Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA при статическом распределении мощности базовой станции

Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA при статическом распределении мощности базовой станции

ОПИСАНЫ ОСОБЕННОСТИ РАДИОИНТЕРФЕЙСА HSDPA, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ МЕЖДУ СЛУЖЕБНЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ КАНАЛАМИ И ТРАФИКОВЫМИ КАНАЛАМИ HSDPA ПРИВЕДЕНЫ ТИПОВЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БЮДЖЕТ КАНАЛОВ CPICH, PDPCH И HS-PDSCH, ПРОИЗВЕДЕНА ОЦЕНКА ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ ЯЧЕЙКИ HSDPA

В.Г. Скрынников,

независимый эксперт, руководитель Рабочей группы по ЭМС отделения РАЕН

Введение

В [1] были приведены строгие аналитические соотношения между основными параметрами радиоинтерфейса системы UMTS. Эти соотношения могут служить методологической базой для дальнейших исследований, связанных с планированием радиосетей UMTS и определением требуемых условий электромагнитной совместимости. На основе полученных соотношений были оценены некоторые показатели радиосети UMTS/ HSDPA в упрощенной форме лишь для того, чтобы показать, насколько сильная взаимосвязь параметров радиоинтерфейса отличает планирование радиосетей UMTS от GSM. В свою очередь режим высокоскоростной пакетной передачи данных в UMTS (режим HSDPA) имеет свои характерные отличия от UMTS (Rel'99, Rel'4). К таким отличиям можно отнести: наличие специального нисходящего высокоскоростного канала с мультикодовой передачей данных; отсутствие мягкого хэндо-вера; постоянство мощности излучения базовой станции ввиду замены быстрой регулировки мощности при HSDPA адаптивным выбором схем модуляции и кодирования совместно с процедурой быстрого запроса повторений пакетов передаваемых данных.

При упрощенной оценке показателей радиосети UMTS/HSDPA в [1] считалось, что вся мощность излучения базовой станции (БС) UMTS выделена для высокоскоростных каналов HSDPA. На самом же деле, вопрос о распределении полной мощности БС между различными каналами радиоинтерфейса является одним из важных при планировании радиосетей UMTS/HSDPA, особенно, когда

полная мощность базовых станций ограничена по условиям ЭМС.

В продолжение [1] рассмотрены особенности предварительной оценки параметров радиосети UMTS/ HSDPA при различном распределении полной мощности базовой станции между конфигурациями каналов UMTS (Rel'99) и HSDPA и ограничениях этой мощности, введенных по условиям электромагнитной совместимости.

Особенности радиоинтерфейса UMTS/ HSDPA. Оборудование радиоподсистемы UMTS, поставляемое сегодня для строительства сетей в России, соответствует Техническим спецификациям 3GPP Rel'5 [4,5]. В соответствии с Rel'5 радиоинтерфейс UMTS/ HSDPA является промежуточным решением и представляет собой комбинацию обычного режима UMTS (Rel'99) и режима высокоскоростной пакетной передачи данных HSDPA. Применительно к рассматриваемой задаче необходимо выделить в данной конфигурации основные физические каналы. В обычном режиме UMTS (Rel'99) организуются общие контрольные каналы доступа в сеть CPICH (Common Pilot Channel), S-SCH (Synchronization Channel), PCCPCH (Primary Common Control Physical Channel), SCCPCH (Secondary Common Control Physical Channel), AICH (Acquisition Indicator Channel), PICH (Paging Indicator Channel) и выделенные каналы: контрольный канал DPCCH

(Dedicated Physical Control Channel) и канал передачи данных DPDCH (Dedicated Physical Data Channel). Для режима HSDPA организуются специальные каналы: выделенный высокоскоростной канал HS-PDSCH (High-Speed Physical Downlink l Shared Channel) и кон-

Node В

Рис. 1. Физические каналы HSDPA

РИс. 2. Мультиплексирование пользовательских данньк в канале HS-PDSCH

трольные каналы HS-SCCH (High-Speed Shared Control Channel), HS-DPCCH

(High-Speed Dedicated Physical Control Channel), как показано на рис.1.

