bildiri metnini

Dördüncü Nesil (LTE) Haberleşme Sistemlerinde
Kapasite ve Kapsama Analizi
Ahmet Çalışkan, Yıldız Teknik Üniversitesi, [email protected]
Betül Altınok, Turkcell İletişim Hizmetleri A.Ş., [email protected]
Aktül Kavas, Yıldız Teknik Üniversitesi, [email protected]
Günümüzde teknolojinin gelişmesiyle birlikte cep telefonları üzerinden gerçek zamanlı oyun, televizyon,
internet ve akışkan video gibi yüksek veri hızları gerektiren uygulamalara olan talep hızla artmıştır. Artan
talebi karşılamak üzere 3GPP (3. Nesil Ortaklık Projesi) tarafından LTE (uzun vadeli evrim) standartları
geliştirilmiştir. Bugün itibariyle uzun vadeli evrim hücresel telsiz şebeke teknolojisinde gelinen son standart
olup dünya üzerinde 14 ülkede 19 adet uzun vadeli evrim hizmeti veren şebeke mevcuttur. [1]
Bu çalışmada, uzun vadeli evrim şebekesi boyutlandırması için teknolojik özelliklerinin tanımlanmasının
ardından, kapasite ve kapsama hesaplamaları için model ve metotlar tanımlanıp ve hesaplamalar
gerçekleştirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Dördüncü nesil, LTE, kapsama, kapasite, uzun vadeli evrim, link hesaplamaları, sistem
hesaplamaları
1. Giriş
LTE haberleşmesi, standartları 3GPP (3. nesil ortaklık projesi) tarafından tanımlanmış olan tümüyle IP
tabanlı haberleşme alt yapısına sahip dördüncü nesil haberleşme teknolojisidir. Aşağı linkte 100Mbps ve
yukarı linkte 50Mbps veri hızlarını 10ms lik gecikmelerle gerçekleştirmektedir. Kullanılan ölçeklenebilir
bant genişlikleri 1.4MHz’den 20MHz’e kadar değişkenlik gösterir.
Dördüncü nesil ve üçüncü nesil şebeke yapıları karşılaştırıldığında, üçüncü nesil haberleşme sistemlerinde
yer alan RNC (radyo şebeke denetleyicisi) fonksiyonları LTE’de geliştirilmiş baz istasyonu(eNode B) birimi
içinde yer almakta yine üçüncü nesil sistemlerde yer alan SGSN(GPRS servis birimi) & GGSN(GPRS ağ
geçit birimi) düğümleri yerine LTE’de aGW (erişim ağ geçit birimi) birimi bulunmaktadır. Şekil 1den de
görüleceği üzere kullanılan santral birimlerinin azlığı şebeke mimarisini basitleştirmekte ve maliyeti
düşürmektedir.
Şekil 1 Üçüncü nesil ve dördüncü nesil şebeke mimarileri
Dördüncü nesil haberleşme sistemlerinin geniş bant kullanması, kapasite ve iletim hızları açısından
kendisinden önceki sistemlere göre çok yetenekli olmasını sağlar. Düşük maliyet, küresel standartlaşma,
kişisel ve özel şebekeler, her yerde aynı anda bulunan ve kullanıcıya özel olarak tanımlanmış servisler,
haberleşme-bilgisayar ve içerik sağlayan teknolojilerin yakınsaması, tümüyle IP haberleşmesi dördüncü nesil
haberleşme sistemlerini farklı kılan özelliklerdir.
Tablo 1. LTE Teknolojisinin Özellikleri
Maksimum veri hızı
(20MHz'lik bant genişliği için)
Aşağı link : 100Mbps
Yukarı link: 50Mbps
Abone hareket hızı
0 ile 15km/saat gibi düşük hızlardan 500km/saat kadar yüksek
hızları desteklemektedir
Kontrol katmanı gecikmesi
< 100ms
Kullanıcı katmanı gecikmesi
< 5ms
Kontrol katmanı kapasitesi
(5MHz'lik bant genişliği için)
Hücre başına 200 kullanıcıdan daha büyük
Hücre kapsaması
1-30 km en fazla kullanılan büyüklük olup hücre kapsaması
100km'ye kadar desteklenmektedir.
