Cellás rádióhálózatok tervezésének közös

módszertana

GSM, HSDPA, LTE, WiMax, WiFi

Takács György

Előadás és háttéranyag a Magyar Mérnöki Kamara

Hírközlési és informatikai szakmai továbbképzésének keretében

Hegyi Barnabás előadásának felhasználásával

2014.

Egy GSM hálózat rendszerelemei

Cellás hálózattervezési helyzetek:

A - Új hálózat tervezése. Elsősorban megfelelő lefedettség kell a szolgáltatási szerződésben vállalt területekre, a vállalt ütemben, minimális költséggel és a biztosan bekövetkező további fejlesztések figyelembe vételével.

B - Tervek a meglévő hálózat továbbfejlesztésére. Fő feladat az újabb forgalmi igények optimális kielégítése és a frekvencia-felhasználás hosszú távú tervezése.

C – Tervek a meglévő és üzemelő hálózat továbbfejlesztésre új technológiák és szolgáltatások bevezetése érdekében. Példák: Internet elérés mobilhálózaton, okostelefonok sokcélú használata, DVB-H, WHG (Wireless Home Gateway).

Hasonlóságok és különbségek az A, B, C feladatok esetén

A rádióhullámok ugyanúgy terjednek

A frekvenciakészlet szűkös

A bázisállomások legalkalmasabb helyei elfogytak

A forgalmi igények rohamosan nőnek

A technológiák gyorsan változnak

A lakosság idegenkedik a nagy antennaszerkezetektől

A rádiófrekvenciás zavarok nőnek

A lakosság nem fél a picike szerkezetektől

A tankönyvek kimerítően foglalkoznak az A tervezési feladattal, de a B és C feladattal alig.

2014 közepén a világon 6.310.000.000 mobil előfizető volt. Ez csak a B típusú tervezés kiváló szintű teljesítésével vált lehetségessé.

A C típusú tervezés szemléletváltást igényel: a cellaméret lakásméretté zsugorodhat, kétéltű, többéltű készülékekkel, más technológiájú hálózatok közötti roaming és handover megoldása kell.

Ha ugyanazt a frekvenciát 100 méteren belül többször újra felhasználjuk, akkor ennek tervezéséhez új tudomány kell

Kreatív antenna megoldások

A C típusú tervezésben használatos új megoldások:

• Hatékonyabb, de bonyolultabb modulációs rendszerek

• Kisebb cellaméretek (mikro-, nano-, piko- cellák)

• Mozgási sebességhez és sávszélesség igényhez igazodó cella- és hálózatválasztás • Szektorizálás és keskeny nyalábba irányított rádió adások

• Frekvencia újrahasznosításához vezető megoldások (pl. szinkronizálás)

Cellás rádiós hálózat tervezés és létesítés folyamata A típusú

szemléletben

• Bemenő adatok definiálása

• Elemi méretezés (sávok, modulációs rendszer, sugárnyalábolás figyelembe vételével)

• Térképi adatok beszerzése

• Terjedési modell hangolása

• Nominális cellaterv

• Telephelykeresés

• Végső cellaterv

• Kezdeti rendszerhangolás

• Átvételi vizsgálat

• Kereskedelmi forgalomba helyezés

Bemenő adatok definiálása

• Terület adatok

• Területek típusa [sűrű városi, városi, külvárosi, vidékies, utak]

• Területek nagysága [km2]

• Felhasználói sávok, modulációk

• Forgalmi adatok

• Előfizetőnkénti forgalom [pl. mE/előfiz.]

• Előfizető-sűrűség [előfiz./km2]

• Blokkolási arány (grade of service - GoS) [%]

• Lefedettségi követelmények

• Lefedettség típusa [beltéri, kültéri, gépkocsibeli]

• Lefedettségi valószínűség (coverage area probability - CAP) [%]

• Telephely paraméterek

• Tipikus antenna magasság [m]

• Tipikus kábelhossz (feeder length) [m]

• Hardver paraméterek/hardver kiválasztása

• Adó maximális kimenő teljesítménye [dBm]

• Vevő érzékenysége [dBm]

• Rádióadóvevők száma

• Antennanyereség [dBi]

• Rendszerparaméterek

• Frekvencia csatornák száma

• Működési frekvenciasáv

A fenti dokumentumot a 3GPP TM dolgozta ki és továbbfejlesztése várható.

A vevők érzékenységi adatai:

Általában az érzékenység az a vételi jelszint, amely mellett egy adott környezetben egy adott vételi követelmény (pl. bithiba-arány egy adott értéknél kisebb) teljesül.

