын eNB-ге таратады, басқару жазықтығы протоколдарын басқарды, абоненттік терминалдарға идентификатор тағайындайды, желі қауіпсіздігін қамтамасыз етеді, хабарлардың шынайылығын тексереді және роумингті басқарады.
UPE (User Plane Entity) логикалық элементі U-plane тұтынушы жазықтығының протоколдарына сай, тұтынушылар деректерін жіберуге жауап береді. U-plane элементі келесі функцияларды атқарады: IP-протоколдарының тақырыпатын қысу, деректер ағымын, деректер пакеттерінің терминациясын шифрлау.
SAE базалық желісінің архитектурасы LTE жүйесінің дауыстық, деректерді пакеттік коммутациялау негізіндегі IP-қызмет көрсетудің барлық жинағын ұсынатын пакеттік PS-доменін қамтиды. SAE базалық желісінің негізінде барлығы IP арқылы концепциясы жатыр және оған деген қолжетімділік екінші және үшінші буын (UTRANGERAN) қолжетімділік желісі арқылы, сонымен қатар, 3GPP емес (WiMAX, Wi-Fi) және де сымды IP-технологиясын қолданушы желілер (ADSL+, FTTH) арқылы іске асырылады.
1.4 LTE-A желісінде MIMO технологиясының жалпы принциптерін қарастыру
Заманауи жоғары жылдамдықты жүйеде дискретті хабарламаларды жіберу кезінде аса маңызды мәселе болып, тұтынушыларға қызмет көрсету сапасын жоғарылату уақытында, деректерді жіберу қателік ықтималдылығын азайту есебінде ақпаратты тарату жылдамдығының жоғарылауы есептелінеді. Ақпарат санының өсуі өткізу жолағының ұлғаю мәселесін, яғни дәл сол спектр бөлігін немесе аз бөлігін қозғалта отырып, үлкен деректер санын қабылдау және жіберу қажеттілігін аса өзекті етеді.
Бұл жағдайдың қарапайым шешу жолдары - жиілік жолағының кеңеюімен және сәулелену қуатының өсуімен байланысты. Алайда, қазірде жиіліктік диапазонының аса қымбаттығы және биологиялық қорғаныс талаптарының әсерінен оған қол жеткізу қиын.
Деректерді жіберу уақытында қателіктерді айтарлықтай төмендетуге алшақтатылған қабылдау рұқсат береді, сонымен қатар ол бірнеше антеннамен жіберу есебінде мүмкін болады, бұл ретте ол антенналарда сигналдардың қатып қалу әлсіз корреляциясы байқалу керек арақашықтығын таңдайды.
Алайда заманауи жоғары жылдамдықты дискретті хабарламаларды жіберу жүйелерінде желі сыйымдылығын, спектрлік эффективтілігін және ақпаратты жіберу жылдамдығын едәуір жақсартуға көпарналы кірісі және көпарналы шығысы (Multiple Input Multiple Output, MIMO) [6,7] бар технологиясын қолданған кезде, яғни байланыс жолының екі шетіне де антенналық торларды қолданғанда қол жеткіземіз. Дегенмен, әр жұпқа, яғни таратушы және қабылдаушы антенналарға ақпаратты жіберуде жеке арна сәйкестендірілген.
Деректерді жіберудің арналық жылдамдығы қолданылатын антенналар санына пропорционалды түрде өседі деп сенімді түрде айтса болады. Көбінесе қабылдаушы және таратушы жақтарында антенналардың бірдей саны орналасқан, ол деректерді жіберудің жоғары жылдамдығына қол жеткізуге мүмкіндік береді. Таратушыда ағындарды бөлгіш орнатылады. Ол жіберу үшін деректерді антенналар санына сәйкес бірнеше төменгі жылдамдықты ішкі ағындарға бөледі. Сосын қабылдаушы жақта әрбір қабылдаушы әрбір таратушы антеннадан сигнал қабылдайды. Кеңістіктік бөлу сигналдардың әлсіз корреляциясын қамтамасыз етеді. Және де қабылдағышта сигналды сәйкестендіру үшін, түрлі поляризациямен әрбір антеннадан сигналды жіберуге болады. Ең бастысы, жіберілген әрбір сигнал өз жіберу ортасымен белгіленген болып табылады (арнааралық және символаралық интерференциямен, өшумен, уақытта кідірумен, басқа да қателермен).
