Femtobu ky pro mobilní sít Long Term Evolution

eské vysoké u£ení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra elektromagnetického pole

Bakalá°ská práce

Femtobu¬ky pro mobilní sít¥ Long Term Evolution

Luká² Kratochvíl

Vedoucí práce:

Ing. Jaroslav Holi², Ph.D.

Studijní program: Elektrotechnika a informatika, strukturovaný, Bakalá°ský

Obor:

Elektronika a sd¥lovací technika

28. kv¥tna 2011

iv

Pod¥kování Touto cestou, bych velmi rád pod¥koval odbornému konzultantovi práce

Ing. Jaroslavu

Holi²ovi, Ph.D. (TMobile International AG ), za jeho podn¥tný a originální p°ístup, který mi umoºnil vypracovat zajímavou bakalá°skou práci na toto téma a který si na mne vºdy na²el £as ve svém nabitém programu. Zárove¬ m·j dík pat°í i vedoucímu bakalá°ské práce

prof. Ing. Pavlu Pecha£ovi,

Ph.D. (Katedra elektromagnetického pole, FEL VUT ), za jeho neskonalou ochotu a pomoc p°i °e²ení problém· teoretického rázu v mé práci.

v

Prohlá²ení Prohla²uji, ºe jsem práci vypracoval samostatn¥ a pouºil jsem pouze podklady uvedené v p°iloºeném seznamu. Nemám závaºný d·vod proti uºití tohoto ²kolního díla ve smyslu 60 Zákona £. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o zm¥n¥ n¥kterých zákon· (autorský zákon).

V Dolních B°eºanech dne 28. 5. 2011

.............................................................

Abstract This work describes implementation of the new concept of home base stations - femtocells for a mobile network LTE. It describes the basic principles and functioning of this concept, especially aspects of radio interface network. The second part is devoted to the analysis the basic parameters femtocells in aspects of data throughput and loss prediction spread in a dened typical at or surrounding development, based on predened models. This analysis will be performed by the simulation LTE radio interface in

R M AT LAB .

Key words: LTE, OFDM, MIMO, femtocells,radio interface, EUTRAN, interference, SINR

Abstrakt Tato práce se zabývá implementací nové koncepce domácích základnových stanic - femtobun¥k do mobilní LTE. Popisuje základní principy a fungování této koncepce p°edev²ím z hlediska radiového rozhraní. Ve druhé £ásti práce se v¥nuje analýze základních parametr· femtobun¥k z hlediska p°enosové kapacity a predikce ztrát ²í°ením jak uvnit° budov, tak v okolní zástavb¥, na základ¥ p°edem denovaných model·. Tato analýza bude provád¥na na základ¥ simulací radiového rozhraní v prost°edí

Klí£ová Slova:

R M AT LAB .

LTE, OFDM, MIMO, femtobu¬ky, radiové rozhraní, EUTRAN, interfer-

ence, SINR

vi

Obsah 1 Úvod

1

2 Mobilní systém LTE

2

2.1

LTE v kontextu mobilních bu¬kových technologií 2.1.1

2.2

. . . . . . . . . . . . . . .

2

Historické pozadí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2.1.2

D·vody a poºadavky technologie LTE

. . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.1.3

Vlastnosti LTE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Ortogonální frekven£ní multiplex OFDM . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Technologie LTE 2.2.1

2.2.1.1

. . . . . . . . . . . . . . . .

10

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.3.1

P°ístupová sí´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.3.2

Jádro sít¥

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.3.3

Radiové rozhraní sít¥ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.3.4

P°enosové protokoly

20

2.2.2 2.3

Výcenásobný p°ístup OFDMA

Anténní technologie MIMO

Architektura sít¥

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.4.1

Vrstva fyzického rozhraní

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.3.4.2

P°enosová struktura kanálu

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Femtobu¬ky 3.1

3.2

24

26

Femtobu¬ky a jejich koncepce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.1.1

Vyuºití femtobun¥k pro LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

Architektura p°ístupové sít¥ LTE pro femtobu¬ky . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.2.1

33

P°ístupové metody

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Analýza Interferencí Femtobu¬ek 4.1

21

Interference

35

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

4.1.1

Interference v rámci jedné vrstvy

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.1.2

Interference mezi dv¥mi vrstvami

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

vii

viii

OBSAH

4.2

Modelová analýza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

4.3

Kalkulace parametr· simulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.3.1

Výpo£et SINR a p°enosové kapacity sít¥

. . . . . . . . . . . . . . . .

