Takács György Hegyi Barnabás előadásának felhasználásával GSM hálózat tervezése Takács György Hegyi Barnabás előadásának felhasználásával 2013. okt.15.

GSM network planning cases A – Planning new networks. First task is to provide radio coverage according to the geographic areas of service contract with minimal cost considering the further developments.. B – Planning upgrades of existing networks. Main tasks are serving the actual traffic and long run planning of frequency C – Planning for introduction of new technologies services and applications. E. G. Internet access via mobile networks, DVB-H, WHG (Wireless Home Gateway). 2013. okt.15.

Similarities and differences in A, B, C cases The radio wave propagation has just the same rules Available frequencies are limited The best places for BTS are already consumed Traffic is growing Techologies are changed very quickly People hate big antenna structures Radio interferences are increased People like small and beauty things Text books discusse mostly case A only We have globally about 5 billion mobile users. This needs the extended B case planning! The Case C planning need absolute new approach due to the very low cell size and the handover and roaming in between different networks. The reusing the same frequency within 100 m needs new interference planning philosophy 2013. okt.15.

A GSM rádiós hálózat tervezésének folyamata A típusú szemléletben 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) 2013. okt.15.

Input definition Figures of the service areas Area type (urban, suburban, rural, roads) Area size[km2] Traffic figures Traffic figures of subscribers [mE/előfiz.] Subscriber density [előfiz./km2] Grade of service - GoS [%] Coverage area probability - CAP) [%] Coverige type (indoor, outdoor, car) 2013. okt.15.

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) 2013. okt.15.

3GPP TR 43.030 V7.0.0 (2007-08) Technical Specification 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group GSM/EDGE Radio Access Network; Radio network planning aspects (Release 7) The present document has been developed within the 3rd Generation Partnership Project (3GPP TM) and may be further elaborated for the purposes of 3GPP. The present document has not been subject to any approval process by the 3GPP Organizational Partners and shall not be implemented. This Specification is provided for future development work within 3GPP only. The Organizational Partners accept no liability for any use of this Specification. Specifications and reports for implementation of the 3GPP TM system should be obtained via the 3GPP Organizational Partners' Publications Offices. 2013. okt.15.

Location probability Location probability is a quality criterion for cell coverage. Due to shadowing and fading a cell edge is defined by adding margins so that the minimum service quality is fulfilled with a certain probability. For car mobile traffic a usual measure is 90 % area coverage per cell, taking into account the minimum signal‑to‑noise ratio Ec/No under multipath fading conditions. For lognormal shadowing an area coverage can be translated into a location probability on cell edge For the normal case of urban propagation with a standard deviation of 7 dB and a distance exponential of 3.5, 90 % area coverage corresponds to about 75 % location probability at the cell edge. Furthermore, the lognormal shadow margin in this case will be 5 dB. 2013. okt.15.

Ec/No threshold The mobile radio channel is characterized by wideband multipath propagation effects such as delay spread and Doppler shift as defined in 3GPP TS 45.005 annex C. The reference signal to noise ratio in the modulating bit rate bandwidth (271 kHz) is Ec/No = 8 dB including 2 dB implementation margin for the GSM system at the minimum service quality without interference. The Ec/No quality threshold is different for various logical channels and propagation conditions as described in 3GPP TS 45.005. 2013. okt.15.

Lehetséges megoldások alkalmazása és kapcsolódó paraméterek 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] 2013. okt.15.

Bemenetre redukált zajhőmérséklet és zajtényező Pzaj,saját GkTB + Pzaj,saját 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 kTB G G Gk(T+Tred)B k(T+Tred)B G 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) 2013. okt.15.

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 2013. okt.15.

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 A szabvány (3GPP TS 45.005) által definiált érzékenység TU3 és TU50 csatorna közül, csak az utóbbi esetén biztosít elfogadható beszédminőséget, ezért bevezetjük a Rayleigh-fading tartalékot, ami RFmarg = 3dB 2013. okt.15.

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 2013. okt.15.

CAP és lognormál fading tartalék Annak a valószínűsége, hogy egy adott helyen a lognormál fading okozta csillapítás nem nagyobb, mint 0 dB = 50% Hogy a területi lefedettségi valószínűséget (CAP) 50%-nál nagyobbra növeljük, bevezetjük a lognormál fading tartalékot Adott CAP és sLNF-hez az ún. Jakes’ formulából illetve kifinomultabb szimulációkból határozható meg LNFmarg LNFmarg[dB] CAP=90% CAP=95% sLNF = 6dB 0.5 3.0 sLNF = 8dB 1.8 4.9 sLNF = 10dB 3.2 6.8 sLNF = 12dB 4.2 8.4 sLNF = 14dB 5.1 9.9 2013. okt.15.

Terjedési modellek Okomura-Hata model (3GPP TR 43.030) Empirikus modell Okomura és társai Tokió környékén végzett mérések alapján mérési görbeseregeket vettek fel Hata egyenletet illesztett a Okomura mérési görbéire 900 MHz-en Lpath=A-13.82*log(Hb)-a(Hm)+[44.9-6.55*log(Hb)]*log(d) Hb a BTS antennamagassága [m] Hm az MS antennamagassága [m] d a bázisállomástól való távolság [km] a(Hm)=3.2*[log(11.75*Hm)]2-4.97 nagyvárosban (a(Hm=1.5m=0dB) A értéke Sűrű városi és városi környezetben: 146.8 dB Külvárosi környezetben: 136.9 dB Vidékies környezetben: 123.3 dB Teljesen nyílt terepen/környezetben: 118.3 dB 2013. okt.15.

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 2013. okt.15.

Vételi diversity Diversity Térdiversity Polarizációs diversity Cél: többutas fading csökkentése Eszköz: MLE (maximum likelihood becslés) Hatékonysága a két antenna által vett jelek által elszenvedett fadingek korreláltságától függ Városi környezetben hatékonyabb, mint vidékiesben Jellemző nyereség: 3.5 – 4.5 dB Térdiversity Korrelálatlanságot az antennák különböző térbeli elhelyezésével érjük el Korrelálatlanság annál nagyobb, minél nagyobb a távolság (pl. GSM 900-on vízszintes szeparáció min.: 4m, ajánlott: 6m) Polarizációs diversity Korrelálatlanság különböző polarizációjú antennák alkalmazásával érjük el Vízszintesen polarizált hullámok gyengébben terjednek, mint a függőlegesen polarizáltak, adáskor extra veszteség (slant loss) léphet fel (max. 1dB) 2013. okt.15.

Antenna www.kathrein.de r, f, q gömbkoordináták S(r, f, q) teljesítmény-sűrűség Pbe bemenő teljesítmény m hatásfok G(f, q) teljesítmény-iránykarakterisztika G nyereség www.kathrein.de 2013. okt.15.

Tower Mounted Amplifier (TMA) UL összeköttetés erősítése Lf kiküszöbölése BTS érzékenység javítása Vételi referencia pont TMA nélkül: BTS „előtt” TMA-val: TMA „előtt” 2013. okt.15.

TMA (2) TMA nélkül TMA-val L csillapítású kábel zajtényezője: S/N javulás: 5.2 dB Érzékenység javulása (vételi referencia ponton): 1.2 dB 2013. okt.15.

Power Budgets Downlink Budget Uplink 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) 2013. okt.15.

Link Balance Cél Lefedettség: Számítás Felhasználás 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 2013. okt.15.

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 2013. okt.15.

Cellaterület Körsugárzó állomás Szektorizált állomás R R 2013. okt.15.

RF‑budgets The RF‑link between a Base Transceiver Station (BTS) and a Mobile Station (MS) including handheld is best described by an RF‑budget. Annex A consists of 7 such budgets; A.1 for GSM 900 MS class 4; A.2 for GSM 900 MS class 2, A.3 for DCS 1800 MS classes 1 and 2, A.4 for GSM 900 class 4 in small cells, A.5 for GSM 400 class 4 in small cells, A.6 for GSM 700 class 4 and A.7 for DCS 1800 MS class 1. GSM 900 RF-budgets should be used for 850 band. The Mean Effective Gain (MEG) of handheld MS in scattered field representing the cell range taking into consideration absorption, detuning and mismatch of the handheld antenna by the human body (MEG = -antenna/body loss) of -13 dBi for GSM 400, -10dBi for GSM 700, -9 dBi for GSM 900 and -6 dBi for DCS 1800 is incorporated in annex A.1, A.3, A.4 and A.5 as shown from measurements in Tdoc SMG2 1075/99. At 900 MHz, the indoor loss is the field strength decrease when moving into a house on the bottom floor on 1.5 m height from the street. The indoor loss near windows ( < 1 m) is typically 12 dB. However, the building loss has been measured by the Finnish PTT to vary between 37 dB and ‑8 dB with an average of 18 dB taken over all floors and buildings (Kajamaa, 1985). See also CCIR Report 567. 2013. okt.15.

RF‑budgets (2) At 1800 MHz, the indoor loss for large concrete buildings was reported in COST 231 TD(90)117 and values in the range 12 ‑ 17 dB were measured. Since these buildings are typical of urban areas a value of 15 dB is assumed in annex A.3. In rural areas the buildings tend to be smaller and a 10 dB indoor loss is assumed. The isotropic power is defined as the RMS value at the terminal of an antenna with 0 dBi gain. A quarter‑wave monopole mounted on a suitable earth‑plane (car roof) without losses has antenna gain 2 dBi. An isotropic power of ‑113 dBm corresponds to a field strength of 23.5 dBuV/m for 925 MHz and 29.3 dBuV/m at 1795 MHz, see CEPT Recommendation T/R 25‑03 and 3GPP TS 45.005 section 5 for formulas. GSM900 BTS can be connected to the same feeders and antennas as analog 900 MHz BTS by diplexers with less than 0.5 dB loss. 2013. okt.15.

Power Budgets . Downlink Budget PinMS = PoutBTS-Lf-Ga-Lpath Uplink Budget PinBTS = PoutMS-Lpath+Ga+(Gdiv)-Lf 2013. okt.15.

Okumura-Hata modell a terjedési veszteség számolására 2013. okt.15.

Large cells In large cells the base station antenna is installed above the maximum height of the surrounding roof tops; the path loss is determined mainly by diffraction and scattering at roof tops in the vicinity of the mobile i.e. the main rays propagate above the roof tops; the cell radius is minimally 1 km and normally exceeds 3 km. Hata’s model and its extension up to 2000 MHz). The field strength on 1.5 m reference height outdoor for MS including handheld for urban areas (section 5.2). The cell range can also be calculated by putting the maximum allowed path loss between isotropic antennas. The example RF‑budget shown a GSM900 MS handheld output power 2 W yields about double the range outdoors compared with indoors. This means that if the cells are dimensioned for handhelds with indoor loss 10 dB, the outdoor coverage for MS will be interference limited. Still more extreme coverage can be found over open flat land of 12 km as compared with 3 km in urban areas outdoor to the same cell site. For GSM 900 the Max EIRP of 50 W matches MS class 2 of max peak output power 8 W, see annex A.2. An example RF budget for DCS 1800. Range predictions are given for 1 W and 250 mW DCS 1800 MS with BTS powers which balance the up‑ and down‑ links. 2013. okt.15.

2013. okt.15.

2013. okt.15.

Example of RF‑budget for GSM 900 MS handheld RF‑output peak power 2 W 2013. okt.15.

Example of RF‑budget for GSM 900 MS handheld RF‑output peak power 2 W 2013. okt.15.

Example of RF‑budget for GSM 900 MS handheld RF‑output peak power 2 W 2013. okt.15.

2013. okt.15.

2013. okt.15.

Small cells Width of the road, w = 20 m Height of building roof tops, Hroof = 15 m Height of base station antenna, Hb = 17 m Height of mobile station antenna, Hm = 1.5 m Road orientation to direct radio path, Phi = 90° Building separation, b = 40 m For GSM 900 the corresponding propagation loss is given by: Loss (dB) = 132.8 + 38log(d/km) For DCS 1800 the corresponding propagation loss is given by: Loss (dB) = 142,9 + 38log(d/km) for medium sized cities and suburban centres Loss (dB) = 145,3 + 38log(d/km) for metropolitan centres 2013. okt.15.

2013. okt.15.

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 2013. okt.15.

GSM system planning steps in case A 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) 2013. okt.15.

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 2013. okt.15.

New methods in the GSM system to improve frequency efficiency Frequency reusing Frequency hopping Multiple Reuse Pattern (MRP) Fractional Load Planning Synchronisation 2013. okt.15.

Frekvenciák újrafelhasználása Akkor optimális a frekvencia kiosztás, ha azonos frekvenciájú cellák szabályos háromszöges rácson helyezkednek el (D) A „nagy hatszögön belül minden frekvencia pontosan háromszor fordul elő K csak meghatározott alakú egészszám lehet! D jb R ia b a 2013. okt.15.