Нисходящий высокоскоростной канал HS-PDSCH имеет фиксированный коэффициент расширения спектра сигнала (SF), равный 16, что потенциально может обеспечить до 15 пользовательских каналов и один контрольный канал [1]. Наряду с манипуляцией QPSK в канале при хорошем его качестве используется адаптивно модуляция более высокого уровня 16 QAM (16-позиционная квадратурная амплитудная манипуляция). Передаваемые пользовательские данные мультиплексируются по времени на укороченном интервале передачи TTI = 2 мc (TTI - Transmission Time Interval) и далее на каждом TTI подвергаются кодовому мультиплексированию (рис.2).

Дополнительный контрольный канал от абонентского терминала к базовой станции HS-DPCCH служит для передачи информации о состоянии (CQI) нисходящего канала HS-PDSCH и подтверждения приема пакетов данных (ACK/NAK).

Общая характеристика энергетических соотношений при распределении полной мощности БС между режимами. В коммерческих сетях UMTS приоритет одного из режимов UMTS (Rel'99) и HSDPA зависит от планирования их целевого предназначения и в соответствии с этим определяется распределением полной мощности базовых станций между ними. Как было отмечено ранее, HSDPA работает совместно с UMTS (Rel'99) и обе эти схемы должны получать соответствующую требуемую мощность для обязательных общих контрольных и выделенных каналов, рассмотренных выше. Однако следует

иметь в виду, что механизм такого распределения мощности не определен стандартом Rel'5, хотя на практике могут применяться два возможных решения фиксированного и статического распределения (рис. 3а,б).

Динамическое распределение мощности ориентировано на адаптацию к современному рынку, где пока преобладает спрос на речевые и низкоскоростные услуги, и предполагает приоритет режима UMTS (Rel'99), а мощность для HSDPA распределяется по остаточному принципу. Для оценки параметров сетей UMTS/HSDPA логично рассматривать статическое распределение, чтобы получить реальное представление, как о параметрах обычного режима, так и о параметрах HSDPA, при разных соотношениях выделенных мощностей. Соотношения пропускной

способности двух схем (режимов) при различном распределении мощности показаны в табл.1 и на рис. 4 [2].

Особенность энергетических соотношений при распределении полной мощности БС между физическими каналами. В табл. 2 приведены рекомендуемые соотношения мощностей, выделяемых для описанных выше общих кон-трольньх каналов доступа (Р1 на рис.3) [2,3].

Особую значимость среди перечисленных контрольных каналов имеет нисходящий пилотный канал СРІСН, по которому передается последовательность пилот-символов, в канале отсутствуют информационная модуляция и регулировка мощности, коэффициент расширения SF постоянен и равен 256. Канал не ассоциирован с логическими и транспортными каналами. Выделенная мощность в

Р макс ВС

Выделенные каналы UMTS

Каналы HSDPA

Контрольные каналы доступа

Р 2

тр‘

а)

Р макс БС

Каналы HSDPA

Выделенные каналы UMTS

Контрольные каналы доступа

1*2 Рз

Rp‘

б)

Рис. 3. Распределение полной мощности БС между каналами

Рис. 4. Соотношение пропускной способности UMTS (Rel'99) и HSDPA

Таблица 1

Пропускная способность UMTS (Rel'99) при разной выделенной мощности для HSDPA

Сервис Средняя пропускная способность ячейки Среднее число пользователей в ячейке

20% полной мощности БС выделено для HSDPA

384 кбит/с (PS) 594.0 1.7

64 кбит/с (PS) 388.9 5.6

64 кбит/с (CS-вндео-телефоння) 3.7

12.2 кбит/с (AMR) 63.0

50% н 384 кбит/с (PS) 64 кбит/с (PS) 64 кбит/с (CS-вндео-телефоння) 12,2 кбит/с (AMR) 80% н 384 кбнт/с (PS) 64 кбит/с (PS) 64 кбит/с (CS-видео-телефония) олной мощности БС выделено для 200.83 169.12 олной мощности БС' выделено для 0.0 0.0 HSDPA 0.7 2.1 0.8 29.9 HSDPA 0.0 0.0 0.0 0.7

