badania symulacyjne interfejsu radiowego wcdma dla łącza „w górę”

badania symulacyjne interfejsu radiowego wcdma dla łącza „w górę”

Krzysztof Syroczyński,
Arkadiusz Wiśniewski,
Piotr Zwierzykowski,
Politechnika Poznańska,
Wydział Elektroniki i Telekomunikacji,
ul. Piotrowo 3A, 60-965 Poznań,
E-mail: [email protected]
2006
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 7 - 8 grudnia 2006
BADANIA SYMULACYJNE INTERFEJSU RADIOWEGO WCDMA
DLA ŁĄCZA „W GÓRĘ” I „W DÓŁ”
Streszczenie: W sieciach bezprzewodowych korzystających z interfejsu radiowego WCDMA, funkcja sterowania przyjmowaniem nowych zgłoszeń
podejmuje decyzję o rozpoczęciu obsługi nowego
zgłoszenie, lub o odrzuceniu zgłoszenia, w zależności od aktualnego obciążenia zasobów komórki
dostępowej oraz komórek sąsiednich. Nowe zgłoszenie jest odrzucane, jeśli poziom obciążenia komórki założony na etapie projektowym zostanie
przekroczony. W artykule przedstawiono model
symulacyjny umożliwiający ocenę charakterystyk
ruchowych takiego systemu z uwzględnieniem połączeń „w górę” i „w dół”.
1. Wprowadzenie
Uniwersalny system telekomunikacji ruchomej
UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunication
System) wykorzystujący interfejs radiowy WCDMA
(ang. Wideband Code Division Multiple Access) to jeden ze standardów zaproponowanych dla telefonii komórkowej trzeciej generacji (3G). Standard ten został
przyjęty w Europie oraz niektórych krajach azjatyckich.
Szacowanie pojemności interfejsu radiowego
WCDMA, ze względu na możliwość alokacji zasobów dla różnych klas ruchu złożone. Ponadto, wszyscy użytkownicy obsługiwani przez daną komórkę korzystają z tego samego kanału częstotliwościowego,
a rozróżnienie transmitowanych przez nich sygnałów
jest możliwe tylko i wyłącznie dzięki stosowaniu ortogonalnych kodów [1]. Jednak ze względu na zjawisko wielodrogowości zachodzące w kanale radiowym
nie wszystkie transmitowane sygnały są względem siebie ortogonalne, a tym samym odbierane są przez
użytkowników systemu jako interferencje w istotny
sposób wpływające na pojemność systemu. Dodatkowo, wzrost interferencji powodowany jest także przez
użytkowników obsługiwanych przez inne komórki systemu wykorzystujące ten sam kanał częstotliwościowy, a także przez użytkowników korzystających z sąsiednich kanałów radiowych (interferencje sąsiedniokanałowe). W celu zapewnienia odpowiedniego poziom usług sieci UMTS konieczne jest ograniczanie
interferencji poprzez zmniejszanie liczby aktywnych
użytkowników lub alokowanych przez nich zasobów.
Szacuje się, że maksymalne wykorzystanie zasobów
interfejsu radiowego, bez obniżenia jakości usług będzie wynosiło około 50 - 80% [3].
Tematem artykułu jest przedstawienie wyników
badań symulacyjnych łącza „w górę” i „w dół” dla systemu komórkowego z interfejsem radiowym WCDMA.
Badania zostały przeprowadzone w oparciu o znane
metody symulacji systemów ze skończoną i nieskończoną liczbą źródeł ruchu oferowanych wiązce pełnodostępnej [5, 6]. Prezentowana metoda badań symulacyjnych może zostać wykorzystana do oszacowania pojemności sieci 3G na etapie jej projektowania
i, dzięki uwzględnieniu zarówno skończonej jak nieskończonej liczby użytkowników, może się przyczynić
do ograniczenia kosztów budowy infrastruktury sieciowej.
Artykuł podzielono na 5 rozdziałów. W rozdziale
2 przedstawiono podstawowe zależności opisujące obciążenie łącza radiowego „w górę” dla interfejsu radiowego WCDMA. Rozdział 3 prezentuje model symulowanego systemu i zastosowany algorytm symulacji.