Kullanılabilir bant genişlikleri
1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz
Bu çalışmada, ülkemizde henüz lisans sözleşmesi yapılmamış olan deneme uygulamaları süren LTE (uzun
vadeli evrim) standardında çalışacak haberleşme sistemleri için kapasite ve kapsama analizi
gerçekleştirilmiştir.
2. LTE’de Kapsama Hesaplamaları
LTE şebekesinde abonenin, sunulan hizmetleri kesintisiz olarak alabilmesi şebeke kapsamasına bağlıdır. Bu
nedenle kapsama hesaplamaları hücre planlamasında önemli bir yere sahiptir. Bu çalışmada kentsel alan
mikro hücre için aşağı link kapsama hesaplamaları Genişletilmiş Hata, Walfish-Ikegami ve 3GPP TS 36.942
olmak üzere üç farklı yol kayıp modeli baz alınarak gerçekleştirilmiştir. Kapsama hesabında kullanılan alıcı
güç ifadesi: [5] [7]
RXPWR = TXPWR – Max(PL – GTX – GRX, MCL)
(1)
olup, RXPWR kullanıcı cihazına gelen sinyali, TXPWR baz istasyonunun çıkış gücünü, GTX baz istasyonu anten
kazancını, GRX kullanıcı cihazı anten kazancını, MCL minimum bağlaşım kaybını ve PL yol kaybını temsil
etmektedir. Hesaplamalarda kullanılan LTE sistem parametreleri tablo 2’de verilmektedir.
Tablo 2. LTE haberleşmesi için kullanılan parametreler
Parametre
Değer
Baz istasyonu anten kazancı (GTX)
15dBi
Baz istasyonu çıkış gücü (TXPWR)
43dBm
Baz istasyonu gürültü faktörü (F)
5dB
Kullanıcı cihazı anten kazancı (GRX)
0dBi
Minimum bağlaşım kaybı (MCL)
70dB
Makro hücre baz istasyonu yüksekliği (Hb)
45m
Mikro hücre baz istasyonu yüksekliği (Dhb)
15m
Kullanıcı cihazı anten yüksekliği (Hm)
1.5m
LTE çalışma frekansları olan 900 MHz, 1800 MHz, 2000 MHz frekanslarında alıcı gücünün mesafeye bağlı
değişimi şekil 2, 3 ve 4’te verilmektedir.
Şekil 2. 900 MHz Mikro Hücre Kentsel Alan
Şekil 3 . 18000 MHz Mikro Hücre Kentsel Alan
Şekil 4. 2000 MHz Mikro Hücre Kentsel Alan
3. LTE Kapasite ve Bant Verimliliği Hesaplamaları
LTE haberleşmesi çok girişli çok çıkışlı (MIMO) kanal yapısına sahiptir. MIMO teknolojisi ile uyarlanabilir
değişken hızlı kodlama (Adaptive Multirate Coding) kullanıldığında LTE yüksek veri hızlarını destekler.
Bu çalışmada aşağı linkte (Baz istasyonundan aboneye doğru olan link) kanal kapasitesi, bant verimliliği
normalize edilmiş Shannon kapasite ifadesi kullanılarak hesaplanmıştır.[6]
ɳ𝐵𝑊
𝐶𝑘 =
𝑄
ɳ𝐵𝑊
𝐶 =
𝑄
𝑄
𝑙𝑜𝑔2 1 + 𝛼𝑘,𝑞 𝛽𝑘,𝑞 ɳ𝑆𝑁𝑅
𝑞=1
𝐾𝑞
𝑆
𝑁
𝑄
𝑙𝑜𝑔2 1 + 𝛼𝑘,𝑞 𝛽𝑘,𝑞 ɳ𝑆𝑁𝑅
𝑘=1 𝑞=1
İfadesinde Q
(2)
𝑆
𝑁
= yatay sönümlemeli alt kanal sayısını
𝛼𝑘,𝑞 = değişik güç kazançlarına sahip alt kanalları (eigen değişkeni)
𝛽𝑘,𝑞 = (k,q)’uncu alt kanal güç yerleşimini
ɳBW = sistem bant genişliği verimliliğini
ɳSNR = sistem S/N verimliliğini
temsil eder.
