Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA

В.Г. Скрынников,

ОАО "МТС"

В СТАТЬЕ ПРИВЕДЕНЫ ПОЛУЧЕННЫЕ СООТНОШЕНИЯ, ПОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЗАИМОСВЯЗЬ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАДИОИНТЕРФЕЙСА UMTS. НА ОСНОВЕ ЭТИХ СООТНОШЕНИЙ ПОКАЗАНО КОЛИЧЕСТВЕННО ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СЕТИ HSDPA, УЧЕТ КОТОРОГО ПРЕДСТАВЛЯЕТСЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНЫМ НА ЭТАПЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ И ПРИ ОЦЕНКЕ УСЛОВИЙ ЭМС

Долгожданный конкурс на лицензии 3G и нашумевшие события вокруг него закончились. Началась целенаправленная подготовка победителей конкурса к строительству сетей UMTS. В ходе этой подготовки бытуют различные мнения о подходах к планированию будущих сетей, включая и отождествление их с сетями GSM.

В свое время успех внедрения систем стандарта GSM был обусловлен как явными преимуществами цифровой технологии, так и сравнительной простотой планирования и оптимизации сетей, которые в конечном счете и обеспечили высокое качество обслуживания абонентов.

Российские операторы получили уникальную возможность внедрять при строительстве своих сетей более современные версии системы UMTS (Rel'5 и в последующем Rel'6, Rel'7), минуя первые версии (Rel'99 и Rel'4) стандартов 3GPP Прежде всего, это технология высокоскоростной передачи данных в направлении от базовой станции к абоненту HSDPA (High Speed Downlink Packet Access).

Радионтерфейс системы UMTS, основанный на принципе множественного доступа с кодовым разделением каналов, имеет целый ряд принципиальных отличий от радиоинтерфейса GSM. Однако для предварительного планирования радиосетей UMTS и оценки условий ЭМС важными, прежде всего, являются его энергетико-скоростные характеристики. Анализ показывает, что с этой точки зрения главной особенностью радиоинтерфейса UMTS является ярко выраженный динамический характер изменения энергетико-скоростных соотношений в радиосети со сбалансированным энергетическим ресурсом. Такое поведение радио-

интерфейса UMTS обусловлено наличием внутрисистемных помех от собственных пользователей сети. С одной стороны, уровень внутрисистемных помех зависит от степени загрузки ячейки сети, а с другой стороны, определяет размер зоны обслуживания, требуя дополнительного энергетического ресурса для компенсации этих помех. Нарушение установившегося энергетического баланса происходит при изменении абонентской нагрузки в ячейке (появление нового абонента) или изменении удаленности абонентов от базовой станции.

Описанные особенности радиоинтерфейса UMTS, несомненно, должны быть учтены на этапе предварительного планирования и в ходе строительства сетей. При этом представляется важным сформировать некую методологическую базу, которая позволила бы оценить предварительно ожидаемые показатели строящихся сетей UMTS как в интересах их планирования, так и для оценки электромагнитной совместимости РЭС UMTS с РЭС другого назначения.

В статье сделана попытка описать теоретически динамическое поведение радиоинтерфейса UMTS, а также рассмотрена методика оценки основных параметров радиосети UMTS/HSDPA на основе этого описания.

Энергетико-скоростные соотношения для радиоинтерфейса UMTS

За основу теоретических рассуждений было взято понятие коэффициента загрузки сети UMTS, описанное в [1,2]. Данный коэффициент позволяет количественно оценить уровень внутрисистемных помех в радиоканалах UMTS и, в конечном счете, задать для конкретных условий допустимую

загрузку сети. В рамках данного рассмотрения предлагается несколько отличное аналитическое представление коэффициента загрузки и дальнейшее развитие его понятия в интересах поставленной задачи.