Таблица 2

Распределение мощности БС (20 Вт) между контрольными каналами доступа

Каналы Типовая мощность, дБм/Вт Мощность относительно канала CPICH, дБ Активность использования, % Среднее значение мощности, дБм/Вт Комментарии

CPICH 33/2 - 100 33/2 10% от полной мощности БС

SCH 30/1 -3 10 20/0.1 на практике 28-33 дБм

РССРСН 30/1 -3 90 29.5/0.9 на практике 30-33 дБм

SCCPCH 30/1 0 10 20/0.1 для = 128

AICH 27/0.5 -6 - - активны только при передаче трафика

PICH 27/0.5 -6 - -

Суммарная мощность, Вт 3.1

-90 -80 -70

RSCP [dBm]

| —Singla cell. CPICH EJ!„ = -3 dB •— 3 Equal calls. CPICH EJ!„ m -10 dB |

Рис. 5. Зависимость уровня пилот-сигнала в канале CPICH от отношения сигнал/(шум+помеха) на входе приемника АТ

канале CPICH остается постоянной и не зависит от передаваемого трафика. Уровень сигнала в канале задает размер зоны покрытия ячейки и в процессе соединения контролируется постоянно абонентским терминалом независимо от режима. По соотношению уровней сигнала в контролируемых каналах CPICH от других ячеек в абонентском терминале принимается решение о мягком хэндо-вере. Энергетический бюджет CPICH определяется факторами, указанными в табл. 3 [2].

Приведенные параметры характеризуют энергетический бюджет канала CPICH и позволяют по допустимым потерям в радиоканале (поз. (w) в табл. 3) осуществить контроль покрытия зоны обслуживания и оценить условия для мягкого хэндовера при работе в режиме UMTS R'99. Одним из определяющих параметров при этом является минимальный требуемый уровень пилот-сигнала RSCP на входе приемника АТ (поз. (n) в табл.3). На его значение влияют ЭИММ передатчика БС в канале CPICH (поз. (f) в табл.3), параметр CPICH_Ioc/Ior=l/Geometry (поз. (I) табл. 3), где Geometry — параметр "геометрия ячейки" характеризует распределение мощности БС в определенной точке в пределах зоны обслуживания ячейки, Ioc — спектральная плотность суммарной мощности каналов всех ячеек, не связанных с абонентским терминалом (не входящих в активный набор) и создающих помеху, Ior — спектральная плотность суммарной мощности каналов всех ячеек, связанных с абонентским терминалом в мягком хэндовере (входящих в активный набор), а также отношение CPICH_ Ec/No энергии принимаемого пилот-сигнала к суммарному помеховому сигналу на входе приемника АТ (поз. (m) в табл.3). На рис. 5 показана зависимость параметра RSCP от этого отношения при разной мощности, выделяемой в БС для пилотного канала CPICH (параметр CPICH_Ec/Ior) [2].

В отличие от служебного канала CPICH в трафиковых каналах энергетический бюджет имеет ряд существенных особенностей. Во-первых, бюджет восходящего канала UL зависит от мощности излучения абонентского терминала и планируется для класса терминалов с минимальной мощностью. Следует заметить, что в стандарте UMTS по мощности излучения различают 4 класса терминалов: 1 класс — 33 дБм, 2 класс — 27 дБм, 3 класс

— 24 дБм и 4 класс — 21 дБм. Во-вторых, для обычного режима UMTS (R'99) скорость передачи данных в терминале ограничивается при планировании значением 64 Кбит/с, для режима HSDPA — 384 Кбит/с (табл. 4). В-

Таблица 3

Энергетический бюджет канала CPICH

Параметры Значение Формула расчета

передатчик БС

(а) полная мощность БС (Рг) 43 дБм определена

(b) мощность, выделенная для канала CPICH (Рсркгн) 33 дБм определена

(d) потерн в антенно-фидерном тракте 3 дБ 3 дБ

(е) коэффициент усиления антенны (без учета потерь в фидере) 18 дБ определен

приемник' АТ

(g) спектральная плотность тепловых шумов (линейные элементы) -174 дБм/Гц определена

