Две задачи по сетям umts 900 Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Две задачи по сетям UMTS-900

Ключевые слова:

uMrs-9aa, gsm-9qq,

электромагнитная совместимость, частотное планирование

Рассмотрены две практические задачи, решение которых может быть полезным для планирования сетей UMTS-900. Первая задача касается условий сохранения энергетики сети UMTS, эквивалентной по помеховому воздействию на систему РСБН со стороны заменяемого фрагмента сети GSM. Предложенная методика решения этой задачи носит общий характер и может быть использована и по отношению к другим РЭС в диапазонах частот 900/ 1800 МГц. Решение второй задачи имеет целью определить размер разделительной зоны между фрагментом локальной сети UMTS-900 и общей сетью GSM-900, в которых используется общий частотный ресурс.

Скрынников В.Г.,

к.т.н., независимый эксперт, руководитель Рабочей группы по ЭМС отделения ИТТ РАЕН

Ранее были опубликованы результаты исследований по совмещению сетей UMTS и GSM в диапазоне частот 900 МГц [1,2]. На этапе создания совмещенных сетей GSM/UMTS возникла необходимость решить две задачи прикладного характера:

1. Оценить условия энергетической эквивалентности создаваемой сети UMTS-900 и заменяемого ею фрагмента сети GSM в полосе частот шириной 5 МГц. Решение этой задачи позволит сохранить и не превысить энергетику реально функционировавшего фрагмента сети GSM в полосе частот, выделенной для сети UMTS. Это в свою очередь обеспечит условия ЭМС сети UMTS с системой РСБН, которые ранее были определены для сети GSM.

Актуальность такой задачи обусловлена несколькими факторами. Во-первых, условия ЭМС сети GSM с РЭС другого применения уже определены и апробированы в действующей сети. Во-вторых, применяемые методики оценки ЭМС для сетей GSM в настоящее время доведены до некоторого совершенства в результате уточнения их в ходе летных испытаний. Аналогичные методики для UMTS довольно сложны и сегодня практически отсутствуют [5].

Базовой основой для постановки такой задачи является следующий очевидный факт. Если частотный канал GSM являлся помеховым для РСБН, то мощность помехи, которая будет создаваться передатчиком UMTS в полосе этого канала, будет меньше примерно в 25 раз (на 14 дБ), и следовательно, количество помехо-вых передатчиков UMTS на этой частоте может быть во столько же раз больше.

2. Определить условия, при которых можно

Рис.1. Общий сценарий к задаче 1

"развязать" по ЭМС построенный фрагмент сети UMTS (в составе совмещенной сети UMTS/GSM) и действующую сеть GSM, которая функционирует территориально за пределами совмещенной сети GSM/UMTS в общей полосе частот. Решение такой задачи позволит определить некоторую разделительную зону между указанными сетями и исключить их взаимное влияние.

В статье рассмотрены подходы к решению отмеченных задач и приведены результаты их решения.

Задача 1

Исходные условия. Как было отмечено в

[1], для UMTS достаточно выделить частотный ресурс сети GSM в виде непрерывной полосы шириной 5,4 МГц с учетом защитных частотных интервалов. При этом в активную полосу шириной 5 МГц попадает максимально 13 активных частотных каналов GSM, поскольку в одной локальной области частотные каналы в сети GSM назначаются с интервалом Df, равным 0,4 МГц. На рис. 1 эти каналы обозначены f1, f2,...,f13 и составляют часть общей полосы (f1-f25), выделенной для UMTS на скоординированных (совмещенных) площадках.

В табл. 1 приведены технические характеристики РЭС, которые были использованы при решении задачи.

