Розробка та дослідження мережі базових станцій для забезпечення бездротового зв’язку стандартів 4G та 5G
Автор: Гарматій Дмитро-Іван Михайлович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Технології та засоби телекомунікацій
Інститут: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Гарматій Д-І.М., Ліске О.М. (керівник). Розробка та дослідження мережі базових станцій для забезпечення бездротового зв’язку стандартів 4G та 5G. Магістерська кваліфікаційна робота. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2020. Розширена анотація Об’єкт дослідження – мережа базових станцій безпровідного зв’язку стандарту LTE та 5G. Предмет дослідження – розподіл електромагнітного поля мережі базових станцій Мета дослідження – розробити та проаналізувати роботу мережі базових станцій для забезпечення бездротового зв’язку стандарту 5G. В даній кваліфікаційній роботі було проаналізовано технічні параметри стандарту безпровідного зв’язку 4G та 5G. Мережі покоління 4G, засновані на IP-протоколі IPv6, мають пікову межу швидкості передачі в 1 Гбіт/с. Для чіткого прийому і передачі використовуються адаптивні антени, які підлаштовуються під конкретну базову станцію. 5G використовують більш високі частоти, ніж 4G, і в результаті деякі сигнали 5G не здатні поширюватися на великі відстані. Це вимагає розміщення базових станцій 5G кожні кілька сотень метрів, щоб використовувати більш високі смуги частот. Крім того, ці високочастотні сигнали 5G не можуть легко проникати через тверді об’єкти, такі як автомобілі, дерева і стіни, через природи цих високочастотних електромагнітних хвиль. Осередки 5G можуть бути навмисно спроектовані так, щоб бути якомога більш непомітними, що знаходить застосування в таких місцях, як ресторани і торгові центри. Перевагами стандарту 5G перед попередніми поколіннями є вища швидкість завантаження для користувачів( до 100Мбіт/с), та пікова швидкість завантаження до 20Гбіт/с, а також нижча затримка (до 1 мс). Встановлено, що в цьому стандарті використовують дві смуги частот, а саме FR1 (600 – 6000 Мгц) та FR2 (24 – 100Ггц). Вдосконалення технології кодування дозволить підвищити ефективність на 30% при використанні того ж діапазону. Для вирішення реальних електромагнітних проблем, таких як: електромагнітне розсіювання, електромагнітне випромінювання, моделювання хвилеводів застосовують обчислювальні чисельні методи що можуть подолати нездатність вивести рішення в замкнутій формі рівнянь Максвелла. Середовище Altair FEKO дозволяє вирішувати різноманітні завдання, пов’язані з моделюванням електромагнітних полів, використовуючи різноманітні методи в залежності від особливостей поставлених завдань. Повно хвильове моделювання в частотній області здійснюється з використанням методу моментів (MoM), для об’ємних об’єктів плоско-шаруватих структур, і його модифікації (MoM + SEP, MoM + VEP) та векторного методу скінченних елементів (FEM). У часовій області використовується метод скінченних різниць у часовій області (FDTD). В 2 розділі було використано програмний комплекс Altair Feko. Дана програма може аналізувати поширення електромагнітних хвиль в наступних сценаріях: в міській забудові, в природньому середовищі та всередині приміщення. Для моделювання секторної антени використано графічний редактор AMan, який дозволяє аналізувати діаграми спрямованості антени. В роботі було розроблено секторну антену з підсиленням 17dB в напрямку основного випромінювання. Для обчислення процесу поширення електромагнітних хвиль в різних сценаріях використовуються різні моделі. Ці моделі необхідні для визначення характеристик поширення у будь яких випадкових конфігураціях. Для природнього середовища використовуються такі моделі як модель Окумура-Хата, а також метод параболічного рівняння. Ці два методи відрізняються в результатах обчислення затіненими областями. Для сценарію міської забудови використовуються моделі які враховують багатопроменеве поширення. Основою таких моделей є база даних яка описує міську забудову з високою роздільною здатністю з точністю 1-2 метри, а також точну інформацію про середню висоту будинків, що є важливим при розміщені базові станції близько до поверхонь дахів. Прикладом таких моделей є модель COST Walfish Ikegami, а також модель оптичних променів, яка враховує дифракцію, розсіювання, проникнення та поглинання. За допомогою програми WallMan створено 3D модель міського середовища яка складається з різних елементів, які можуть впливати на картину розподілу електромагнітного поля, таких як: будинки з відповідною точністю та висотою, та зелень. Кожен елемент на карті може мати певні властивості матеріалів, для збільшення точності картини. В програмі ProMan було проаналізовано розподіл електромагнітного поля в діапазонах FR1 та FR2 при використанні не напрямленої та напрямленої антен що дає змогу оцінити якість зв’язку в певних точках забудови. В результаті проведених досліджень можна зробити висновок, що при збільшені частоти для забезпечення надійного та якісного зв`язку потрібно розташовувати базові станції більш щільніше, що в свою чергу призведе до зменшення часової затримки та збільшення швидкості передачі інформації. Ключові слова – базова станція, електромагнітне випромінювання, числове моделювання. Перелік використаних літературних джерел. 1. Christopher Cox. An introduction to LTE: LTE, LTE-Advanced, SAE and 4G Mobile Communication, First Edition. 2012 John Wiley & Sons, Ltd. 2. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold. 4G LTE/LTE-Advancedfor Mobile Broadband, First Edition. 2011. 3. David B. Davidson. Computational Electromagnetics for RF and Microwave Engineering. Cambridge. 2005. 4. Atef Z. Elsherbeni, Payam Nayeri, C.J. Reddy. Basics Of Electromagnetic Simulation With Altair Feko. Scitech Publishing 2014.