(i) коэффициент шума приемника 7 дБ определен

(I) СПСНJoc/lor 3 дБ определено

(m) CPICH _ Ec/No -14,8 дБ определено[2]

(n) мин. требуемый уровень пилот-сигнала RSCP -111 дБм определен[2]

(о) коэффициент усиления антенны 0 дБ определен

(р) потерн в антенном фидере 0 дБ определены

радиоканал

(г) ло1 нормальный фединг 10,3 дБ определен экспериментально

(s) выигрыш от хэндовсра 4,1 дБ определен экспериментально

(0 ослабление сигнала зданиями 20 дБ определено экспериментально

(и) ослабление сигнала телом человека (body loss) 3 дБ определено экспериментально

Таблица 4

Энергетический бюджет трафикового канала UL для HSDPA

Параметры Значение Формула расчета

передатчик АТ

(а) максимальная мощность 21 дБм определена

(Ь) потери в антенно-фидерном тракте 0 дБ определены

(с) коэффициент усиления антенны 0 дБ определен

приемник БС

(е) спектральная плотность тепловых шумов (линейные элементы) -174 дБм/Гц определена

(Г) скорость передачи данных 55,8 дБГц 101од (384000) - для 384 Кбнт/с

(g) коэффициент шума приемника 5 дБ определен

(i) коэффициент загрузки сети 75% определен

(j) превышение шума внутрисистемными помехами в приемнике 6 дБ определено

(п) коэффициент усиления антенны 18 дБ определен

(о) потери в антенно-фидерном тракте 3 дБ определены

радиоканал

(р) логнормальный фединг 10.3 дБ определен экспериментально

(q) вьппрыш от хэндовера 4.1 дБ определен экспериментально

(г) ослабление сигнала зданиями 20 дБ определено экспериментально

(s) ослабление сигнала телом человека (body loss) 3 дБ определено экспериментально

(v) допустимые максимальные потери на трассе распространения сигнала 120,8 дБ (иМО

третьих, энергетический бюджет HSDPA (нисходящие каналы DL) зависит от допустимых максимальных потерь на трассе распространения сигнала в восходящем канале UL (табл. 5). Эти потери определяют возможный размер ячейки для абонентского терминала, который не имеет смысла превышать в каналах DL при двухстороннем соединении. Как было отмечено в [1], энергетический бюджет каналов UL при планировании сетей HSDPA определяет размер зоны обслуживания, а бюджет нисходящих каналов HSDPA — пропускную способность ячейки в пределах этой зоны. При таком планировании размер ячейки в трафи-ковых каналах необходимо сопоставлять с возможным размером ячейки в канале пилот-сигнала CPICH.

При планировании энергетического бюджета каналов UL должны учитываться коэффициент загрузки сети (как правило, 75%), требуемое отношение сигнал/шум и выигрыш при обработке сигнала для выбранного сервиса (см. табл. 4).

Энергетический бюджет каналов DL при HSDPA характеризуется рядом специфических параметров:

— HSDPA Power Allocation — доля мощности БС, выделенной для режима HSDPA. Суть данного параметра была пояснена выше;

— Ec/Nt — отношение уровня сигнала (энергии чип) к общему уровню внутрисистемных помех и теплового шума. В отличие от UMTS R'99 данный параметр не приводится к скорости передачи данных в конкретном соединении, ибо использование параметра Eb/Nt, описанного ранее в [1], затруднено в силу его зависимости от состояния радиоканала и непрогнозируемого количества пе-резапросов на повтор передачи, которые используются при HSDPA. В качестве примера на рис. 6 показано соответствие параметра Ec/Nt скорости передачи данньх, полученное посредством статистического моделирования [2];

— Operating Margin — некоторый запас энергии, предназначенный для компенсации потерь в радиоканале, связанных с отличием характера помех от белого шума и повторениями передачи данных. Данный параметр задается, главным образом, требуемым коэффициентом ошибок SPER (Sub-Packet Error Rate). Для выбранной модели канала VA30 (см. табл. 5) параметр имеет значение 1,3 дБ для одной передачи и -2,2 дБ для двух передач [2].