Из теории известно, что требуемое качество предоставляемого сервиса (услуги), определяется отношением сигнал/шум на входе приемника. Для соответствующей услуги, предоставляемой /-му пользователю, отношение сигнал/шум в нисходящем канале ^) иМТБ определяется из условия:

(—) <

( N /■

(

I ( )

V ,

Р

Р I гЪо1к/ Г N ' _ . _

(Р.- Р]‘Ов!1] )

I а)

(1)

где (Еь/Ы0)(. — отношение энергии сигнала на бит к спектральной плотности шума на входе приемника /-го пользователя, потребное для обеспечения заданного качества услуги (например, для заданной вероятности ошибки бит);

р • РБЗ, • РМБ,

на,)

— мощность полезного сигнала на входе приемника /-го пользователя, определяется мощностью излучения базовой станции (ВБ) для этого пользователя Р., коэффициентами усиления антенн ВБ и мобильной станции (МБ) 0В51 и вщ соответственно, а также потерями на трассе распространения сигнала Цс/), зависящими от удаления С МБ от базовой станции; и(. — коэффициент активности /-го абонента (и = 0,67 — для речи с учетом 50%-й активности и дополнительных затрат на режим прерывистой речи РТХ, и = 1,0 — для передачи данных). В (1) данный параметр используется для усреднения мощности излучения ВБ на интервале передачи; Ор. = W/R, — выигрыш за счет расширения спектра сигнала, равный коэффициенту расширения БF, который указывает на количество ортогональных канальных кодов (W — скорость передачи чип, для иМТБ W= 3,84 Мчип/с, Я. — скорость передачи данных (бит) для /-го абонента, (зависит от вида услуги); а(. — коэффициент ортогональности кода /-го канала, зависит от многолучевости в канале (а = 0 сигналы ортогональны, 0<а<1 — сигналы "менее ортогональны", средний коэффициент ортогональности равен: 0,6 — для соединения с подвижным абонентом; 0,2 — для соединения с пешеходом); Р^ — мощность шума в приемнике МБ;

,=1

суммарная мощность излучения ВБ, тре-

буемая для N активных каналов (пользователей); Ро^1 — суммарные помехи от соседних ячеек сети иМТБ на входе приемника /-й МБ.

В практике определения условий ЭМС часто используют параметр ЭИИМ (эффективная изотропная излучаемая мощность), который включает в себя мощность излучения базовой станции на входе антенны и коэффициент ее усиления

ЭИИМ, = Рэ3 = Р,- Ощ..

(2)

Учитывая это и принимая во внимание тот факт, что коэффициент усиления антенны используемых сегодня МБ равен единице, выражение (1) запишем в следующем виде

РЭ

1

(—-) ■ < -(N <

------) ■ —

да,) V,

Рм

РЕо1к)

"чат,)'

(РЭ е-

■рэ■)

■о.

(3)

Далее для удобства учета потерь от соседних ячеек целесообразно ввести некоторый параметр /, характеризующий отношение суммарной мощности излучения всех ВБ соседних ячеек Реы^ при усредненных потерях на трассе распространения сигналов ЦсС^) к суммарной мощности излучения ВБ собственной ячейки на входе приемника /-го пользователя

Ре

Ео1к,

ь(а,)

Э (4)

а ■ Р е Щщ)

После несложных математических преобразований (3) с учетом (4) получим выражение для ЭИИМ ВБ в канале которая требуется для /-го пользователя, удаленного на расстоянии С и получающего услугу со скоростью передачи данных Я. и качеством, которое обеспечивается за счет отношения сигнал/шум (Eb/N0)■ на входе приемника

РЭ, > цад

рэе

Рм +а-—Е--(1 + г)

м цау ’

О„

+ а

(5)

Тогда суммарная ЭИММ базовой станции, требуемая для N пользовательских каналов, будет равна

РЭх = £РЭ, >

■=1

Ё ^ )■ ■=1

со

(—)■ • V

(6)

1 -^-

■=1 -

а(1 + г)