A 3GPP TS 45.005 dokumentumban definiált vételi körülmény mérőszámok:

Bit Error Rate – BER

Frame Error Rate – FER

Block Error Rate – BLER

A 3GPP TR 43.030 dokumentumban beszédátvitelnél definiált referencia jel-zaj viszony (S/N)ki=

8dB

Tipikus FBTS és FMS 2dB illetve 8 dB

Rayleigh-fading

Oka: a mobilkészülék környezetében lévő tárgyakról szóródnak a beeső hullámok

Eloszlása Rayleigh-eloszlás (nincs direkt komponens, beeső hullámok amplitúdója és fázisa véletlen)

Gyors: félhullámhosszonkénti (pl. GSM 900 esetén 16cm) jelszint változást jelent

Direkt komponens jelenléte esetén Rice-eloszlásról illetve –fadingről beszélünk

Lassan mozgó MS esetén károsabb, mint gyorsan mozgó MS esetén

Hatása diversityvel és frekvenciaugratással csökkenthető

Bevezetjük a Rayleigh-fading tartalékot, ami RFmarg = 3dB

Lognormál fading

Oka: környező épületek, hidak, fák, domborzat árnyékoló hatása

Logaritmusa megközelítőleg normális eloszlású

Lassú: 5-50-200 m-enkénti jelszint változást jelent

Szórása

– Kültéren, gépkocsiban

• Sűrű városi környezetben: 10 dB

• Városi környezetben: 8 dB

• Külvárosi környezetben : 6 dB

• Vidékies környezetben : 6 dB

– Beltérben

• Sűrű városi környezetben : 14 dB

• Városi környezetben : 12 dB

• Külvárosi környezetben : 8 dB

További csillapító hatások

Az emberi test árnyékoló hatása 900 MHz-en kb. 9 dB, 1800 MHz-en kb. 6dB.

Az épületfal csillapítása 900 MHz-en az ablak közelében kb. 12 dB, másutt átlagosan 18 dB.

Az épületfal csillapítása 1800 MHz-en vasbeton épületeknél 15 dB értékkel kalkulálható, vidéki téglaházaknál ez kb. 10 dB.

Rádiófrekvenciás teljesítmény mérleg (RF-budget)

Lf – a BTS és az antenna közötti tápkábel csillapítása

Ga - antenna nyereség

Lpath – a rádiós átviteli út (terjedés)csillapítása

Egy gyakran használt Katrhein antenna jellemzői:

Tower Mounted Amplifier (TMA)

Terjedési modellek

Okomura és társai Tokió környékén végzett mérések alapján mérési görbeseregeket vettek fel

Hata egyenletet illesztett a Okomura mérési görbéire

Okumura-Hata modell a terjedési veszteség számolására

Walfisch-Ikegami modell

• Félempirikus modell

– Diffrakciós elméleti modellekből indul ki

– Az elméleti modellt mérési eredményekkel korrigálják

• Feltételezések

– Szabályos épületelrendezés (magasság, szélesség, orientáció, utcák szélessége)

– Sík domborzat

• Jelen példában használt modell (900 MHz): Lpath=143.2+38log(d)-18log(Hb-17)

– Hm=1.5m

– Hr=18m

– w=20m

– b=40m

– f=900 MHz

– Hb>Hr

A rádiófrekvenciás teljesítmény-mérleg kiegyenlítése (Link

Balance)

Cél: Azon PoutBTS meghatározása, melyre a DL és UL lefedettség azonos

Annak eldöntése, hogy PoutmaxBTS alkalmazása esetén a DL vagy az UL az erősebb összeköttetés

Lefedettség:

– DL: PinMS >= MSsens

– UL: PinBTS >= BTSsens

Számítás TMA nélkül:

• PoutbalBTS = PoutMS+(Gdiv) –BTSsens+MSsens

Számítás TMA-val:

• PoutbalBTS = PoutMS+(Gdiv)+Lf+LTMA –BTSsens+MSsens

A gyengébbik összeköttetésre adódó maximális szakaszcsillapításból számítjuk a cella méretét

Cellasugár

PoutBTS „beállítása”

– Ha PoutbalBTS >= PoutmaxBTS, akkor PoutBTS = PoutmaxBTS

– Ha PoutbalBTS < PoutmaxBTS, akkor PoutBTS = PoutbalBTS

Tartalékokkal és csillapításokkal korrigált tervezési jelszint számítása

– SSdesign = MSsens+IFmarg+RFmarg+LNFmarg+(BPL)+(CPL)+(BL)