Ранее отмеченный параметр "геометрия ячейки" Geometry остается для HSDPA важным, хотя и имеет особенности. Отсутствие

Рис. 6. Соответствие параметра Ec/Nt скорости передачи данных

мягкого хэндовера приводит к более низкой конфигурации ячейки, в особенности в области перехода между смежными ячейками. Это приводит к тому, что деградация этого параметра при переходе к активному набору, состоящему из одной ячейки при HSDPA, по сравнению с UMTS R'99, может составлять до 3 дБ.

С учетом описанных особенностей энергетических соотношений в радиоинтерфейсе HSDPA произведем оценку параметров сети HSDPA.

Оценка параметров сети HSDPA Для

параметров сети и, прежде всего, вида предоставляемых услуг (требуемого отношения сигнал/шум), вида (модели) радиоканала (параметр а), существует некий предел допустимого количества пользовательских каналов N..

N д <

1

16

() -v

N 0

+ 1].

оценки параметров сети воспользуемся аналитическими соотношениями и некоторыми исходными данными, описанными в [1]. Исходные данные, особенность которых описана в данной статье, при расчетах были взяты из табл. 5. При планировании сети важно оценить пропускную способность ячейки НБРРА на краю ее зоны обслуживания. Поэтому результаты расчетов, приведенные ниже, соответствуют этому случаю.

1. Максимально допустимое количество пользовательских каналов. Как показано в [1], выражение (13), при выборе конкретных

Этот предел обусловлен необходимостью соблюдения энергетического баланса в ячейке и ограничивает возникновение недопустимого уровня внутрисистемных помех, как от собственной ячейки, так и от смежных ячеек, за счет появления в них избыточных пользовательских каналов. Параметром, устанавливающим этот предел, является коэффициент загрузки сети [1]

X

j=1

а •

G

(—)  -V .

n’j j

+ а

Энергетический бюджет трафикового канала DL для HSDPA

Таблица 5

Параметры Значение Формула расчета

передатчик БС

(а) полная мощность БС 43 дБм определена

(с) доля мощности, выделенной для HSDPA (от оставшейся мощности БС) 50% (39,3 дБм) 101О8 [20( 1-Ь)-0,5]

(d) доля мощности, выделенной для служебных каналов HS-SCCH (HSDPA) (от мощности, выделенной для HSDPA) 8% (28,3 дБм) 10^ [0,08 (с)] определена[2]

(е) доля мощности, выделенной для трафиковых каналов HS-PDSCH (HSDPA) (от мощности, выделенной для HSDPA) 82% (38,9 дБм) 101О8 [0,82 (0]

(0 потери в антенно-фидерном тракте 3 дБ 3 дБ

(g) коэффициент усиления антенны (без учета потерь в фидере) 18 дБ определен

приемник АТ

(¡) спектральная плотность тепловых шумов (линейные элементы) -174 дБм/Гц определена

(к) коэффициент шума приемника 7 дБ определен

(ш) коэффициент усиления антенны 0 дБ определен

(п) потери в антенном фидере 0 дБ определены

радиоканал

(р) модель канала VA30 определена

(q) loc/lor (¡/Geometry) 1 дБ определен|21

(г) коэффициент ортогональности кода 0,5 определен

(s) Operating Margin 1,3 дБ определен[21

Этот коэффициент характеризует в большей степени превышение на входе приемника абонентских терминалов шума внутрисистемными помехами от пользовательских каналов собственной и смежных ячеек, нежели пропускную способность сети. В этом смысле при планировании сети UMTS nDL задает допустимый уровень внутрисистемных помех в каждой ячейке для планируемых конкретных условий и, следовательно, ограничивает количество пользовательских каналов (см. (1)).