Со

(——) ■ ■ V ■

Полученное выражение определяет значение ЭИИМ базовой станции ВБ, необходимую для организации N пользовательских каналов с требуемым уровнем сигнала на входе приемника, с учетом энергетического запаса, необходимого для компенсации помех от соседних ячеек (параметр /) и компенсации потерь из-за неортогонально-сти кодов (параметр а). Но вместе с тем, требуемые уровни сигнала для пользовательских каналов, создаваемые суммарной ЭИИМ базовой станции рЭ, одновременно являются и внутрисистемными помехами на входе приемника /-го пользователя. Нетрудно видеть, что уровень этих помех зависит от таких параметров радиоканала, как требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника (Е/^) каждого пользователя и выигрыша по энергетике (вр) за счет расширения спектра сигнала, т. е. по сути, от характера предоставляемой услуги, а также от потерь ЦС) на трассе между ВБ (передатчиком) и МБ (приемником), т. е. от удаленности пользователей от базовой станции. Это в свою очередь вынуждает иметь в ресурсе радиоканала запас по энергетике, равный росту уровня внутрисистемных помех.

Как отмечалось ранее, количественно допустимый уровень внутрисистемных помех в радиоканалах иМТБ может быть определен по аналогии с [2] с помощью коэффициента загрузки ячейки сети Пр(., который равен сумме в знаменателе выражения (6) и задает требуемый запас по энергетике на компенсацию этих помех

■=1

а ■ (1 + г)

О,

- + а

(7)

■ VJ

Физически коэффициент Пр характеризует степень превышения теплового шума в приемнике внутрисистемными помехами, которое определяется как

Л1 = 1/(1 — V. (8)

С учетом этого, выражение (6) можно представить в следующем виде

1

■=1

- + а

■ Vj

(9)

График зависимости (8) показан на рис. 1.

Из полученных соотношений вытекает следующий важный факт — чтобы не получить "отрицательную" (с отрицательным знаком) мощность излучения ВБ (ЭИИМ), необходимо выполнить условие

О

О

+ а

Р

+ а

Рис. 2. Организация радиоканалов при HSDPA

(—) ■ ■

V ' '

которое после преобразования можно представить в следующем виде

1

1

(11)

ji Gpj +а «■(1 + О

(—) - v ■

WJ J

Условие (11) можно трактовать как ограничения, накладываемые на количество допустимых пользовательских каналов N в ячейке. Эти ограничения обусловлены необходимостью соблюдения баланса между требуемым энергетическим ресурсом для каналов с конкретными характеристиками и возникающими внутрисистемными помехами. Ниже будет показано использование данного условия для определения допустимого числа пользовательских каналов при HSDPA.

Полученные соотношения описывают динамический характер радиоинтерфейса UMTS и могут быть использованы для предварительной аналитической оценки количества возможных кодовых (пользовательских) каналов и суммарной пропускной способности ячейки при различных скоростях передачи данных в канале пользователя. Кроме того, они позволяют оценить радиус зоны охвата ячейки при заданной максимальной мощности передатчика базовой станции (или введенного параметра ЭИИМ) и заданных коэффициентах усиления передающей и приемной антенн, а также оценить изменение размера ячеек сети UMTS при ограничениях мощности излучения базовой станции по условиям ЭМС.

Оценка параметров сети HSDPA

Отметим главные особенности технологии HSDPA, которые имеют отношение к

рассматриваемому вопросу. К таким особенностям можно отнести:

• наличие специального нисходящего высокоскоростного канала HS-DSCH (High Speed Downlink Shared Channel) с мультико-довой передачей данных разных пользователей и динамическим перераспределением ресурсов между ними. Канал имеет общий фиксированный коэффициент расширения спектра сигнала, равный 16 (в наших обозначениях Gp = 16), что может обеспечить потенциально до 15 пользовательских каналов;

• постоянство мощности излучения базовой станции ввиду отсутствия ее динамической регулировки (в отличие от "обычного" WCDMA). Вместо быстрой регулировки мощности при HSDPA использованы адаптивная схема модуляции и кодирования и процедура быстрого запроса повторений пакетов передаваемых данных;

• отсутствие хэндовера и, следовательно, отсутствие энергетического выигрыша от него. Для пояснения следует кратко заметить, что MS осуществляет хэндовер параллельно по каналам DPCH (Physical Channel) в режиме "обычного" WCDMA;

• ограниченность доступных канальных кодов для организации необходимых служебных каналов высокоскоростного режима HS-SCCH (High Speed Shared Control Channel) и каналов DPCH. Данный аспект требует отдельного рассмотрения [4]. Поясним лишь организацию каналов при HSDPA примером на рис. 2 [3].

