GSM Rádiós Hálózat Tervezése

Példa Hegyi Barnabás kidolgozásában

Távközlő Hálózatok Tervezése

A GSM rádiós hálózat tervezésének folyamata

• Bemenő adatok definiálása (input definition/customer requirements)

• Dimenzionálás (radio network dimensioning)

• Térképi adatok beszerzése (map data provisioning)

• Terjedési modell hangolása (propagation model tuning)

• Nominális cellaterv (nominal cellplan)

• Telephelykeresés (site candidate search)

• Végső cellaterv (final cellplan)

• Kezdeti rendszerhangolás (initial tuning)

• Átvételi vizsgálat (acceptance test)

• Kereskedelmi forgalomba helyezés (commercial launch)

Bemenő adatok definiálása (2)

• Telephely paraméterek– Tipikus antenna magasság [m]– Tipikus kábelhossz (feeder length) [m]

• Hardver paraméterek/hardver kiválasztása– Bázisállomás (BTS – base transciever) maximális

kimenő teljesítménye [dBm]– BTS érzékenysége [dBm]– Rádióadóvevők (transciever – TRX) maximális száma

BTS-enként [1]– Antennanyereség [dBi]

• Rendszerparaméterek– Frekvenciák száma [1]– Működési frekvenciasáv (GSM 800, GSM 900, GSM

1800, GSM 1900)

Bemenő adatok definiálása

• Terület adatok– Területek típusa [sűrű városi, városi, külvárosi, vidékies, utak]– Területek nagysága [km2]

• Forgalmi adatok– Előfizetőnkénti beszédforgalom [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)

[%]

Dimenzionálás• Papír-ceruza tervezési módszer• Durva becslés

– Nem veszi figyelembe a domborzatot (sík terepet feltételez)– Egyszerű félempirikus terjedési modellekkel dolgozik– Szabályos, hatszögrács állomásmintázat– Nem veszi figyelembe a területtípusok szabálytalan

elhelyezkedését• Mikor alkalmazzák, alkalmazható, létjogosultság

– Térképi adatok hiányában– Rövid tervezési határidő esetén– Tervező program hiányában – szűk projekt budget esetén

• A GSM szabvány (www.3gpp.org) tervezési ajánlása a 3GPP TR 43.030

Dimenzionálás (3)

• Lehetséges megoldások alkalmazása és kapcsolódó paraméterek– Körsugárzó/szektorizált állomások– TMA (Tower Mounted Amplifier) alkalmazása/nem

alkalmazása– Vételi diversity alkalmazása/nem alkalmazása– Diversity nyeresége (diversity gain) [dB]– TMA beiktatási csillapítása (TMA insertion loss)

[dB]

Bemenetre redukált zajhőmérséklet és zajtényező

• Bemenetre redukált zajhőmérséklet– Az a bemeneti zajhőmérséklet-

többlet, amely esetén egy ideális zajmentes fokozatot alkalmazva ugyanannyi zajteljesítményt kapunk a kimeneten, mint a zajos fokozat alkalmazásakor eredeti zajhőmérséklet esetén

• Zajtényező– A rendszer bemenetén illetve

kimenetén mérhető jel-zaj viszonyok hányadosa (a jel-zaj viszony romlása) akkor, ha bemeneti zajhőmérséklet éppen a referencia hőmérséklet (290K)

0TTki

be

NSNS

F

0

1T

TF red

GkB

PT sajátzajred

,

Pzaj,saját

G

kTB

GkTB + Pzaj,saját

G

G

Gk(T+Tred)Bk(T+Tred)B

Érzékenység• Az a vételi jelszint, amely mellett egy

adott környezetben egy adott vételi követelmény (pl. bithiba-arány egy adott értéknél kisebb) teljesül

• A szabvány különböző (3GPP TS 45.005)– Mérőszámokat definiál

• Bit Error Rate – BER• Frame Error Rate – FER• Block Error Rate – BLER

– Csatorna modelleket definiál• Környezetek: typical urban - TU,

rural area – RA, hilly terrain - HT• Sebességek: 3, 50, 100, 130,

250 km/h• A gyártók termékei általában túlteljesítik

a szabványban előírtakat• A szabványban (3GPP TR 43.030)

definiált referencia (S/N)ki= 8dB• Tipikus FBTS és FMS 2dB illetve 8 dB

(S/N)bedB-(S/N)ki

dB=FdB

F(S/N)be

Ta=290K

Pzajbe=kBTa=-120dBm

B=200kHz

(S/N)ki

Sens[dBm]=(S/N)ki,refdB+FdB -120dBm

(S/N)bedB-(S/N)ki

dB=FdB

F(S/N)be

Ta=290K

Pzajbe=kBTa=-120dBm

B=200kHz

(S/N)ki

Sens[dBm]=(S/N)ki,refdB+FdB -120dBm

Terjedési modellek (2)