Расчет по формуле (1) проведем для следующих значений исходных параметров: коэффициент ортогональности кода а = 0,5, параметр i = Ioc/Ior(1/Geometry) =1,25 (см. табл.5), E/N0 = 6 дБ (для модели канала VA30 см. табл.5) [4,5]), V=1 (при передаче данных). Результат расчета — 4 пользовательских канала с суммарной пропускной способностью 4х720 Кбит/с = 2,88 Мбит/с при кодировании данных со скоростью 3/4. Этот результат будет учтен при последующих расчетах.

2. Зависимость суммарной пропускной способности от полной мощности излучения базовой станции. Приведем соотношение (14) [1] в соответствие с логикой данной ста-

а

П

DL

тьи, для чего заменим суммарную мощность БС Р^ в данном соотношении суммарной мощностью Р^ нбрра, выделенной для трафиковых каналов НБРРА (поз. (е) в табл. 5). В соответствии с табл. 5 Р^ нбрра = = 0,35 Р£, следовательно,

N =

0,35 - Р£ -

16

E

( N1- ) 'v N 0

+ a ],

где N — количество пользовательских каналов HS-PDSCH.

Результат расчета по формуле (3), пересчитанные в скорость передачи данных, для используемых выше исходных условий при коэффициенте усиления антенны GBs, равном 15 дБи (с учетом потерь в фидере, см. табл. 5), мощности теплового шума Pn в приемнике, равной минус 101,2 дБм (см. табл.5), допустимых максимальных потерях в радиоканале L(d)=148,7 дБ (см. табл. 5) и близком к предельному коэффициенте загрузки ячейки HSDPA nDL = 85% приведен на рис. 7. Представленная на рис. 7 зависимость соответствует случаю, когда "дыхание" соты отсутствует.

3. Зависимость суммарной пропускной способности от распределения мощности для HSDPA. По мере смещения акцента в пользу предоставления в сети UMTS услуг высокоскоростной передачи данных для HSDPA будет выделяться большая часть мощности БС. В данном случае рассматривается характер поведения пропускной способности ячейки от перераспределения мощности БС, оставшейся от общих служебных каналов. Результаты расчета представлены на рис. 8.

Приведенные результаты свидетельствуют о сравнительно низкой пропускной способности на краю ячейки в силу плохой ее "геометрии" (Geometry = 1 дБ), в результате чего имеет место значительное помеховое влияние смежных ячеек на абонентский терминал. Следует напомнить, что при HSDPA отсутствует активный набор ячеек (или активный набор состоит лишь из одной собственной ячейки) и все смежные ячейки являются источниками внутрисистемных помех. "Геометрия" ячейки (параметр "Geometry") — есть параметр, обратно пропорциональный параметру i в выражении (2), т.е. Geometry = 1/i. Для сравнения на рис. 8 приведена зависимость пропускной способности при несколько лучшей "геометрии" ячейки (Geometry = -1 дБ).

Заключение

Полученные результаты позволяют сделать несколько важных выводов.

1. Необходимость перераспределения мощности базовой станции между режимами низкоскоростной (UMTS R'99) и высокоскоростной (HSDPA) передачи данных увеличивает чувствительность сети UMTS/HSDPA к ограничениям мощности излучения БС по условиям ЭМС. Эта чувствительность в большей степени проявляется при преобладании в сети UMTS/HSDPA речевых услуг и услуг низкоскоростной передачи данных.

2. При статическом распределении мощности в интересах HSDPA степень влияния этого распределения на пропускную способность во многом зависит от "геометрии" ячеек, что необходимо учитывать при планировании сетей UMTS/HSDPA.

Полная мощность базовой станции, Вт

Рис. 7. Зависимость пропускной способности ячейки НБйРА от полной мощности базовой станции

Рис. 8. Зависимость пропускной способности ячейки НБйРА от распределения полной мощности базовой станции

Литература

1. Скрынников В.Г. Предварительная оценка параметров сети UMTS/HSDPA. - Электросвязь. - №3. - 2008.

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

3. J. Laiho, A. Wacker, T. Novosad. Radio Network Planning and Optimisation for UMTS. — Wiley, 2002.

4. 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.

5. 3GPP Technical Specification TS25.101 (Release 7), User Equipment (UE) radio transmission and reception (FDD), 2005-12.

• [

e