Қабылдаушы жақта қандай да бір кеңістіктік бөлумен бірнеше антенна орнатылады. Қабылданған деректердің ағыны қабылдаушыға келіп түседі, олардың саны антенналар мен байланыс арналарының санына сәйкес келеді. Әрбір қабылдаушы құрылғыға барлық антенна жүйелерінен ақпараттық ағын келіп түсетіндіктен, әр қабылдаушы сумматормен жабдықталған. Оның көмегімен ортақ ағыннан, ол үшін жауап беретін ішкі арна сигналының энергиясы бөліне алады. Аталған бөлу алдын-ала анықталған айқын белгі арқылы жүзеге асады. Таралу ортасы ,сонымен қатар, пайдалы сигналдарды қателер анализінің көмегімен, деректердің бөлінуіне алып келетін кідірумен, өшігумен, немесе фазалардың жылжуымен маркалайды [5].
Қателік ықтималдылығы бұндай жүйелерде төмендейді, себебі қабылдағышта да таратқышта да біріккен бөлуге алып келеді. Сигналдарды адаптивті кеңістіктік өңдеу [8-11] бірнеше ақпараттық параллельді ішкі ағынын [2,5, 12-14] қалыптастыруға көмектесетін, ақпараттың (кеңістікті кодтау) жіберу жылдамдығын біршама өсіруге мүмкіндік береді. Егер деректер ағынының санын ұлғайтсақ, жіберу жылдамдығы артады, бірақ белгіленген сәулелену қуатында биттік қателік ықтималдылығы да арта бастайды. Қателік ықтималдылығын және жіберу жылдамдығын оңтайландыру мәселесі туындайды. Екі параметрлер арасында компромисс іздеуге тура келеді.
Әрбір екі жұп арасында, қабылдаушы және таратушы жақтарында сигналдарды оптималды кеңістіктік өңдеуді қамтамасыз ету үшін, көпарналы импульсті сипаттамасына (КИС) баға беру қажет. Бұл мәселені шешу мақсатында, псевдошумдық оқыту тізбегін қолданады. Сонымен қатар, КИС бағасын беру үшін сапалы бағалауды қамтамасыз ететін квазиортогональды оқыту векторы қолданылады.
Қазіргі таңда, түрлі стандарттау комитеттері MIMO технологиясын қолдайды немесе оны қабылдау туралы ойлануда. Алайда тартымдылығына қарамастан, бұл технология біршама қиындау. Жоғарыда аталып өткендей, сымсыз байланыс жүйесінің сипаттамасын анықтауда радиоарна негізгі себептің бірі болатын. Қиындықтар радиоарнамен және оның ішіндегі корреляция эффекттерімен байланысты, мысалы, тарату трактісіндегі шығындармен және көпсәулелі тарату кезіндегі қатып қалулармен. Бір жиілікті-уақыттық кеңістікте көпағынды жіберуді қамтамасыз ету үшін, әр байланыс арнасында ішкі радиоарналардың елеулі айырмашылықтарына кепілдік беру қажет. MIMO жүйесінің сипаттамаларын оңтайландыру мезетінде ішкі арналар арасындағы корреляция эффекттерін жақсы түсіну қажет. Сондықтан, MIMO сипаттамаларын оңтайландыру кезінде арналар арасында корреляция эффектін жақсы білу керек.
