Tuomas Isomäki, Valvoja: Prof. Sven-Gustav Häggman

Esitys aiheesta: "Tuomas Isomäki, Valvoja: Prof. Sven-Gustav Häggman"— Esityksen transkriptio:

1 Laajennetun solukoon vaatimukset kolmannen sukupolven WCDMA-tukiasemalle
Tuomas Isomäki, Valvoja: Prof. Sven-Gustav Häggman Ohjaaja: TkL Kai Kiiskilä, Nokia Networks

2 Sisällys Laajennetun solukoon käsite Työn tausta Ongelman asettelu
WCDMA tekniikka Tutkimusmenetelmät WCDMA verkkosuunnittelu 3GPP määritysten rajoitukset laajalle solukoolle Ehdotetut ratkaisut

3 Laajennetun solukoon käsite
WCDMA verkoissa ”normaali” solukoko noin km riippuen olosuhteista Laajennetulla solukoolla tarkoitetaan solua, jonka säde on luokkaa km, eli reilusti tavanomaista suurempi Extended cell coverage Standard cell coverage Radius up to 200km … - 20km radius

4 Käyttökohteita Laajaa solukokoa voitaisiin käyttää harvaan asutuilla alueilla esim. maaseudulla ja saaristossa korvaamaan puhe- ja xDSL yhteyksiä: kaapeloinnin tarve vähenee mahdollistaa nopean, laajakaistaisen tiedonsiirron alueilla, joilla se ei tällä hetkellä ole mahdollista kustannustehokkuus kasvaa operaattorin kannalta, sillä suuria alueita voidaan kattaa pienemmällä määrällä tukiasemia myös peittämään suuria katvealueita

5 Työn tausta (1/2) WCDMA –tekniikkaan perustuvat matkapuhelinverkot ja päätelaitteet ovat läpikäyneet esittelyvaiheen ja ovat nyt markkinoinnillisesti siirtymässä kasvuvaiheeseen. Tukiasemakohtaisen solusäteen kasvattaminen parantaa verkkojen kustannustehokkuutta sillä tarvittavien tukiasemien määrä pienenee. Tukiasemien kapasiteettirajoitusten vuoksi laajennetun solukoon käyttöönottoa voitaisiin harkita esim. harvaan asuttujen alueiden kuten saariryhmien kattamisessa. WCDMA puolella laajaa solukokoa ei ole vielä otettu käyttöön, eikä myöskään tutkittu.

6 Työn tausta (2/2) Kuukausittainen liikennemäärä (Mt) per käyttäjä. Käytetyn siirtotekniikan vanhetessa myös siirrettävät datamäärät pienenevät.

7 Ongelman asettelu WCDMA tukiaseman solusäteen rajoittaa
Radiosignaalin eteneminen ja siitä aiheutuva vaimentuminen Signaalin kulkuaikaviive tukiaseman ja mobiililaitteen välillä Tukiaseman prosessointiviive Tukiaseman ja päätelaitteen rajallinen lähetysteho Signaalin vaimentuminen riippuu suuresti ympäristöstä Rakennukset, maaston korkeusvaihtelut, sisätilat Antennimaston korkeus, radiohorisontti 3GPP määritykset kolmannen sukupolven matkaviestin-verkoista Ovatko määritykset ”riittäviä” suurelle solukoolle? Onko laaja solukoko toteutettavissa ja jos on, niin miten?

8 WCDMA tekniikka (1/4) Multiple Access (MA) – kaikki käyttäjät ovat samalla taajuudella Downlink (DL) MHz Uplink (UL) MHz Kaistanleveys molemmissa UL/DL 5 MHz Efektiivinen kaistanleveys 3,84 MHz Code Division (CD) – käyttäjät ja kanavat erotetaan toisistaan erilaisilla koodeilla ovat ortogonaalisia ominaisuuksiltaan Long Code solun ja sektorin erotukseen downlink suunnassa ja käyttäjien erotukseen uplinkissa Short Code kanavien erotukseen Spreading Code = long code x short code Frequency Division Duplex (FDD)

9 WCDMA tekniikka (2/4) Symbolinopeus 3,84 Mcps (chips/second)
Chippi on yksi bitti koodisignaalia, jota käytetään signaalien ”kertolaskuun”. Symboli taas on yksi bitti alkup. baseband signaalia.

10 WCDMA tekniikka (3/4) Kertotoimenpide levittää alkuperäisen kapeakaistaisen signaalin laajemmalle alueelle taajuusalueessa, mutta vastaavasti amplitudi pienenee Koodauksesta saatava hyöty G=10log(W/R), jossa W on WCDMA chippinopeus 3,84 chips/s R on kanavanopeus esim. 12,2 kbps puheella saavutettava hyöty on noin 25 dB Jos vaadittu energia per bitti on esim. 5 dB, voi signaali näin ollen olla -20 dB kohinatason alapuolella Vastaanottimena käytetään yleensä RAKE –vastaanotinta, joka tunnistaa monitiekomponentit ja pystyy hyödyntämään niitä parantaakseen signaalikohinasuhdetta Power Frequency Different spreading codes Spread broadband signal f Original narrowband signal Time

11 WCDMA tekniikka (4/4) Jos käyttäjän bittinopeus on pieni, informaatio on paremmin levitettävissä koko kaistalle ja vaadittu lähetysteho (energia per chippi) on pieni. Käyttäjän bittinopeuden ollessa suuri, informaation levitys koko kaistalle on vaikeampaa ja näin ollen lähetystehon tarve on suurempi. Spreading Factor voidaan ilmaista Power Frequency Different spreading codes AMR puheella n. 30 kbps 3,84 Mchip/s Periaatteessa levittäminen toistaa alkuperäistä informaatiota tietyn määrän kertoja (G)