Таблица 1

Технические характеристики PЭC

Параметры UMTS GSM

Ширина канала 5 МГц 0,2 МГц

Эффективная полоса 3,84 МГц 0,2 МГц

Мощность излучения 20 Вт 13 дБ Вт (БС) 20 Вт 13 дБ Вт (БС)

Эквивалентная мощность излучения в полосе 5 МГц 2(1 lii 13 дБ Вт (БС) 13x20 Вт 24 дБ Вт (БС)

РИс 2. Cпэк^pальныэ плотности мощности излучения BC GSM и UMTS

Поскольку характер энергетических спектров сигнала у рассматриваемых систем различен, целесообразно сравнивать энергетику на уровне спектральных плотностей мощности излучения базовых станций ^C) GSM и UMTS. ^отношение этих плотностей показано на рис. 2, где Df pэc — полоса пропускания приемника PЭC — потенциального рецептора помех, т.е. ширина частотного канала РЭС Для диапазона частот 900 MRj в качестве такого PЭC может рассматриваться система воздушной радионавигации и посадки (PCБH).

Решение задачи. Аналитические выражения, описывающие указанные спектральные плотности, приведены ниже:

— средняя суммарная спектральная плотность мощности излучения передатчиков БC GSM в полосе частот Df pэc

Scp (°/РЭС) GSM = S( fi GSM, mf = (^Dfp3C &

mf i.1 °>fGSM S

[x] — целая часть числа;

PTXSGSM _ PTXGSM(1 - biGSMl ПTXGsM f) ;

— суммарная спектральная плотность мощности излучения передатчиков БС иМТБ равномерна по всей полосе рЭС ввицу псевдо-шумового характера сигнала и равна

Ss РЭС )u.

TxSUMTS _ TxUMTS DfUMTS

(1 bUMTS)

DfUM

" nTxUMTS NUMTS, DUMTS * D/РЭС

(2)

d/gs

D/gS

Scp Ф/рэс)gsm _

(1 - biGSM) nTXGsM f )

DfGSM

(1)

где PTxS GSM, PTxS UMTS — суммарные мощности передатчиков БC GSM и UMTS соответственно; N umts — количество площадок, на которых планируется установка передатчиков UMTS; nTx umts — количество передатчиков на площадке UMTS; n^ gsm f — количество передатчиков GSM, создававших помехи PCБH на одной повторяемой частоте f, i = l...mf; m f — количество частот в полосе Dfpэc, на которых создавались помехи PCБH от передатчиков GSM; biGSM = DPTхGSM/PTxGSM, 0<biGSM<1, — степень ранее введенного ограничения мощности передатчиков GSM на частоте fi по условиям ЭMC с РОБ^ buMTs =

= D PTxUMTS/PTxUMTS, 0<bUMTS<1, — степень во)з-можного ограничения мощности передатчиков

UMTS по условиям ЭMC с PCБH.

Оценим степень увеличения мощности потенциальной помехи от сети UMTS в полосе частот, равной Dfpэc = DfGSM x mf, в виде следующего отношения

h =

S (D/rac) Ss Ф/рэс)umts D/.рэс

PS пом GSM Ф/'рЭС ) Scp( Df РЭС) GSM Df РЭС

PTx

1 TxUMTS

DfUM

(1 bUMTS) nTxUMTS NU

mf P

TXGSM i=1 DGSM

TxUMTS

^ (1 bUMTS)

D/g

D/u

Nu

(1 biGSM)

где РБ пом GSM (D^J, РБ пом UMTS ^РэС суммарная мощность помех от сетей GSM и

UMTS в полосе Df^ соответственно.

Очевидно, что условием сохранения ЭМС по критерию энергетической эквивалентности является соотношение вида h<1, в соответствии с которым суммарная мощность помехи от сети UMTS в полосе частот Df^ не превышает эквивалентную мощность помехи, ранее создаваемой для РСБН сетью GSM в этой полосе, т.е.

DfGSM

(1 - bUMTS)

^fUms

Nr,

(1 biGSM) nTXGSM (П

i=1

■ £ 1.

(4)

Причем, если помеховое влияние сети GSM оказывалось по нескольким частотно-кодовым каналам (ЧКК) PCБH, то достаточно оценить условие энергетической эквивалентности по одному ЧКК с наибольшим уровнем поме-хового воздействия.