Егер таралу ортасы көп сәулелі таралудың сөзсіз әсеріне ие болса, онда MIMO жүйелерінің сымсыз байланыс жүйелерінің ортасында айқын басымдылығы болады. Таратушы жақ (Tx) және қабылдаушы жақ (Rx) сияқты жүйелерде сигнал таралуының бірнеше тәуелсіз жолдарын қалыптастыру үшін, кейін қабылдағышта қалпына келтіруге болатын бірнеше қабылдау-тарату трактісі қолданылады. Multiple Input Multiple Output (MIMO) атауында Input (кіріс) және Output (шығыс) сөздері антенналар арасындағы радиоарналарға жатады. Сигналды бір уақытта бірден бірнеше таратушы антенналармен радиоарнаға жіберу және осы сигналдардың комбинациясын бір мезгілде қабылдау - сипаттамаларын жақсартуға көмектеседі.Сымсыз байланыс жүйесінің бірнеше базалық конфигурациялары бар: Single Input Single Output (SISO) (бір кірісі, бір шығысы бар), Multiple Input Single Output (MISO) - (бірнеше кірісі, бір шығысы бар), Single Input Multiple Output (SIMO) - (бір кірісі, бірнеше шығысы бар) және MIMO (бірнеше кірісі, бірнеше шығысы бар) [15]. Екі антенналар арасында стрелкамен көпсәулелі сигналдарының таралуының жақсы жолдары көрсетілген, ол 1.3 суретінде бейнеленген. Сонымен қатар, тура көріну сызықтары Line of Sight (LOS) [1, 16, 17] нұсқасы да мүмкін. Бірақ, бұл жолдарда қоршаған объектілердегі дифракция, шашырау, шағылысу нәтижесінде пайда болатын көпсәулелі сигналдар трассалары осы жолға қосылған. Егер MIMO жүйесін конфигурациясымен қарастырсақ, онда әрбір таратушы антенна екі ерекшеленген арнаға ие болса, әрбір қабылдаушы антенна екі біріктірілген қабылдау арнасына ие болады. Бүгінде 2х2, 64х64 конфигурациясымен жүйелер жасалынуда. Оған қоса, қабылдағыш және таратқыш антенналардың бірдей емес санын қолдану нұсқасы да қолданылады.
MIMO жүйесінің негізгі екі артықшылықтары: сигналдың қатып қалу эффектісімен күресуге мүмкіндік береді немесе өткізу жолағын ұлғайтуда қолданылады. Көп антенналы жүйелердің келесі түрлері бар: кеңістіктік бөлу және кеңістіктік мультиплексерлеу мен бағытталу диаграммасын қалыптастыру. Одан әрі осы үш түрін қарастырайық.
Бірінші әдіс - кеңістіктік бөлу. Бұл тәсіл деректерді қайта жіберуді азайту көмегімен қуат бойынша эффективтілікті арттыруға рұқсат береді.Бұл кеңістіктік-уақытша блокты кодтау (Space Time Block Codes, STBC) [15], кідірісті тарату және кеңістіктік-уақытша торлы кодтау (Space Time Trellis Codes, STTC) қолдану арқылы жүзеге асады. Таралу жолының ұзындығына және уақытына байланысты, сигнал қуаты көпсәулелі қасиеттері бар ортада, яғни радиоарнада өте жылдам өзгереді. Қабылдағыш жағында көпсәулелік қатып қалулар басталады, яғни сигнал қуаты қатты әлсірейді. Таратылған қабылдау бұл мәселені шеше алады, өйткені бір сигналдың көшірмелері қатып қалулары әркелкі түрлі арналардан өтеді де, сосын қайтадан бірігеді.