Последнее обстоятельство обуславливает особенность планирования и оценки параметров сети HSDPA. В отличие от "обычного" WCDMA (Rel'99 и Rel'4), где энергетический ресурс каналов DL макро-ячейки определяет допустимые потери на трассе распространения сигнала, т.е. зону охвата ячейки, при HSDPA данный ресурс определяет, главным образом, пропускную способность в пределах этой зоны. Это означает, что при

планировании сети HSDPA определяется максимальная зона охвата ячейки по восходящим каналам (Ш) DPCHJ.IL, а по ресурсу HSDPA — максимальная пропускная способность в ней [3].

Учитывая перечисленные особенности и используя полученные выше соотношения, определим ряд параметров ячейки HSDPA, которые являются наиболее значимыми на этапе предварительной оценки параметров сетей и определения условий ЭМС.

Считаем, что при HSDPA все N пользовательских каналов идентичны. На основании этого преобразуем базовые соотношения (9) и (11) к виду

рЭ >

j _

Pn

1 nDL

■ N ■ [L(dj) ■

1

+ а

16 (—) - v ■

(Nn J

N <-

16

(1 + i)

(12)

(13)

а

Nr

Как следует из (13), допустимое количество пользовательских каналов DL зависит обратно пропорционально от коэффициента ортогональности канальных кодов (снизить эту негативную зависимость можно применением алгоритмов многопользовательского детектирования), активности пользователей, требуемого отношения сигнал/шум и уровня влияния соседних ячеек (снизить это влияние можно за счет секторных или адаптивных антенн).

Максимально допустимое количество пользовательских каналов. Расчет по формуле (13) проведем для следующих значений исходных параметров: а = 0,6, / = 0,14 (для 3-х секторной антенны), £^/N0 = 6 дБ (для передачи данных в многолучевом канале подвижным пользователям со скоростью

Пропускная способность ячейки HSOPA. Мбит/с

лучения базовой станции Р^ следующим образом

Мэксимальная мощность базовой станции. Вт

Рис. 3. Зависимость пропускной способности ячейки НБйРА от мощности базовой станции

Пропускная способность ячейки КБ (ЭР А. Мбит/с

► 4 e— * ^ 4 V 4 "

0.8 1 1.5

Радиус ЇМЄЙКИ. км

Рис. 4. Зависимость пропускной способности ячейки НБРРА от радиуса ячейки

Радиус ячейки, км

20 10 5 1

Максимальная мощность базовой станции. Вт

-0,72 МСит/с -— 2.88 Мбит/с -

-1.44 Мбит/с - 3.6 Мбг/с

Рис. 5. Зависимость радиуса ячейки ИБРРД от мощности базовой станции

их перемещения 30 км/ч [5,6]), V = 1 (при передаче данных). Результат расчета — 6 пользовательских каналов с суммарной пропускной способностью 6х720 кбит/с = = 4,32 Мбит/с в случае кодирования данных со скоростью 3/4. Этот результат будет учтен при последующих расчетах.

Зависимость суммарной пропускной способности от мощности излучения базовой станции. В соответствии с (12) реальное число пользовательских каналов N с учетом ограничений (13) зависит от мощности из-

N =

Px ■(1 Vdl)g b Pn ■ L(d)

16

(tt) ■v

+ а]. (14)

Nn

Результаты расчета по формуле (14), пересчитанные в скорость передачи данных, для используемых выше исходных условий при коэффициенте усиления антенны 0В5, равном 15 дБи, мощности теплового шума Р^ в приемнике, равной минус 96 дБм [5,6] и радиусе ячейки С = 2 км (потери на трассе распространения сигнала .(С) = 138,25 + 32,51од (^ = 148 дБ [2]) приведены на рис. 3. Зависимости получены для разных значений коэффициента загрузки ячейки Пр., который интерпретируется здесь как задаваемый энергетический запас в радиоканале для компенсации внутрисистемных помех.

