Laajennetun solukoon vaatimukset kolmannen sukupolven WCDMA-tukiasemalle

1. Laajennetunsolukoon 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 … - 20km radius Radius up to 200km

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. Power Original narrowband signal Different spreading codes Spread broadband signal f Frequency WCDMA tekniikka (3/4) • Kertotoimenpide levittää alkuperäisen kapeakaistaisen signaalin laajemmalle alueelle taajuusalueessa, mutta vastaavasti amplitudi pienenee • Koodauksesta saatava hyöty G=10log(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. Power Different spreading codes Frequency 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 • 3GPP:n 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 WCDMA:an 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 2/5=0,4W on käytössä per käyttäjä. • Downlink suunnan maksimikantama enemmän riippuvainen käyttäjämäärästä kuin uplinkin, jossa teho/käyttäjä pysyy samana

14. WCDMA verkkosuunnittelu (2/3)

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 • 3GPP:n 3G määritykset eivät salli laajaa solukokoa, sillä: • Round-Trip aika rajoitettu 2923 chip mittaiseksi -> 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. 180 km 40 km 20 km 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.