Сурет 3 - Сымсыз байланыс жүйесінің конфигурациясы
SIMO типті жүйесіне мысал келтірейік. Егер таратылған қабылдауда қабылдағыш бірнеше түрлі антенналардан қабылданған сигналдарды өте жақсы деңгейде жинаса, бұл жүйені жақсартылған деп қарастыруға болады, бірақ оның кез келгенінің амплитудасы нәтижеде шыққан амплитудасымен салыстырғанда көбірек болуы керек. Тарату еселігі - қатып қалуы бар және тәуелсіз арналардың санымен анықталатын арналарға арналған түсінік. SIMO жүйесі үшін, ол қабылдағыш антенналардың санына сәйкес келеді. Таратылған қабылдау тарату-қабылдау көрсеткіштерін тек қана жақсарта алады, егер де барлық арналар тәуелсіз болған жағдайда. MISO жүйесінің жағдайында тартау еселігі қатып қалуы бар тәуелсіз тракттердегі таратушы антенналар санымен анықталады. Арнайы қалыптасқан сигналдарды таратуды пайдаланғанда - қабылдағышта арнаның қасиеттерін білмей және қажетті параметрлерді көрсетпей ұтысты алуға болады.Қазіргі уақытта кеңістіктік-уақытша кодтау (Space Time Coding, STC) көпантенналы таратуда пайдаланылатын технологиялар арасында кең таралған. Бұл жағдайда берілген сигналды дұрыс қалпына келтіру ықтималдығы артады, себебі бір деректер жіберу кезінде бір уақытта уақытша жылжуы бар барлық антенналармен жіберіледі, бұл ретте уақытша және кеңістіктік кодтау қолданылады.
Көпантенналы жүйелерді ұйымдастырудың тағы бір жолы - кеңістіктік мультиплексерлеу. Бұл жағдайда әр түрлі антенналар арқылы әр түрлі деректер беріледі, бұл ақпарат беру жылдамдығын арттырады. Осы технология SISO тарату және қабылдау үшін бір антеннасы бар, әдеттегі жүйе сияқты жиіліктер жолағы мен қуатты пайдалана отырып, жылдамдықты арттыруды қамтамасыз етеді. Теориялық тұрғыдан қарасақ, өткізу қабілеті - қолданылатын қабылдағыш және таратқыш антенналардың санына тікелей байланысты. Қабылдағыш және таратқыш антенналардың саны тең болмаған жағдайда, өткізу қабілеті осы екі санның аздығымен анықталады. Кеңістіктік мультиплексерлеу SDMA (Space Division Multiple Access) арналарын кеңістіктік бөлуі бар көп ағынды қолжетімділік технологиясында қолданылады.
Аталған технологияны мобильді абоненттердің мысалында қарастырайық. Бір деректерді жіберу арнасынан екі мобильді абонент сигналдарды жіберсін. Екі сигнал екі антеннамен жабдықталған базалық станцияға келеді, онда олар кеңістіктік мультиплексерлеу көмегімен бөлінеді. Бұл жағдайда өткізу қабілетінің өсуі мобильді абоненттердің санына немесе базалық станцияның антенналарының санына пропорционал болады, ол мәндердің қайсысы аз болады, соған байланысты. Сонымен қатар, бұл әсер провайдерге тиімді болады, себебі қызмет көрсету аймағын пайдаланушылар санын арттыра алады, нақты пайдаланушы үшін бұл технологияның артықшылығы байқалмайды. Бұл қолжетімділік технологиясы Wave2 профилінде анықталған WiMAX стандарты және Uplink Collaborative Spatial Multiplexing (UL-CSM - шығу арнасында бірлескен кеңістіктік мультиплексерлеу) атауын алды. Алайда, егер тарату ортасы көпсәулелік қасиеттерге ие болмаса, кеңістіктік мультиплексерлеу ақпарат беру жылдамдығының өсуіне әкелмейді. Төмен арнааралық корреляцияда кеңістіктік мультиплексерлеу сипаттамалары жақсарады, және берілген деректерді қалпына келтіру оңай болады. Жоғары арнааралық корреляция кері әсерлерге әкеледі.