• COST-231 Walfisch-Ikegami modell (3GPP TR 43.030)• Félempirikus modell

– Diffrakciós elméleti modellekből indul ki– Az elméleti modellt mérési eredményekkel korrigálják

• Feltételezések– Szabályos épületelrendezés (magasság, szélesség, orientáció, utcák

szélessége)– Sík domborzat

• Jelen dimenzionálásban 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

Antenna

• r, , gömbkoordináták

• S(r, , ) teljesítmény-sűrűség

• Pbe bemenő teljesítmény

hatásfok

• G(, ) teljesítmény-iránykarakterisztika

• G nyereség

• www.kathrein.de

,4

,,2G

r

PrS be

,max,GG

Tower Mounted Amplifier (TMA)

• UL összeköttetés erősítése

– Lf kiküszöbölése

– BTS érzékenység javítása• Vételi referencia pont

– TMA nélkül: BTS „előtt”– TMA-val: TMA „előtt”

G1 G2 G3

F1 F2 F3

…

...11

21

3

1

21

GG

F

G

FFF

Friis-formula:

G1 G2 G3

F1 F2 F3

…

...11

21

3

1

21

GG

F

G

FFF

Friis-formula:

TMA (2)

• TMA nélkül

• TMA-val– S/N javulás: 5.2 dB– Érzékenység javulása

(vételi referencia ponton): 1.2 dB

Gf=-4dB

Ff=-Gf=4dB

GBTS

S/N=10dB

S/N=6dB

FBTS=2dB

S/N=4dB

vételi referenciapont

F = 6dB

Gf=-4dB

Ff=-Gf=4dB

GBTS

S/N=10dB

S/N=6dB

FBTS=2dB

S/N=4dB

vételi referenciapont

F = 6dB

GTMA=12dB

FTMA=0.1dB

GBTS

FBTS=2

S/N=10dB

Gf=-4dBFf=4dB

S/N=9.9dB

S/N=9.5dB

Gf=-10dB

S/N=8dB

S/N=9.2dBS/N=7.1dB

vételi referenciapont

F = 0.8dB

GTMA=12dB

FTMA=0.1dB

GBTS

FBTS=2

S/N=10dB

Gf=-4dBFf=4dB

S/N=9.9dB

S/N=9.5dB

Gf=-10dB

S/N=8dB

S/N=9.2dBS/N=7.1dB

vételi referenciapont

F = 0.8dB

L csillapítású kábel zajtényezője:

0

)1(1T

TLF

Power Budgets• Downlink Budget

– TMA nélkül: PinMS = PoutBTS-Lf+Ga-Lpath

– TMA-val: PinMS = PoutBTS-Lf-LTMA+Ga-Lpath

• Uplink Budget

– TMA nélkül: PinBTS = PoutMS-Lpath+Ga+(Gdiv)-Lf

– TMA-val: PinBTS = PoutMS-Lpath+Ga+(Gdiv)

BTS MS

Lf

Ga

PoutBTS

PoutMS

Lpath

BTS vételi referenciapont

BTSBTS MS

Lf

Ga

PoutBTS

PoutMS

Lpath

BTS vételi referenciapont

BTS

MS

Lf

Ga

PoutBTS

PoutMSLpath

TMALTMA

(Gdiv)

BTS vételi referenciapontBTS

MS

Lf

Ga

PoutBTS

PoutMSLpath

TMATMALTMA

(Gdiv)

BTS vételi referenciapont

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

– TMA-val:

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

• Felhasználás

– 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

Cellaterület

• Körsugárzó állomás • Szektorizált állomás

R

R

2

2

33 RA 2

8

39 RA

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%

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)• További bemenő adatok

– 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 mintafeladat (Budapest)

• 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)sűrű városi városi külvárosi vidékies

TMA nélkül TMA-val TMA nélkül TMA-val TMA nélkül TMA-val TMA nélkül TMA-val

PoutMS 33 dBm 33 dBm 33 dBm 33 dBm 33 dBm 33 dBm 33 dBm 33 dBm

Gdiv 3.5 dB 3.5 dB 3.5 dB 3.5 dB 3.5 dB 3.5 dB 3.5 dB 3.5 dB

Lf - 2.1 dB - 2.45 dB - 2.8 dB - 3.15 dB

LTMA - 0.3 dB - 0.3 dB - 0.3 dB - 0.3 dB

BTSsens -110 dBm -111.5 dBm -110 dBm -111.5 dBm -110 dBm -111.5 dBm -110 dBm -111.5 dBm