12 Tutkimusmenetelmät Laajasta solukoosta ei aikaisempaa julkista tutkimusta Lähdemateriaalina käytettävä yleisiä WCDMA radioverkko- suunnittelua koskevia teoksia 3GPP:n 3G –verkkoja koskevat WCDMA määritykset ja niiden mahdollisesti asettamat rajoitukset Nokian omaa ratkaisua mietittäessä on käytetty apuna myös Nokian sisäisiä dokumentteja tukiasemien ominaisuuksista GSM verkoissa laaja solukoko (~100km) on toteutettu, mutta tekniikan erilaisuus verrattuna WCDMA:an ei salli tämän ratkaisun käyttöönottoa 3G -verkoissa

13 WCDMA verkkosuunnittelu (1/3)
Lähtökohtana radiolinkkibudjetit, joista saadaan maksimivaimennus, jonka signaali voi vaimeta kulkiessaan lähettimestä vastaanottimeen 12,2 kbps AMR puheella vaimentuma saa olla noin 150 dB 144 kbps reaaliaikaisella datalla noin 155 dB Linkkibudjetissa useita muuttuvia tekijöitä, kuten antennivahvistukset maastosta aiheutuvat vaimentumat päätelaitteen nopeus (paikallaolo vs. liike) vastaanottimen herkkyys, ym. Päätelaitteissa puheella käytössä 0,125W lähetysteho ja datalla 0,25W Tukiasemalla normaalisti 20W tai 40W maksimiteho, joka jakautuu kaikkien käyttäjien kesken. Eli jos esim. 50 käyttäjää, niin 20W tehosta ainoastaan 2/5=0,4W on käytössä per käyttäjä. Downlink suunnan maksimikantama enemmän riippuvainen käyttäjämäärästä kuin uplinkin, jossa teho/käyttäjä pysyy samana

14 WCDMA verkkosuunnittelu (2/3)
User equipment Transmission power W / dB 0.125W / 21.0 dBm a Antenna gain 0 dBi b Body loss 3 dB c Equivalent Isotropic Radiated Power 18 dBm d = a + b – c Node-B Thermal noise density -174 dBm / Hz e Noise figure 5.0 dB (3.0 dB with MHA) f Receiver noise density -169 dBm/Hz g = e + f Receiver noise power dBm h = g + 10 log ( ) Interference margin 3.0 dB i Total effective noise + interference dBm j = h + i Processing gain 25 dB k = 10 log (3840/12,2) Required Eb/N0 5.0 dB l Receiver sensitivity dBm m = l – k + j 18 dBi n Cable loss 2.0 dB o Fast fading margin 4.0 dB p Maximum path loss 150.2 dB q = d – m + n – o – p Log-normal fading margin 0.0 dB r Soft handover gain s Allowed propagation loss t = q – r + s

15 WCDMA verkkosuunnittelu (3/3)
Kun maksimivaimentuma tiedetään, voidaan solun sädettä arvioida eri malleilla, kuten ITU-R P.1546 ja Hata-COST231. ITU-R P.1546 (laskettu 150 dB mukaan) Hata-COST231 - 300 m mastolla kuivalla maalla m mastolla noin 80 km solusäde noin 40 km solusäde Ristiriita eri mallien kesken, mallien paikkaansapitävyys pitäisi testata käytännössä! Hata mallissa ei ilmaistu, lasketaanko MS-antennikorkeus maastopeitteen vai maanpinnan tason yläpuolelta.

16 3GPP määritysten rajoitukset laajalle solukoolle
3GPP:n 3G määritykset eivät salli laajaa solukokoa, sillä: Round-Trip aika rajoitettu 2923 chip mittaiseksi -> maksimisolukoko noin 60+ kilometriä chipistä 1280 kuluu päätelaitteen prosessointiviiveenä, jolloin 1643 / 2 = 821 chip aika jää jäljelle yhdensuuntaiseen etenemiseen. Maksimi etenemisviive ilmarajapinnassa (propagation delay) on rajoitettu 765 chipiin, joka vastaa myös noin 60 kilometrin matkaa. Tehonsäätö ei aiheuta ongelmaa, sillä yhteys voidaan pitää riittävän stabiilina, vaikka tehonsäätökomento hieman myöhästyisikin.

17 Ehdotetut ratkaisut (1/2)
Jotta eri valmistajien WCDMA laitteet ja verkot olisivat yhteensopivia, pitää 3GPP määrityksiä muuttaa niiltä osin kun ne estävät laajan solukoon toteuttamisen. Round-trip ja propagation delay maksimiaikaa kasvatetaan niin, että ne on riittäviä suurille solusäteille. Valmistajan puolelta riittää, että suuria solukokoja tuetaan. Toteuttaminen jää verkko-operaattorin vastuulle. Suuri antennikorkeus antaa suuremman solusäteen, mutta suurin sallittu antennikorkeus saattaa olla säädetty paikallisessa lainsäädännössä. Tällöin toteutustapaa mietittävä uudelleen.

18 Ehdotetut ratkaisut (2/2)
Ohjelmisto- ja laitteistoarkkitehtuurin takia seuraavanlaiset toteutusvaihtoehdot laajennetulle solukoolle ovat mahdollisia: Ympärisäteilevä, ”donitseihin” jaettu solu, jossa jokaisen donitsin väli on noin 20 km. Sektoroitu (esim. 3 sektoria) ja ”donitseihin” jaettu solu. Myös tässä donitsien väli 20 km. 180 km 40 km 20 km Molemmissa ratkaisuissa on teknisesti mahdollista päästä noin 200 km solusäteisiin.