Көпантенналы жүйелерді ұйымдастырудың үшінші әдісі - бағытталу диаграммасын қалыптастыру. Бұл жағдайда тарату жағында байланыс арнасы туралы алдын ала берілген ақпарат пайдаланылады. Әрбір трактісіне әрбір антенна арқылы амплитудасы бойынша жәненемесе фазасы бойынша комплексті коэффициентпен бірге бірдей символдар беріледі. Бұл ретте антенналық тор сигналшу арнасының белгілі бір қатынасына қарай өзгеруге тырысады. Егер бағытталу диаграммасын қалыптастыру кеңістіктік тарату немесе кеңістіктік мультиплексерлеу үшін оңтайландырылған болса, онда әрбір антенна элементі бір уақытта деректердің екі символының өлшенген комбинациясын береді. Қабылдағыш пен таратқышта болжамды және келесі түзетудің сүзгілері болады, олар қателердің алдын-ала болжау матрицасын қалыптастыру үшін қажет. Егер тарату жағында радиобайланыс арнасының қасиеттері туралы ақпарат болса, бағытталу диаграммасының мұндай матрицасын құру мүмкін. Осылайша өткізу қабілетін ұтуға болады. Әрине, бұл жағдайда арнаның сипаттамалары өзгерген кезде, қателерді алдын-ала болжау матрицасын өзгерту керек. Қабылдау жағында арна туралы деректер келіп түсуі мүмкін, содан кейін ары қарайғы түзету жұмыстары үшін таратқышқа жіберіледі [6].
MIMO технологиясы саласындағы алғашқы идеялар A.R. Kaye және D. A. George (1970), W. Van Etten (1975, 1976) жұмыстарында көрсетілді. 1984 және 1986 жылдары, Jack Winters және Jack Salz Bell Laboratories-дан [7] бағытталу диаграммасын қалыптастыру туралы бірнеше мақала жариялады және радиобайланыста MIMO-принципін пайдалануға бірінші патент алды. А. Paulraj және Т. Kailath 1993 жылы MIMO технологиясын қолдана отырып, кеңістіктік мультиплексерлеу тұжырымдамасын ұсынды (Spatial Multiplexing - SM). Ал 1994 жылы оларға № 5345599 АҚШ патенті берілді, ол сымсыз трансляциядағы кеңістіктік мультиплексерлеуді пайдалануды сипаттайды. 1996 жылы Greg Raleigh және Gerard J. Foschini MIMO технологиясына жаңа көзқарас ұсынды, яғни көптеген таратушы антенналарды бір таратқышта орналастыру идеясын, бұл жүйенің өткізу қабілетін сапалы жақсартады. Bell Labs-та 1998 жылы алғаш рет MIMO байланыс жүйесінің өнімділігін және потенциалын арттыру үшін негізгі болжамды технологиясы болып табылатын кеңістіктік мультиплексерлеудің лабораториялық макеті ұсынылды [2].
Өнеркәсіпте, Iospan Wireless Inc. Компаниясы 2001 жылы MIMO- OFDMA технологиясын пайдалана отырып, алғашқы коммерциялық жүйені әзірледі.
Iospan компаниясының технологиясы кодтау мен кеңістіктік мультиплексерлеуді біріктіреді.
2003 жылы Airgo компаниясы әлемдегі алғашқы MIMO-OFDM микросхемаларын жеткізуді бастады. 2005 жылы Airgo Networks компаниясы MIMO технологиясы саласындағы әзірлемелері 802.11 n стандартының бірінші нұсқасын жариялауға мүмкіндік берді. Осыдан кейін 2006 жылы бірнеше компания (Broadcom, Intel) IEEE 802.11n Wi-Fi болжамды стандартында жұмыс істеу үшін MIMO-OFDM жабдығы бар нарыққа шықты. Сондай-ақ 2006 жылы бірнеше компания (Beceem Communications, Samsung, Runcom Technologies және тағы да басқа) IEEE 802.16e WiMAX кең жолақты мобильді стандарты үшін MIMO-OFDMA кейбір шешімдерін әзірледі. MIMO технологиясы барлық 4G-жүйелер үшін қолданылады.