Зависимость суммарной пропускной способности от радиуса ячейки. Результаты расчета по аналогии с (14) приведены на рис. 4 для фиксированного значения = 0,5 и разных значений мощности излучения ВБ.

Зависимость радиуса ячейки от мощности излучения базовой станции. Результаты расчета по формуле (15), которая ниже получена из (12), приведены на рис. 5 для тех же исходных условий при фиксированном значении Пи = 0,9 и разной пропускной способности ячейки (разных Ы).

а = / ),

L(d):

P£ ■ (1 nDL ) GB

' pN^N

16

( ) ■v

а], (15)

Nn

где f_1 {.} — обратная функция.

Следует подчеркнуть, что приведенные зависимости получены в предположении того, что вся мощность BS выделена режиму HSDPA, что в реальности не совсем так. На их примере показана лишь сложная динамика энергетико-скоростных соотношений в радиоинтерфейсе UMTS. Более точная оценка этой динамики может быть произведена на статистических моделях. Автор выражает стремление представить в последующих публикациях результаты таких оценок.

Выводы

1. Сложная взаимная связь параметров радиосети UMTS может оказывать существенное влияние на качество ее работы и не учитывать ее нельзя. Так, при неучете возможных ограничений мощности излучения BS, введенных по условиям ЭМС, пропускная способность сети HSDPA может быть значительно меньше планируемой (ожидаемой). В зависимости от разрешенной мощности излучения BS "дыхание соты" начинает появляться при разной нагрузке в сети (рис. 4). При этом стремление получить мак-

симально достижимую пропускную способность сети может привести при ограничивающих условиях к резкому сокращению зоны обслуживания.

2. При определении условий ЭМС наиболее критичным для UMTS, нежели для GSM, является ограничение мощности излучения базовых станций. Это требует находить условия совместной работы РЭС, главным образом, за счет пространственной селекции излучений, а также их территориального разноса.

3. В качестве практических организационно-технических мер, направленных на повышение эффективности будущих сетей UMTS, можно отметить следующее:

• для увеличения пропускной ячейки HSDPA при тех же условиях необходимо применять абонентские терминалы с низким уровнем внутренних шумов;

• устранить (уменьшить) по возможности влияние неортогональности канальных кодов (а~0) за счет применения оборудования с алгоритмами многопользовательского детектирования (заметим, что стандартами UMTS не предписывается обязательное использование таких алгоритмов в производимом оборудовании. Их наличие в поставляемом оборудовании — результат инициативы производителей);

• снижение влияния соседних ячеек сети UMTS (/~0) за счет применения адаптивных антенн, а в последствии и технологии MIMO.

4. На нескольких примерах, показывающих особенности радиоинтерфейса UMTS, можно видеть, насколько специфично поведение радиосети UMTS в отличие от GSM. И отсюда становится очевидным, что успешное строительство и последующая эксплуатация сетей UMTS при полном использовании их технологических возможностей во многом зависят от технических аспектов и не могут быть достигнуты лишь маркетинговыми усилиями.

Литература

1. Скрынников В.Г., Скрынников О.В. Оценка зоны радиопокрытия сети UMTS на ранней стадии планирования // Мобильные системы, февраль 2006.

2. H. Holma, A. Toskala. WCDMA for UMTS. Radio Access for Third Generation Mobile Communications. 2001.

3. Ch. Chevallier, Ch. Brunner, A. Garavaglia, Kenn P. Murray, Kenneth R. Baker. WCDMA (UMTS). Deployment Handbook. Planning and Optimization. — Wiley, 2006.

4. First Report on the Evaluation of RRM Algorithms by Simulation. — IST-2000-251 33: ARROWS, D09, 2002.

5. 3GPP TS 25.104. v.5.9.0 (2004-09). Technical Specification Group Radio Access Network; Base Station (BS) radio transmission and reception (FDD) (Release 5). 2004-09.

6. 3GPP Technical Specification TS25.101 (Release 7), User Equipment (UE) radio transmission and reception (FDD), 2005-12.