Wyniki symulacji dla systemu składającego się z siedmiu komórek przedstawiono w rozdziale 4. Rozdział
5 zawiera podsumowanie.
2. Obciążenie interfejsu radiowego WCDMA
dla łącza „w górę”
Interfejs radiowy WCDMA umożliwia uzyskiwanie dużych przepływności. Jednocześnie jego pojemność jest ograniczona dopuszczalnym poziomem mocy
interferencji w kanale częstotliwościowym. W każdym
systemie komórkowym z rozpraszaniem widma sygnałów pojemność interfejsu radiowego jest ograniczona
na skutek występowania kilku typów zakłóceń [2]:
• wspólnokanałowych interferencji własnych komórki
- pochodzących od współużytkowników kanału częstotliwościowego z obszaru danej komórki,
• wspólnokanałowych interferencji zewnętrznych komórki - pochodzących od współużytkowników kanału
częstotliwościowego z obszaru komórek sąsiednich,
• interferencji sąsiedniokanałowych - pochodzących z
sąsiednich kanałów częstotliwościowych tego samego
operatora lub innych operatorów telefonii komórkowej,
• wszelkich zakłóceń i interferencji pochodzących z
Tabela. 1. Przykładowe wartości Eb /N0 , νj i Lj dla różnych klas ruchu i współczynnika obciążenia
Klasa usług (j)
W [Mchip/s]
Rj [kb/s]
νj
(Eb /N0 )j [db]
Lj
Rozmowa
12.2
0.67
4
0.0053
innych systemów i źródeł, zarówno szerokopasmowych jak i wąskopasmowych.
W interfejsie radiowym WCDMA prawidłowy
odbiór sygnału w odbiorniku jest możliwy tylko wówczas, gdy stosunek energii przypadającej na jeden bit
Eb do gęstości widmowej szumu N0 jest odpowiedni
[4]. Zbyt mała wartość Eb /N0 spowoduje, że odbiornik nie będzie mógł zdekodować odebranego sygnału,
natomiast zbyt duża wartość energii przypadającej na
jeden bit w stosunku do szumów będzie postrzegana
jako zakłócenie dla innych użytkowników tego samego
kanału radiowego. Stosunek Eb /N0 dla j -tego użytkownika można zapisać w postaci następującej zależności [3]:
µ ¶
W
Pj
Eb
=
,
(1)
N0 j
νj Rj Itotal − Pj
gdzie: Pj – moc odbierana przez użytkownika klasy
j , W – prędkość czipowa sygnału rozpraszającego,
vj – współczynnik aktywności użytkownika klasy j,
Rj – prędkość bitowa sygnału danych dla użytkownika
klasy j , Itotal – całkowita moc odbieranego sygnału
w stacji bazowej z uwzględnieniem szumu termicznego. Zatem średnią moc sygnału użytkownika klasy j
można wyrazić zależnością:
Pj = Lj Itotal ,
Lj =
1+
W
Eb
)j Rj νj
(N
0
XM
j=1
Dane
144
1
1.5
0.0503
384
1
1
0.1118
która jest definiowana jako stosunek interferencji od
innych komórek do interferencji własnych komórki:
ηU L = (1 + i)
XM
j=1
!−1
.
(3)
Nj Lj ,
(4)
gdzie M jest liczbą klas ruchu (usług), a Nj jest liczbą
abonentów klasy j. Powyższa zależność jest prawdziwa dla systemu składającego się z pojedynczej komórki. W rzeczywistości należy uwzględnić wiele komórek, w których generowany ruch wpływa na pojemność interfejsu radiowego innych komórek. Tak więc,
wzór (4) powinien zostać uzupełniony o element, który uwzględnia interferencje pochodzące od innych komórek. W tym celu wprowadzona zostaje zmienna i,
N j Lj .
(5)
Wraz ze wzrostem obciążenia łącza radiowego wzrasta poziom szumu generowanego w systemie. Wzrost
szumu definiowany jest następująco:
∆nr = Itotal /PN = (1 − ηU L )−1 ,
(6)
gdzie PN jest szumem termicznym.