MIMO технологиясын пайдаланатын Wi-Fi 802.11n стандарты кең таралған. Осы стандарт бойынша деректерді жіберу жылдамдығын 300 Мбитсекундқа дейін алуға болады. Айта кету керек, 802.11g бұрынғы стандарты 50 Мбитсек дейінгі жылдамдықты қамтамасыз етті. Сондай-ақ, 802.11n стандартында MIMO технологиясын пайдалану тарату жылдамдығын ұлғайтып қана қоймай, сигнал деңгейі жоғары емес жерлерде қызмет көрсету сапасын жақсартуға мүмкіндік берді. Ең көп таралған қолдану - 802.11n-LAN (Local Area Network) жергілікті есептеу желісін құру кезінде нүктекөп нүкте (PointMultipoint) типті Wi-Fi жүйелері. Бірақ мұндай шешімдер жоғары жылдамдықты магистралды байланыс арналарын ұйымдастыру үшін (жылдамдығы бірнеше жүздеген Мбитсек) және деректерді ондаған километрге (50 км дейін) жіберуге мүмкіндік беретін нүктенүкте түрін қосу үшін де қолданылады.
MIMO технологиясы сондай-ақ, бірнеше нұсқасы бар WiMAX стандарттарында қолданылады. Релиздердің бірі 802.16e. Онда базалық станциядан абоненттік құрылғыға қарай 40 Мбитсек дейінгі жылдамдықпен деректерді жіберуге мүмкіндік беретін мобильді кеңжолақты қолжетімділік қызметтерімен қамтамасыз ету тәсілі сипатталады. Сонымен бірге, 802.16 e үшін MIMO технологиясы негізгі болып табылмайды, бірақ 2х2 конфигурациясымен қосымша ретінде ғана қолданылады. MIMO технологиясы 802.16m стандартының келесі нұсқасының ажырамас бөлігі болып табылады, онда конфигурациясы 4х4 болуы мүмкін. Сонымен қатар, WiMAX төртінші буынның ұялы байланыс жүйесінің бір түрі ретінде әрекет етеді, өйткені өзіне тән қасиеттер тізімі бар: хэндовер, роуминг, дауыстық қосылу.
Егер WiMAX құрылғыны мобильді түрде қолданса, деректерді беру жылдамдығы 100 Мбитсек дейін болуы мүмкін, ал стационарлық жағдайда жылдамдық 1 Гбитсек шамасында болуы мүмкін.
Алайда, MIMO технологиясын ең ерекше қолдану үшінші буыннан бастап ұялы байланыс жүйесінде тапты. Мысалы, UMTS стандарты, Rel.6-де ол HSPA технологиясымен (сымсыз кеңжолақты радиобайланыс технологиясы, деректерді пакеттік таратуды пайдаланатын және WCDMAUMTS ұтқыр желілеріне қондырма болып табылатын) 20 Мбитсек дейінгі жылдамдықты қолдайтын, ал Re7-де HSPA+ - мен деректерді жіберу жылдамдығы 40 Мбитсек жетеді. Бұл ретте 3G MIMO жүйелерінде кең қолданыс таппады.
4G LTE төртінші буындағы сымсыз жоғары жылдамдықты деректер беру стандартында 8х8 дейінгі конфигурацияда MIMO жүйелерін пайдалану қарастырылған, бұл теориялық тұрғыдан базалық станциядан 300 Мбитс жоғары жылдамдықпен абонентке ақпарат жіберуге мүмкіндік береді.
Айта кету керек, байланыс тұрақтылығы сота ішіндегі абоненттің жағдайынан тәуелсіз жоғарылайды. Жылдамдықты азайту - ақпаратты таратуда тек экстремалды жағдайларда ғана мүмкін, мысалы, абоненттің базалық станциясынан едәуір алшақ болған кезде немесе жабық экрандалған бөлмеде болған кезде.