Заметим, что входящий в (4) параметр n^sM^) характеризует количество передатчиков GSM, излучающих на одной помеховой частоте f. По условиям повторного использования радиочастот в сети GSM каждый из этих передатчиков находится на одной из площадок, входящих в состав отдельного кластера. C^e^-вательно, количество передатчиков GSM с повторяемой частотой fi будет зависеть от общего количества площадок GSM (Ngsm) и коэффициента повторного использования частот в сети (К). C учетом этого при совмещенных площадках, когда Ngsm = Numts, имеем

TxGSM'Ji

(/) _ NGSM _ NUMTS

(З)

Однако, на практике могут встретиться ситуации, когда частота ^ может быть помеховой не во всех кластерах из-за того, что разные кластеры в сети по-разному удалены от РЭС — рецептора помех. В этом случае для каждой поме-

1

(1 biGSM) nTxGSM( Ji)

m

m

i_1

ховой частоты ^ могут быть разные значения коэффициента К, поэтому в выражении (5) использованы парциальные коэффициенты с индексом I (К)

Следовательно,

d/gsm

DUMTS

— (1 -biGSM)/ Ki

m

(6)

Полученное условие (6) позволяет оценить допустимое количество передатчиков UMTS (nTxUMTS) на одной площадке, при котором не будет нарушена энергетическая эквивалентность

D/m

TxUMTS

P

(1 bUMTS) DGSM t_ 1 DfUM

S (1 - bUMTS ) D/рэ

(1 -biGSM)/K, =

nf i = 0

(1 -biGSM )/K,.

(7)

TxGSM и PTxHMTS

передатчиков (P-ЭИИM при разных коэффициентах усиления и диаграммах направленности используемых и планируемых типов антенн.

^отношение (7) можно привести к частному виду, соответствующему реальному случаю, когда

— полные мощности передатчиков БC

UMTS и GSM равны (ртх umts = PTX gsm);

— ширина частотного канала UMTS равна З MГц (DfHMTS = З MГц);

— ширина частотно-кодового канала PCБH равна 0,7 MRj (Dfpэc = 0,7 MRj;

— все передатчики на каждой помеховой частоте fi имеют одинаковые

ограничения по мощности (К = К, bi gsm = = bGSM).

Проведя несложные преобразования (7), получим

Энергетическая эквивалентность при ограничении мощдасти TxGSM (Вумг5=0)

Огрвничение МОЩНОСТИ ПОМ5ХОВЫХ Тх GSM, %

-к=3.

-К-4 ■

'К-7

Рис З. Результаты оценки допустимого количества передатчиков HMTS на одной площадке

(1 - bGSM)

Соотношение (7) позволяет определить условие, при котором сохраняется энергетическая эквивалентность сети GSM в полосе частот шириной 5 МГц, выделенной для создания фрагмента сети UMTS. Это соотношение является универсальным и может быть использовано по отношению к другим РЭС при выборе соответствующего значения Dfpэc. Например, его можно использовать при оценке условий энергетической эквивалентности по отношении к РЭС фиксированной службы в диапазоне частот 1800 МГц.

Следует заметить, что при расчетах в соответствии с (7) в качестве исходных параметров могут быть использованы не только мощности

), но и значения

= 21,42

£ 7,17

K

(1 - bGSM)

K (1 - bUMTS)

(1 bUMTS)

(8)

На рис. 3 приведены результаты расчета по формуле (8) для различных сценариев.

Эти результаты позволяют оценить и гибко спланировать для конкретных условий возможную архитектуру создаваемой радиосети UMTS. К примеру, если для каких-то условий допустимое количество передатчиков на площадке UMTS окажется недостаточным, то увеличить это количество можно за счет некоторого уменьшения мощности излучения этих передатчиков, сохраняя таким образом энергетиче-

скую эквивалентность. При этом необходимо предварительно оценить эквивалентность пропускной способности ячейки UMTS [3]. Для примера на рис. 4 приведена зависимость требуемого ограничения мощности передатчиков UMTS от степени ранее введенного ограничения мощности передатчиков GSM. Эта зависимость получена для K = 7, как наиболее худшего случая, и для минимально необходимого количества передатчиков UMTS в 3-секторной

соте, т.е. ДДя nTx umts = 3.