Gdy obciążenie łącza „w górę” zbliża się do jedności,
to odpowiadający mu wzrost szumu dąży do nieskończoności. Z tego względu przyjmuje się, że maksymalne wykorzystanie zasobów interfejsu radiowego, bez
obniżania jakości usług, będzie wynosiło 50 - 80 %
teoretycznej pojemności [4].
Zależność dla łącza „w górę” jest podobna do
równania (5), ale w tym wypadku konieczne jest
uwzględnienie parametru ortogonalności αj , w celu
uwzględnienia wpływu kodów OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor). Kody WCDMA OVSF są
wykorzystywane do oddzielenie kanałów transmisyjnych pojedynczej stacji bazowej. Tak więc, obciążenie łącza „w dół” może być wyznaczone na podstawie
następującej zależności [3]:
ηDL = (1 − αj + i)
Tabela 1 przedstawia przykładowe wartości Eb /N0
dla różnych klas ruchu i odpowiadające im wartości
współczynnika obciążenia Lj .
Na podstawie znanych współczynników obciążenia pojedynczych użytkowników Lj , można określić
całkowite obciążenie dla łącza „w górę”:
ηU L =
Dane
(2)
gdzie Lj jest współczynnikiem obciążenia wnoszonym
przez użytkownika klasy j:
Ã
Wideotelefonia
3.84
64
1
2
0.0257
XM
j=1
Nj Lj .
(7)
Zazwyczaj, współczynnik ortogonalności przyjmuje
wartości z przedziału od 0.4 do 0.9 [3].
3. Model systemu
Przed zestawieniem nowego połączenia w interfejsie radiowym WCDMA system sterowania dostępem (ang. Admission Control ) dokonuje sprawdzenia,
czy nowe połączenie nie spowoduje obniżenia jakości lub zerwania istniejących połączeń. Funkcja kontroli dostępu jest realizowana przez kontroler stacji
bazowych RNC (ang. Radio Network Controller ), w
którym gromadzone są informacje dotyczące obciążeń
podłączonych do kontrolera komórek [3]. System kontroli dostępu szacuje wzrost obciążenia łącza radiowego jakie spowoduje nowe zgłoszenie, zarówno dla komórki dostępowej, jak i dla sąsiednich komórek. Nowe
zgłoszenie zostaje odrzucone wówczas, gdy przewidywany wzrost obciążenia przekroczy progi określone na
etapie projektowania radiowego [4].
A. Symulacja łącza „w górę”
W badaniach przyjęto model systemu złożonego
z siedmiu komórek z antenami dookólnymi (Fig. 1a).
L'
L'p
j
Lp
L'
L' j
L'p
j
Lj
L' j
L' j
L'
L'p
j
Rys. 1. Model systemu
W celu oszacowania czy nowe zgłoszenie klasy j może
zostać zaakceptowane w systemie, wykorzystuje się
wartość obciążenia Lj , generowanego przez to zgłoszenie. Założono również, że zgłoszenie generujące obciążenie Lj w komórce dostępowej, generuje dodatko0
we obciążenie w komórkach sąsiednich oznaczone Lj
0
(Lj ≤ Lj ). Z uwagi na założenie, że każda komórka
systemu może być komórką dostępową, ruch w systemie w każdej komórce zmienia się w sposób ciągły
zgodnie z globalnym zegarem wyznaczającym aktualny czas w systemie.
Na podstawie wartości parametrów Lj przedstawionych w tabeli 1 przyjęto, ze PJP jest równe 0, 0001
całkowitego współczynnika obciążenia łącza. W zamodelowanym systemie w momencie żądania obsługi przez nowe zgłoszenie następuje sprawdzenie, czy
obciążenie wnoszone przez nowe zgłoszenie nie spowoduje przekroczenia granicznej wartości pojemności
łącza zarówno w komórce, w której pojawiło się żądanie, jak i w komórkach sąsiednich. W przypadku braku zasobów do obsługi zgłoszenia jest ono tracone, w
przeciwnym razie następuje realizacja zgłoszenia z zapewnieniem odpowiednich parametrów jakościowych.