MSsens -104 dBm -104 dBm -104 dBm -104 dBm -104 dBm -104 dBm -104 dBm -104 dBm

PoutbalBTS 42.5 dBm 46.4 dBm 42.5 dBm 46.8 dBm 42.5 dBm 47.1 dBm 42.5 dBm 47.5 dBm

PoutmaxBTS 45.5 dBm 45.5 dBm 45.5 dBm 45.5 dBm 45.5 dBm 45.5 dBm 45.5 dBm 45.5 dBm

PoutBTS 42.5 dBm 45.5 dBm 42.5 dBm 45.5 dBm 42.5 dBm 45.5 dBm 42.5 dBm 45.5 dBmsűrű városi városi külvárosi vidékies

MSsens -104 dBm -104 dBm -104 dBm -104 dBm

IFmarg 2 dB 2 dB 2 dB 2 dB

RFmarg 3 dB 3 dB 3 dB 3 dB

LNFmarg 9.9 8.4 6.8 0.5

BPL 25 dB 23 dB 17 dB -

CPL - - - 6 dB

BL 5 dB 5 dB 5 dB 5 dB

SSdesign -59.1 dBm -62.6 dBm -70.2 dBm -87.5 dBm

Tervezési mintafeladat (megoldás)

sűrű városi városi külvárosi vidékies

TMA nélkül TMA-val TMA nélkül TMA-val TMA nélkül TMA-val TMA nélkül TMA-val

PoutBTS 42.5 dBm 45.5 dBm 42.5 dBm 45.5 dBm 42.5 dBm 45.5 dBm 42.5 dBm 45.5 dBm

Lf 2.1 dB 2.1 dB 2.45 dB 2.45 dB 2.8 dB 2.8 dB 3.15 dB 3.15 dB

LTMA - 0.3 dB - 0.3 dB - 0.3 dB - 0.3 dB

Ga 16.5 dBi 16.5 dBi 16.5 dBi 16.5 dBi 16.5 dBi 16.5 dBi 16.5 dBi 16.5 dBi

SSdesign -59.1 dBm -59.1 dBm -62.6 dBm -62.6 dBm -70.2 dBm -70.2 dBm -87.5 dBm -87.5 dBm

Lpathmax 116 dB 118.7 dB 119.2 dB 121.9 dB 126.4 dB 129.1 dB 143.4 dB 146.4 dB

AOH 146.8 dB 146.8 dB 146.8 dB 146.8 dB 136.9 dB 136.9 dB 123.3 dB 123.3 dB

Hb 25 m 25 m 30 m 30 m 30 m 30 m 35 m 35 m

ROH 0.477 km 0.568 km 0.623 km 0.743 km 1.91 km 2.28 km 15.5 km 18.5 km

RWI 0.515 km 0.607 km 0.785 km 0.924 km - - - -

R 0.515 km 0.607 km 0.785 km 0.924 km 1.91 km 2.28 km 15.5 km 18.5 km

Asite 0.517 km2 0.717 km2 1.2 km2 1.66 km2 7.12 km2 10.1 km2 467 km2 667 km2

A 13 km2 13 km2 150 km2 150 km2 205 km2 205 km2 157 km2 157 km2

Nsite 26 19 125 91 29 21 1 1

Asite’ 0.5 km2 0.684 km2 1.2 km2 1.65 km2 7.07 km2 9.76 km2 157 km2 157 km2

Tervezési mintafeladat (megoldás)

sűrű városi városi külvárosi vidékies

TMA nélkül

TMA-val TMA nélkül

TMA-val TMA nélkül

TMA-val TMA nélkül

TMA-val

Asite’ 0.5 km2 0.684 km2 1.2 km2 1.65 km2 7.07 km2 9.76 km2 157 km2 157 km2

densitysubsc. 1396 s/km2

1396 s./km2 319 s./km2

319 s./km2

160 s./km2

160 s./km2

8 s./km2 8 s./km2

trafficsubsc. 15 mE/s. 15 mE/s. 15 mE/s. 15 mE/s. 15 mE/s. 15 mE/s. 15 mE/s. 15 mE/s.

trafficsite 10.44 E 14.33 E 5.74 E 7.89 E 16.97 E 23.43 E 18.84 E 18.84 E

trafficcell 3.49 E 4.78 E 1.91 E 2.63 E 5.66 E 7.81 E 6.28 E 6.28 E

NTRX,site 6 6 6 6 6 6 6 6

NTRX,cell 2 2 2 2 2 2 2 2

NTCH,cell 15 15 15 15 15 15 15 15

GoS 2 % 2 % 2 % 2 % 2 % 2 % 2 % 2 %

capacitycell 9.01 E 9.01 E 9.01 E 9.01 E 9.01 E 9.01 E 9.01 E 9.01 E

Kapacitás elegendő?

IGEN IGEN IGEN IGEN IGEN IGEN IGEN IGEN