MIMO технологиясы барлық сымсыз деректер жіберу жүйелерінде кең тәжірибелік қолдануды табады. Алайда оны пайдалану мүмкіндігі толық зерттелмеген. Қазіргі таңда MIMO 64х64-ке дейін жүйенің жаңа конфигурацияларын әзірлеу жүріп жатыр. Осының барлығы ақпаратты тарату жылдамдығын, желі сыйымдылығын және спектрлік тиімділікті арттыруға әкеледі.
1.5 Қазақстанда LTE даму перспективасын талдау
Жақында ғана, 2013 жылы әлемнің сексен екі елінде екі жүз он бес LTE коммерциялық желісі болды, 2017 жылы [23] жылы бұл көрсеткіш екі есе жоғарылап, әлемнің жүз жиырма елінде болды. 2013 жылы төрт жылдан кейін абоненттер саны жүз миллионнан тоғыз жүз миллионға дейін өседі деген болжам жасалды, және болжамдар іс жүзінде 2018 жылы жүзеге асырылды деп айтуға болады.
Әлемдегі ең ірі LTE Verizon Wireless операторы 2013 жылы екінші ауысымның соңына қарай АҚШ-та 4G-қосылумен отыз бес миллионға жуық адамға қызмет көрсете алды, осы арқылы оларға жиырма миллион LTE-қосылыстарға қызмет көрсететін Жапонияның NTT DoCoMo операторы кіретін абоненттік база бойынша көшбасшылардың үштігін тұйықтауға мүмкіндік берді. Сондай-ақ, он бір миллион LTE абоненттері бар Оңтүстік Кореяның SK Telecom операторы бар. Ұялы байланыстың жаңа технологиясына біркелкі көшу импульстерінің бірі, оның арқасында қолда бар ресурстарды ақылға қонымды қолдануға болатын Self-Operation Network (SON) тұжырымдамасын пайдалану болып саналады.
LTE желілері алдыңғы буын желілерінде өте көп еңбекті қажет ететін немесе тіпті іс жүзінде іске асырылмайтын перспективалық қосымшаларды дамытуға мүмкіндік береді.
Қазақстанда LTE-ді іске қосу перспективасы өте көп және олардың барлығы шынайы. LTE технологияларында байланыс операторларына қолжетімді төмен жиіліктерді пайдалануға болады, және шын мәнінде бұл барлық үкіметтік келісулер мен әр түрлі рұқсаттарды алуда барлық технологияның дамуына әсер етпейтініне сенім туғызады. Осы диапазонның басты беретін оң сапасы - төмен жиіліктерде неғұрлым кең жабынды қамтамасыз ету және сол арқылы тұрғын үй-жайлардың ішінде тұрақты байланыс беру мүмкіндігі, бұл біздің еліміздің географиялық жағдайында өте өзекті болып табылады.
Қазақстанда LTE желілерінің мүмкіндіктері алғаш рет 2010 жылы сынақтан өтті [26]. LTE желілерін тестілеумен айналысқандардың бірі - 2010 жылы Beeline болды. Тестілеу нәтижелерін алғаннан кейін компания пайдаланушы бағытында 60 Мбитсек дейінгі жылдамдықпен және 15 Мбитсек жылдамдықпен пайдаланушыдан деректерді жіберуді ұйымдастырды.
Оң ұсыныстар алғаннан кейін, Kcell компаниясы осы жылы мемлекет астанасында LTE желісін сынауды шешті. Дегенмен, сегіз жылдан кейін жоғарыда аталған операторлар коммерциялық іске қосу үшін LTE жиіліктеріне лицензия ала алмады.
Қазіргі уақытта тек Қазақтелеком АҚ бүкіл ел аумағында LTE пилоттық жобасын ұйымдастыру үшін қысқа мерзімді рұқсатқа ие.
Соңғы бірнеше жылда LTE ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz