Laajennetun solukoon vaatimukset kolmannen sukupolven WCDMA-tukiasemalle

1
Laajennetun solukoon vaatimukset kolmannen
sukupolven WCDMA-tukiasemalle

• Tuomas Isomäki, 6.6.2006
• 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 0.1-20
  km riippuen olosuhteista
• Laajennetulla solukoolla tarkoitetaan solua,
  jonka säde on luokkaa 40-200km, 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) 1920-1980 MHz
• Uplink (UL) 2110-2170 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 G10log(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

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

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
• 3GPPn 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
  WCDMAan 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
  2/50,4W 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 -103.2 dBm h g 10 log (3840000)
Interference margin 3.0 dB i
Total effective noise interference -100.2 dBm j h i
Processing gain 25 dB k 10 log (3840/12,2)
Required Eb/N0 5.0 dB l
Receiver sensitivity -120.2 dBm m l k j
Antenna gain 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 0.0 dB s
Allowed propagation loss 150.2 dB 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 - 150 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

• 3GPPn 3G määritykset eivät salli laajaa
  solukokoa, sillä
• Round-Trip aika rajoitettu 2923 chip mittaiseksi
  -gt maksimisolukoko noin 60 kilometriä. 2923
  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.
Molemmissa ratkaisuissa on teknisesti mahdollista
päästä noin 200 km solusäteisiin.