Maximális szakaszcsillapítás számítása

– TMA nélkül: Lpathmax* = PoutBTS-Lf+Ga- SSdesign

– TMA-val: Lpathmax * = PoutBTS-Lf-LTMA+Ga- SSdesign

„Cellahatótávolság” (cell range) számítása

– R = Lpath-1(Lpathmax)

* Terjedési modell által számolt szakacsillapítás, tartalékokhoz és egyéb csillapításokhoz kapcsolódó jelenségek hatását nem tartalmazza

Frekvenciák újrafelhasználása

Azonos csatornás jel-interferencia viszony

Forgalmi tervezés

• Az épülő GSM hálózatok esetében általában a lefedettség a szűk keresztmetszet

• Egy cella kapacitásának számítása

– TRX-enként 8 időrés (time slot – TS)

– Az első (BCCH) TRX-en csak 7 időrés használható beszédforgalomra

– Capacitycell = ErlangB(8 * NTRX-1, GoS)

• Egy cella forgalmának számítása

– Trafficcell = Acell * densitysubscriber * Trafficsubscriber

• Ellenőrzés

– Ha Capacitycell >= Trafficcell, akkor nincs szükség az állomások számának növelésére

– Ha Capacitycell < Trafficcell, akkor bővíteni kell az állomások számát, forgalmi tervezésre van szükség

Tervezési mintafeladat (Budapest)

Bemenő adatok

Területi adatok

• Területtípusok: sűrű városi, városi, külvárosi, vidékies

• Terület nagyságok: 13 km2, 150 km2, 205 km2, 157 km2

Forgalmi adatok

• Átlagos hívástartás: 90 s

• Legforgalmasabb órabeli hívásgyakoriság: 0.6/h

• Előfizető-sűrűség: 1396, 319, 160, 8 előfiz./ km

Lefedettségi követelmények

• Lefedettség típusa: beltéri, beltéri, beltéri, gépkocsibeli

• Lefedettségi valószínűség: 95%, 95%, 95%, 90%

Telephely paraméterek

• Tipikus antenna magasság: 25, 30, 30, 35 m

• Tipikus kábelhossz: 30, 35 ,40, 45 m

• Kábel fajlagos csillapítása: 0.07 [dB/m] (1/2’’-os kábel)

Hardver paraméterek/hardver kiválasztása

• BTS maximális kimenő teljesítménye: 45.5 dBm

• BTS érzékenysége:

• TMA nélkül: -110 dBm

• TMA-val: -111.5 dBm (Lf <= 4dB)

• TRX-ek maximális száma BTS-enként: 6

• Antennanyereség: 16.5 dBi

Rendszerparaméterek

• Frekvenciák száma: 36

• Működési frekvenciasáv: GSM 900

Tervezési paraméterek

– MS kimenő teljesítménye: 33 dBm

– MS érzékenysége: -104 dBm

– Épületfal okozta csillapítás: 25, 23, 17, - dB

– Gépkocsi-karosszéria okozta csillapítás: 6 dB

– Emberi test okozta csillapítás: 5 dB

– Lognormál fading szórása

• Beltéren: 14, 12, 10, - dB

• Kültéren: 10, 8, 6, 6 dB

– Rayleigh-fading tartalék: 3 dB

– Interferencia tartalék: 2 dB

Lehetséges megoldások alkalmazása és kapcsolódó paraméterek

– Szektorizált állomások (3 cella/állomás)

– TMA (Tower Mounted Amplifier) alkalmazása

– Vételi diversity alkalmazása

– Diversity nyereség: 3.5 dB

– TMA beiktatási csillapítása: 0.3 dB

Tervezési mintafeladat (megoldás)

HSDPA tervezés

• The first commercial HSDPA services and network implementations have proven to be attractive and robust, providing significant improvement over other technologies. But this is just the beginning – future enhancements will include code multiplexing, more HSDPA codes and dynamic code allocation, advanced receiver technologies, enhanced schedulers, enhanced uplink (E-UL) and evolution of the standards.

Code multiplexing

• With HSDPA, data transmission can be divided in time and codes (code multiplexing) to accommodate several users per transmission time interval (TTI). Code multiplexing makes it possible to use all available codes per TTI, even if the codes are not all supported by a given end-user’s device. For instance, three users with a five-code device can be served simultaneously during the same TTI. Code multiplexing also enables combined transmissions when several users’ RBSbuffered Code multiplexing With HSDPA, data transmission can be divided in time and codes (code multiplexing) to accommodate several users per transmission time interval (TTI). It can even reduce delay for active end users in a cell by reducing waiting time while transmissions are being scheduled. Delay-sensitive applications with short, bursty data packages, such as voice over IP (VoIP), will benefit from code multiplexing when HSDPA usage increases in a network.