(3)
LTE kapasite hesaplamalarında kanal iki taraflı gürültü güç spektral yoğunluğuna ( N0/2) sahip ek beyaz
Gauss gürültüsü (AWGN) ile modellenmiştir.
Haberleşmede kullanılan modülasyon performansı sembol hata olasılıkları, P(e), ile tanımlanmış, farklı
sembol sayısına, M, sahip modülasyon türleri arasında karşılaştırma yapabilmek için bit hata olasılıkları,
Pb(e) ve bit hata oranı, BER, hesaplanmıştır. Modülasyon performansını değerlendirmede üç önemli
parametre olan bit hata olasılığı, Pb(e), bit enerjisinin gürültü güç yoğunluğuna oranı 𝜀𝑏 / N0 ve bant
verimliliği Rb/Bw incelenmiştir. Bu parametrelerin ilki iletim güvenilirliğini, ikincisi güç harcamasına bağlı
verimliliği ve üçüncüsü de modülasyonun frekans bandının verimli kullanılmasının göstergesidir.
LTE’de kullanılan modülasyon türleri QPSK (M=4), 16-QAM (M=16) ve 64-QAM’dir (M=64). Verilen
modülasyon türlerinin hata olasılık fonksiyonu, P(e), ise [10]
𝜀𝑏
𝑒𝑟𝑓𝑐
𝑁0
𝑃 𝑒 ≤
2𝑒𝑟𝑓𝑐
log 2 𝑀 sin
3 log 2 𝑀 𝜀 𝑏
2 𝑀−1 𝑁0
𝜋
𝑀
, 𝑀 − 𝑃𝑆𝐾
(4)
, 𝑀 − 𝑄𝐴𝑀
dir. Bu ifadede 𝜀𝑏 bir bitin enerjisini tanımlar. Bir sembolün taşıdığı enerji 𝜀 = 𝜀𝑏 log 2 𝑀 olarak
tanımlanır. Buna göre, S, ortama sembol gücü,
𝑆 = 𝜀𝑏
log 2 𝑀
𝑇
= 𝜀𝑏 𝑅𝑏
(5)
olarak ifade edilir. Rb bit iletim hızıdır.
𝑅𝑏 =
log 2 𝑀
(6)
𝑇
LTE de bant verimliliği birim frekans başına bit hızı olarak tanımlanır. Kullanılan kodlama şeması, yüksek
hızlı paket erişim teknolojisinde kullanılan kodlama şeması ile aynıdır. Her modülasyon türü için hedeflenen
bit hata oranına, Pb,target , bağlı olarak kodlama kazancı, GMSC, hesaplanır. [5]
Kullanılan modülasyon türüne göre bant verimliliği performansı, kod kazancı G MCS, kod hızı(k/n), sembol
başına bit sayısı ve denklem (7)’de tanımlanan hata olasılık fonksiyonundan elde edilir.
𝑛
𝑆
𝐺
𝑃
𝑘 𝑀𝑆𝐶 𝑏,𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡 𝑁
𝑃𝑏,𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡 log 2 𝑀
𝑒𝑟𝑓𝑐 −1
2
3 log 2 𝑀
𝑅𝑏
= 𝑚𝑖𝑛 2 𝑀 − 1
𝐵
2
,
𝑘
log 2 𝑀
𝑛
(7)
Tablo 3’te verilen parametreler ve hedeflenen bit hata oranı, BER, 10-3 için bant verimliliği performansı
sonuçları şekil 4’te verilmiştir.