B. Efekt interferencji międzykomórkowej
Uwzględnienie modelu tłumienia Okumury-Haty
przy wyznaczaniu obciążenia wprowadzanego do komórek sąsiednich nałożyło konieczność precyzyjnego
wyznaczania współrzędnych kaźdego zgłoszenia zarówno w odniesieniu do komórki dostępowej jak i całego systemu. Do przeanalizowania sposobu wyznaczania współrzędnych zgłoszenia żądającego obsługi wykorzystany zostanie rysunek 2 przedstawiający geometryczny aspekt rozwiązania. W oparciu o przedstawiony schemat dokonano wyznaczenia współrzędnych
każdego zgłoszenia, korzystając z odpowiednich metod analitycznych. W pierwszej kolejności losowany
jest promień pierścienia, na którym będzie znajdowało się nowe zgłoszenie z przedziału (0, R). Kolejnym
etapem jest wyznaczenie współczynnika kierunkowego a prostej y = ax. Do tego celu posłużono się losowo
wyznaczonym kątem nachylenia α prostej do osi OX
oraz równaniem:
a = tg α
(8)
gdzie: a - współczynnik kierunkowy prostej y = ax,
α - kąt nachylenia prostej do osi OX. Na podstawie
wylosowanego promienia, na którym pojawi się nowe
zgłoszenie oraz znając położenie prostej y = ax przecinającej ten pierścień w dwóch punktach wyznaczono współrzędne tych punktów, rozwiązując uprzednio
odpowiedni układ równań. W celu określenia, który
z otrzymanych punktów będzie właściwym dla nowego zgłoszenia zastosowano generator liczb pseudolosowych. Znając współrzędne zgłoszenia w komórce dostępowej dokonano wyznaczenia odległości od nowego
zgłoszenia do wszystkich sąsiednich stacji bazowych.
Za początek układu współrzędnych przyjęto zawsze
środek komórki, w której inicjowane jest połączenie,
następnie po wykorzystaniu zależności matematycznej określającej odległość dwóch punktów na płaszczyźnie wyznaczono właściwe odległości.
C. Symulacja łącza „w dół”
W czasie symulacji łącza „w dół”, każda spośród
siedmiu komórek rozważana jest oddzielanie. Zakładamy, że jedynym obciążeniem łącza jest ruch wnoszony do komórki przez zgłoszenia poszczególnych
klas ruchu (Lj ). Założenie takie wynika z synchronicznej transmisji w łączu „w dół” z użyciem ortogonalnych kodów OVSF. Możliwe interferencje dla łącza
„w dół” i moc wykorzystywana przez Common Pilot
Channel (około 10% całkowitej mocy stacji bazowej)
jest brana pod uwagę w maksymalne pojemności systemu, która jest wykorzystywana w symulacji [4]. Na
tym etapie rozwoju symulatora nie rozważa się jeszcze
zjawiska „miękkiego przełączania”.
4. Wyniki badań
Badania zostały przeprowadzone dla użytkowników żądających zbioru usług (tabela 1). Przyjęto następujące założenia:
• zgłoszenie poszczególnej klasy żąda L1 = 53, L2 =
257, L3 = 503 i L4 = 1118 PJP,
• usługi, żądane są w określonych proporcjach (a1 L1 :
a2 L2 : a3 L3 : a4 L4 = 1 : 1 : 1 : 1),
• maksymalna teoretyczna pojemność dla łącza „w
górę” wynosi 10000 PJP,
• maksymalne dopuszczalne obciążenie łącza w górę
ηU L , wynosi 80% maksymalnej teoretycznej pojemności (zakłada się V = 8000 PJP dla każdej komórki),
• maksymalne dopuszczalne obciążenia dla łącza „w
dół” ηDL , wynosi 60% teoretycznej pojemności.
Rysunki 3 i 4 przedstawiają średnią wartość
prawdopodobieństwa blokady nowych zgłoszeń różnych klas ruchu jako funkcję natężenia ruchu na jednostkę pasma w systemie.