More HSDPA codes and dynamic code allocation

The introduction of end-user devices that can handle 10 or even 15 codes will increase maximum transmission rates to 14.4Mbps. At the same time, however, it will become necessary to allocate codes dynamically, because fixed allocation of 10 to 15 codes on a sector carrier for HSDPA seriously reduces the available codes for R99 traffic. During periods of high voice load, the codes should be assigned to voice and R99 data traffic. The rest of the time, they can be used for additional HSDPA traffic, especially when used in combination with code multiplexing. For this purpose, Ericsson has implemented a unique dynamic code-allocation feature. The ability to mix HSDPA and non-HSDPA traffic reduces the need for early introduction of extra cell carriers, thereby increasing spectrum efficiency and reducing network-related capital expenditures (CAPEX) and operating expenses (OPEX).

QoS and enhanced scheduler design

As a shared resource, HSDPA employs schedulers in the RBS to allocate available resources to end users. As HSDPA traffic in the network increases, it will become more and more important to choose a scheduler strategy that best fits the traffic mix in the cell. Future schedulers will prioritize certain traffic streams in order to improve the performance of end-user applications. VoIP, streaming sessions, and traffic for premium users, for instance, can be prioritized ahead of other traffic. This will allow operators to differentiate their service offering in terms of applications and end-user support.

Advanced receiver technology

The introduction of advanced receiver technologies, such as generalized Rake (G-Rake) and receive diversity, in end-user devices will improve downlink channel quality and increase HSDPA speed. In contrast to Rake receivers, which solely try to optimize the signal, G-Rake receivers optimize the

signalto- impairment ratio (S/I) by both maximizing the signal and minimizing interference. Gains from G-Rake technology can be enhanced further with a receive-diversity antenna solution.

http://www.ericsson.com/ericsson/corpinfo/publications/review/2006_02/files/g_rake.pdf

Enhanced uplink

Enhanced uplink (E-UL), introduced in 3GPP Release 6, will enable speeds of up to 5.8Mbps in the uplink. Ericsson has been demonstrating E-UL since March 2005. The first commercial products should reach the market in the beginning of 2007. The combination of HSDPA and E-UL is called highspeed packet access (HSPA). Apart from improving uplink performance, E-UL improves HSDPA performance by making more room for acknowledgement traffic and by reducing overall latency.

Standards evolution

At present, work is underway to standardize the next releases of 3GPP, thereby ensuring that future end-user and operator requirements and expectations will be met. The main objectives are to further improve service provisioning and reduce end-user and operator costs. These objectives will be met by providing higher data rates, reducing latency, and increasing system capacity. The evolution of HSPA (called HSPA evolution) and the long-term evolution of 3G (LTE) are being discussed for future releases.

HSPA evolution targets data speeds of 40Mbps in the downlink and 12Mbps in the uplink on 5MHz of bandwidth. This can be achieved by introducing multilayer transmission, also called multiple input, multiple output (MIMO) transmission. MIMO can be used to increase data rates by transmitting parallel streams to a single end-user in combination with higher-order modulation in the uplink and downlink. Ericsson’s demonstration of HSPA with MIMO at the CTIA Wireless 2006 event in Las Vegas, USA, showed downlink speeds of up to 28Mbps. LTE is a new access technology that targets data speeds of 100Mbps in the downlink and 50Mbps in the uplink on 20MHz of bandwidth.

Rövidítések

• BCCH Broadcast Channel

• CQI Channel Quality Indicator

• FDD Frequency Division Multiplexing

• HARQ Hybrid Automatic Repeat Request

• HS-DSCH HSDPA Downlink Shared Channel

• LTE Long Term Evolution

• PCI Physical Cell Identity

• PDCCH Physical Downlink Control Channel

• PDSCH Physical Downlink Shared Channel

• PMI Precoder Matrix Indicator

• PRACH Physical Random Access Channel

• PRB Physical Resource Block

• PUSCH Physical Uplink Shared Channel

• RS Reference Signal

• SINR Signal-to-Interference-Noise-Ratio

• TDD Time Division Multiplexing

• TTI Transmission Time Interval

NOISE-LIMITED SCENARIO

• average signal-to interference-and-noise ratio

• S is the average received signal power,

• I is the average interference power,

• N is the noise power

• I = Iown + Iother ,