Şekil 5’te çizdirilmiş olan bant verimliliği grafiği 1x1 SISO (tek girişli tek çıkışlı) anten yapısına göre
hesaplanmıştır. MIMO kanal kapasitesi ise, nt verici nr alıcı anten yapısı ve Rayleigh sönümlü kanalları ile
modellenip paralel kanallardaki güçler water-filling algoritması ile hesaplanarak (şekil 6) çizdirilmiştir. Bu
koşullar altında MIMO, 2x2 anten yapısı ile %70, 2x3 ve 3x2 anten yapısı ile %100, 4x4 anten yapısı ile
%205 oranında kazanç sağlamaktadır. [9]
Tablo 3. LTE Aşağı link parametreleri
Modülasyon
1 QPSK
2 QPSK
3 QPSK
4 QPSK
5 QPSK
6 QPSK
7 QPSK
8 16-QAM
9 16-QAM
10 16-QAM
11 64-QAM
12 64-QAM
13 64-QAM
Kod Hızı (k/n)
1/8
1/5
1/4
1/3
1/2
2/3
4/5
1/2
2/3
4/5
2/3
3/4
4/5
Şekil 5. Bant verimliliği
Şekil 6. MIMO Kapasitesi
4. Sonuçlar
Kaliteli haberleşme için alıcı sinyal duyarlılığının -110 dBm alındığı haberleşme koşullarında 900MHz de
hücre yarıçapı 2000m mertebesinde, 1800 MHz de 1000m mertebesinde ve 2000MHz de ise 800m
mertebesinde elde edilmiştir.
Hesaplamalarda kullanılan Genişletilmiş Hata, Walfish-Ikegami ve 3GPP TS 36.942 modellerinin
birbirleriyle uyumlu sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Şekil 2,3,4.
Şekil 5 de değişik modülasyon ve kodlama türlerine göre bant verimliliği, işaret gürültü oranının 18 dB
değeri için incelendiğinde 64QAM 4/5 kodlamada hertz başına bant verimliliği 4.8 bps olarak elde
edilmiştir. Yüksek veri hızlarında haberleşebilmek için işaret gürültü oranının 10dB’den daha yüksek olması
gerektiği gözlenmiştir.
Şekil 6 da MIMO 2x2 ve 4x4 anten yapılarında kazancın anten sayısıyla orantılı olarak arttığı gözlenmiştir.
Sonuç olarak gerçek zamanlı yüksek hızlı haberleşme sağlayan LTE teknolojizi mobil TV gibi yüksek veri
hızı gerektiren uygulamalarda alternatifsiz olarak gözükmekte ve gelecekte DVB-H teknolojisine rakip
olarak gösterilmektedir.
5. Kaynaklar
[1] 4G Americas “Global 3G Status HSPA / HSPA+ / LTE” 24 Mart 2011.
[2] H. Holma, A. Toskala “LTE for UMTS – OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access” John Wiley &
Sons, 2009
[3] M. Baker, I. Toufik, S. Sesia “LTE, The UMTS Long Term Evolution from Theory to Practice” John
Wiley & Sons, 2010
[4] F. Khan “LTE for 4G Mobile Broadband, Air Interface Technologies and Performance” Cambridge
University Press, 2009
[5] 3GPP TR 36.942 “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Frequency (RF) system
scenarios” Release 8, 2009
[6] P. Vieira, P. Queluz, A. Rodrigues “LTE Spectral Efficiency using Spatial Multiplexing MIMO for
Macro-cells” IEEE 978-1-4244-4242-3 , 2008
[7] Kavas A.,” Cellular Mobile Radio System Design Using Path Loss Calculations” 3rd International
Conference on Electrical and Electronics Engineering, Bursa-Turkey,2003 pp-290-293,Vol.Electronic
ISBN:975-395-667-3.
[8] Zhang L. “Network Capacity, Coverage Estimation and Frequency Planning of 3GPP Long Term
Evolution” Master Thesis, Linköpings Institute of Technology, 2010
[9] H. Ramezani “MIMO Rayleigh fading Channel Capacity” Matlab Central,
http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/12491-mimo-rayleigh-fading-channel-capacity
[10] S. Benedetto, E. Biglieri “Principles of Digital Transmission with Wireless Applications” Kluwer
Academic, Plenum Publishers, New York, 1999.