Azonos csatornás jel-interferencia viszony Körsugárzó állomások 6 legközelebbi zavaró állomás Példa: 12-es újrafelhasználás Szektorizált állomások 2 legközelebbi zavaró állomás Példa: 4/12-es újra felhasználás szektorizáció 2013. okt.15.

Frekvenciaugratás Frekvencia-szelektív (többutas) fading csökkentése Frekvencia-diversity Interferencia-átlagolás Egyenletesebb beszédminőség Szűkebb frekvencia újrafelhasználás lehetősége Interferencia-diversity Frekvenciaugratási gyakoriság: 1 TDMA keret = 4.165 ms 2013. okt.15.

Frekvenciaugratási megoldások Sythesized hopping TRX-ek és frekvenciák száma független Csak hybrid combiner alkalmazása lehetséges Szélessávú Kétbemenet (kaszkád kapcsolás lehet szükséges) Viszonylag nagy veszteség (3-3.5 dB) Baseband hopping Ahány TRX, pontosan annyi frekvencia Filter combiner alkalmazása lehetséges Hangolható, keskenysávú bemenetek Nagyszámú bemenet Kis veszteség 2013. okt.15.

Frekvencia ugratási szekvenciák HSN FNOFFSET MAIO (8 hopping frekvencia) 1 3 4 2 3 7 5 1 4 6 ... 4 2 3 7 5 1 4 6 ... 2 3 7 5 1 4 6 ... +1 (mod 8) HSN: Hopping Sequence Number FNOFFSET: Frame Number Offset MAIO: Mobile Allocation Index Offset MAI: Mobile Allocation Index Periódusidő kb. 6 perc Az azonos HSN-nel és FNOFFSET-tel ,de különböző MAIO-val bíró frekvencia ugratási szekvenciák (frequency hopping sequence - FHS) ütközési rátája zérus 2013. okt.15.

Multiple Reuse Pattern (MRP) Baseband hopping esetén alkalmazzuk A különböző TRX-hez különböző újrafelhasználás szerint allokálunk frekvenciát Az egyre nagyobb sorszámú TRX-ek esetén az újrafelhasználás egyre szűkebbé tehető, hiszen a kisebb újrafelhasználású frekvenciacsoportok frekvenciái viszonylag kevesebb ideig lesznek kint a levegőben (több frekvencián „ugrik” a cella) Feltételezhetően az egyre nagyobb TRX-számmal rendelkező cellákból viszonylag egyre kevesebb van Bővítés esetén újratervezésre van szükség TRX0 – 12-es újrafelhasználás TRX1 – 7-es újrafelhasználás TRX2 – 4-es újrafelhasználás 2013. okt.15.

Fractional Load Planning 1/1 Minden cellába ugyanazt az frekvencia ugratási (frekvencia)halmazt allokáljuk 1/3 Három frekvencia ugratási (frekvencia)halmazt hozunk létre és ezekből egy cellához pontosan egyet allokálunk 3-as újrafelhasználással 1/1 Előnyei Nem igényel különösebb frekvenciatervezést Jól alkalmazható egyenlőtlen forgalomeloszlást esetén Újabb TRX-ek beépítésekor nincs szükség frekvenciatervezésre Mikor előnyös alkalmazni 1/3: viszonylag keskeny frekvenciatartomány esetén 1/1: 7 MHz-nél keskenyebb frekvenciatartomány esetén A gyakorlatban 0.5-0.7-es fractional loadig terhelhetők a rendszerek 1/3 2013. okt.15.

A szinkronizáció fejlődése Cellaszinkron Állomásszinkron Klaszterszinkron Az azonos színű cellák nem zavarják egymást. Cellaszintű szintű szinkronizáció Azonos HSN és FNOFFSET cellán belül Cellaszintű MAIO tervezés Cellák közötti HSN tervezés Állomásszintű szinkronizáció Azonos HSN és FNOFFSET állomáson belül Állomásszintű MAIO tervezés Állomások közötti HSN tervezés Klaszterszintű szinkronizáció Azonos HSN és FNOFFSET klaszteren belül Klaszterszintű MAIO tervezés Kaszterek közötti HSN tervezés 2013. okt.15.