В заключение следует заметить, что зачастую логика подходов к решению подобных задач на инженерном, а тем более на менеджерском (административном) уровне, не всегда позволяет найти решения, полученные на основе теории. Так, полученное в статье решение,

Условие сохранения энергетической эквивалентности при ограничении мощности Тх GSM

(К=7, Требуемое Пп UIITS—3)

100

р

МП

_>

І* 80

S

J— о 70

Г

1 60

1 * 50

4 40

г

CL ЗП

О

Ц 20

о

>~ ю 1П

а>

Ь 0

.■

■ У

■

.

10 20 30 4 0 50 60 70 80

Ограничение мощности ломеховых Тх GSM, %

90

Рис. 4. Выполнение условия энергетической эквивалентности за счет ограничения мощности передатчиков UMTS

£

n

n

на первый взгляд, может вызвать ряд сомнений. К примеру, почему не следует оценивать энергетическую эквивалентность на других помехо-вых частотах j отличных от f (j / i), почему для частного случая (8), когда все передатчики на каждой помеховой частоте GSM fi (i=1...mf) имеют одинаковые ограничения, энергетическая эквивалентность определяется лишь значением этого ограничения и количество помехо-вых передатчиков в явном виде не учитывается, и наконец, почему энергетическая эквивалентность (6) не зависит в явном виде от большого количества передатчиков UMTS в сети. Поэтому для понимания (7) рассмотрим на примере решение задачи для наиболее общего случая.

Пусть наибольшему помеховому воздействию со стороны сети GSM подвергается k-й частотно-кодовый канал РСБН, количество помеховых частотных каналов GSM равно mf = Dfpэc/DfGsм= 0,7/0,2 = 3. При этом на частоте f] ограничения мощности излучения передатчиков GSM составляет 25% (b^sM = 0,25), на f2 — 60% (b2GSM = 0,6), на f3 — 95% (b3GSM = 0,95). Коэффициенты повторения частот f1 и f2 равны K, = K2 = 3. Количество передатчиков GSM с частотой f3 и большими ограничениями мощности равно 10 при общем количестве площадок (БС) в сети, равном 300, т.е. парциальный коэффициент повтора равен К3 = 300/10 = 30.

Найти в соответствии с (7) допустимое количество передатчиков UMTS на каждой пло-

щадке. Mощности передатчиков GSM и UMTS равны, антенны по типу и азимуту излучения идентичны.

nTxUMTS £ —1-----------------------------г 7,14 [С1 -0,25)/3 +

(1 - bUMTS)

+(1 - 0,6)/3 + (1 -0,9)/30] =

7,14

(1 - bUMTS)

(0,75 0,4 0,05) 2,73

3 3 30 (1 - bUMTs)

(9)

Полученный результат свидетельствует о том, что без введения ограничений по мощности передатчиков UMTS (buMTs = 0) допустимое их количество на каждой площадке равно двум.

При необходимости увеличения количества передатчиков UMTS на площадке необходимо ввести ограничения по мощности их излучения для сохранения энергетической эквивалентности.

Оценим эти ограничения (buMTs) для количества передатчиков UMTS, равного трем. Нетрудно рассчитать значение параметра buMTs в выражении (9) при n^MTS = 3. Результат такого расчета равен 9%, т.е. при размещении 3 передатчиков на каждой площадке необходимо ограничить мощность излучения каждого из них, как минимум, на 9%.

При этих условиях мощность излучения передатчиков должна составлять не более 18,2 Вт (при полной мощности 20 Вт).

Задача 2

Исходные условия. Суть задачи проиллюстрирована на рис. 5 и состоит в следующем. При наличии локальной совмещенной сети GSM-900/UMTS-900 существуют 3 фрагмента с разным частотным ресурсом:

— сеть UMTS с частотным ресурсом ^mts'

— сеть GSM в составе совмещенной сети с частотным ресурсом fGSM'

— общая сеть GSM за пределами совмещенной сети (ранее существовавшая) с общим частотным ресурсом f = fuMTS + fGSM.