Komórka modelu
Wyliczona
współrzędna
Wylosowany kąt
Wylosowany
promień
Rys. 2. Współrzędne zgłoszenia
1,E+00
prawdopodobie stwo blokady
prawdopodobie stwo blokady
1,E+00
1,E-01
1,E-02
1,E-03
1,E-04
1,E-01
1,E-02
1,E-03
0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55
0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55
nat enie ruchu na jednostk pasma
nat enie ruchu na jednostk pasma
(a) R = 300
(a) R = 300
1,E+00
prawdopodbie stwo blokady
prawdopodbie stwo blokady
1,E+00
1,E-01
1,E-02
1,E-03
1,E-01
1,E-02
1,E-03
1,E-04
0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55
0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55
nat enie ruch na jednostk pasma
nat enie ruch na jednostk pasma
(b) R = 1500
(b) R = 1500
Rys. 3. Prawdopodobieństwo blokady dla skończonej
i nieskończonej liczby źródeł ruchu dla 2 klas ruchu
Rys. 4. Prawdopodobieństwo blokady dla skończonej
i nieskończonej liczby źródeł ruchu dla 4 klas ruchu
Na rysunkach 3 i 4 przyjęto następujące oznaczenia:
♦ - dane 1118 PJP, ¤ - dane 503 PJP, M - wideotelefonia i ◦ - mowa), przy czym symbole wypełnione oznaczają wartości uzyskane dla skończonej liczby źródeł
ruchu. Rysunki 3(a) i 3(b) prezentują prawdopodobieństwa blokady dla dwóch klas ruchu dla skończonej (S/N = 2) i nieskończonej liczby źródeł ruchu w
przypadku komórek o promieniu 300 i 1500 metrów.
Podobne zależności dla 4 klas ruchu przedstawiono na
rysunkach 4(a) i 4(b).
Porównując wyniki przedstawione na rysunkach
3 i 4 można zauważyć dwie ważne zależności:
• zwiększenie odległości pomiędzy stacjami bazowymi (zwiększenie R) powoduje zmniejszenie prawdopodobieństwa blokady,
• wzrost liczby użytkowników tej samej usługi przy
tym samym odciążeniu systemu powoduje większe
prawdopodobieństwo blokady.
Wyniki symulacji pokazane na wykresach w postaci symboli dla każdego punktu wyznaczono 95%
przedział ufności zgodnie z rozkładem t-Studenta .
Przedział ten jest jednak tak mały, że umieszczony
na wykresie znajdowałby się w większości przypadków wewnątrz symboli.
sąsiednich (Lj < Lj ). Obciążenie wnoszone do komórek sąsiednich jest zależne od tłumienia sygnału od
abonenta do komórki zakłócanej zgodnie z modelem
propagacyjnym Okumura-Hata. Natomiast dla łącza
w dół przyjęto, że obciążenie wnoszone jest do systemu tylko przez abonentów obsługiwanych przez daną
komórkę.
Proponowana metoda symulacji może być wykorzystana do oszacowania pojemności sieci 3G podczas prac projektowych i optymalizacyjnych i, dzięki
uwzględnieniu liczby abonentów obsługiwanych przez
system, może się przyczynić do optymalnego wykorzystania środków przeznaczonych na budowę infrastruktury sieciowej.
5. Podsumowanie
W artykule przedstawiono czasową metodę symulacji systemów z interfejsem radiowym WCDMA.
W symulacji dla łącza w górę założono, że zgłoszenie
generujące obciążenie Lj w komórce dostępowej, generuje odpowiednio mniejsze obciążenie w komórkach
0
SPIS LITERATURY
[1] S. Faruque. Cellular Mobile Systems Engineering. Artech
House, 1996.
[2] S. Gajewski and M. Kopciuszuk. Wpływ interferencji międzysystemowych na pojemność interfejsu radiowego WCDMA/FDD. Krajowa Konferecja Radiofonii, Radiokomunikacji i Telewizji, 2002.
[3] H. Holma and A. Toskala. WCDMA for UMTS. Radio Access For Third Generation Mobile Communications. John
Wiley & Sons, Ltd., 2000.
[4] J. Laiho, A. Wacker, and T. Novosad. Radio Network Planning and Optimization for UMTS. John Wiley & Sons,
Ltd., 2002.
[5] D. Staehle and A. Mader. An analytic approximation of the
uplink capacity in umts network with heterogeneous traffic.
Technical Report 310, University of Wurzburg, May 2003.
[6] M. Stasiak and P. Zwierzykowski. Analytical model of ATM
node with multicast switching. In Proceedings of 9th Mediterranean Electrotechnical Conference, volume 2, pages
683–687, Tel-Aviv, Israel, May 1998.