При строительстве такой гибридной сети необходимо исключить взаимное влияние совмещенной и общей сетей в полосе совместно используемого частотного ресурса. При этом взаимное влияние сетей GSM может быть устранено традиционным методом частотного планирования с повторным использованием частот и, следовательно, территориальный разнос радиосредств указанных сетей не требуется. Взаимное влияние сети UMTS и обшей сети GSM может быть устранено лишь за счет территориального разноса их радиосредств. Величина такого разноса и будет соответствовать размеру разделительной зоны.

Как было показано в [1], в условиях совместного функционирования сетей GSM и UMTS наибольшее помеховое влияние оказывает сеть UMTS, а именно, существенное влияние на базовую станцию GSM оказывает большое количество абонентских терминалов UMTS.

Таким образом, необходимо найти взаимное удаление ближайших друг к другу сот в сети UMTS-900 и в общей сети GSM-900, в которых совместно используется частотный ресурс fuMTS. При этом важно отметить два обстоятельства. Во-первых, под удалением сот понимается расстояние D между их центрами, т.е. местами расположения базовых станций (рис. 6). Такое определение удобно использовать при планировании сетей. Во-вторых, для оценки же степени влияния сетей используется удаление d ближайших базовых станций на границе общей сети GSM-900 от абонентских терминалов на границе сети UMTS-900, которые находятся на краю зоны обслуживания сот с радиусом г.

Решение задачи. C учетом отмеченного, запишем

D = d + r.

(10)

Рис. б. Общий сценарий к задаче 2

В табл. 2 приведены результаты статистического моделирования с учетом соотношения (10).

Рис. 6. Разделительная зона

Размер разделительной зоны

Таблица 2

Кол-во АТ UMTS г, км (Г, км Вероятность влияния І), км

2,5 5 6-10'5 7,5

2,5 7,5 4,5'10‘ 10

2.5 7,5 6Ч05 10

2,5 10 5,310 12,5

30 2,5 7,5 N.4 ЇМ 10

2,5 10 6,4’ 10'* 12,5

2,5 7.5 1-Ю'1 10

2,5 10 7,4'10“ 12,5

Как видно из таблицы, вероятность помехо-вого влияния в значительной степени зависит от количества активных абонентских терминалов (АТ) в сети UMTS. Такая зависимость для территориального разноса сот D = 10 км приведена на рис. 7.

Далее из таблицы следует, что для реальной сети UMTS с 30.50 активными абонентскими терминалами допустимая вероятность помехового влияния на уровне 10-2 может быть обеспечена при территориальном разносе ближайших друг к другу сот разделяемых сетей, равном 10.12,5 км. На рис. 8 в качестве примера приведен фрагмент сети с разделительной зоной размером 10 км.

Заключение

Решение поставленных в статье задач дает методологию и позволяет оценить при планировании сетей UMTS-900 допустимое количество передатчиков в сети на одной площадке, а также определить размер разделительной зоны, которая необходима для исключения помехового влияния сети UMTS на общую сеть GSM в совместной полосе частот.

Рис. 7. Зависимость вероятности помехового влияния от количества АТ в сети UMTS

Рис. 8. Cтpyктypа сети с разделяемой зоной

Литература

1. В.Г. Скрынников. Оценка условий ЭМС в совмещенных сетях GSM/UMTS. — Мобильные Телекоммуникации, 2008. — № 10.

2. В.Г. Скрынников. Повышение эффективности использования радиочастотного ресурса в сетях GSM/UMTS в диапазонах частот 900 МГц и 1800 М1ц. — Мобильные Телекоммуникации, 2009. — №1.

3. В.Г. Скрынников. Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA. — Электросвязь, 2009. — №3

4. В.Г. Скрынников. Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA при статическом распределении мощности базовой станции. — Мобильные Телекоммуникации, 2008. — №8.

5. В.Г. Скрынников. Оценка условий ЭМС при учете особенностей радиоинтерфейса системы UMTS. — T-Comm, 2008. — №2.