44

4.3.2

Parametry simulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4.4

Simulace vnit°ního uspo°ádání femtobun¥k . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.5

Simulace femtobun¥k aplikovaná na vn¥j²í zástavbu . . . . . . . . . . . . . .

51

4.5.1

Otev°ená p°ístupová metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

4.5.2

Uzav°ená p°ístupová metoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

Denice výkonových limit· . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

4.6

5 Záv¥r 5.1

Osobní zhodnocení

61 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

Seznam obrázk· 2.1

Závislost teoretické maximální p°enosové rychlosti na pouºité technologii

. .

3

2.2

Srovnání ²í°ky spektra OFDM a FDMA p°ístupu

. . . . . . . . . . . . . . .

7

2.3

Blokové schema OFDM vysíla£e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.4

Blokové schema OFDM p°ijíma£e

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.5

Cyklický prex

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.6

Porovnání OFDM a OFDMA

2.7

P°enosový model systému MIMO

2.8

Architektura sít¥ LTE pro radiové rozhraní E-UTRAN

2.9

Architektura p°enosových protokol· pro p°ístupovou sí´ (Control

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Plane )

10 12 15

. .

20

2.10 Struktura radiového rámce FDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

2.11 Struktura radiového rámce TDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

2.12 P°enosová struktura RE a RB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.1

Typické p°ipojení makrobun¥k a femtobun¥k do sít¥ operátora . . . . . . . .

27

3.2

P°ipojení femtobu¬¥k v síti LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.1

Ru²ení zp·sobené okolními FAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

4.2

Mezivrstvová interference pro downlink mezi FAP a eNodeB

. . . . . . . . .

40

4.3

Vnit°ní uspo°ádání modelovaného objeku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

4.4

Porovnání downlinku a uplinku LTE MIMO pro ²í°ku pásma 10 MHz

. . . .

45

4.5

Rozloºení SINR pro FAP2 a FAP 3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

4.6

Maximální p°enosová rychlost pro Downlink

4.7

Rozdíl p°enosové rychlosti pro r·zné rozloºení femtobun¥k

4.8

Vliv interferencí femtobu¬ek na kvalitu signálu pro eNodeB vzdálené 400 a

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49 49

700 m. pro uºivatele nevyuºívajícího FAP v reºimu CSG. . . . . . . . . . . .

50

Pokrytí signálem femtobun¥k v zástavb¥ (Otev°ená p°ístupová metoda) . . .

52

4.10 Simulace p°enosových rycholstí aplikovaná na vn¥j²í zástavbu pro downlink .

52

4.11 Závislost p°enosové rychlosti femtobun¥k na jejich vzdálenosti od eNodeB . .

53

4.12 Úrove¬ signálu femtobun¥k v zástavb¥ (Uzav°ená p°ístupová metoda) . . . .

54

4.9

ix

x

SEZNAM OBRÁZK

4.13 Úrove¬ signálu femtobun¥k v rozdílných prost°edích . . . . . . . . . . . . . .

55

4.14 Výkonové limity FAP pro 15 a 10 dBm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

4.15 Výkonové limity FAP pro 23, 15 a 10 dBm . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

4.16 (a) Závislost p°enosových rychlostí na vysílacích výkonech FAP, (b) CDF funkce SINR pro UE p°ipojené k eNodeB

. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.17 Vliv r·zných vysílacích výkon· FAP na velikosti mrtvých zón

. . . . . . . .

58 59

Seznam tabulek 2.1

Standardy LTE

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.2

Základní parametry LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.3

Frekven£ní pásma FDD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.4

Frekven£ní pásma TDD

19

2.5

P°enosové parametry jednotlivých kanál· pro downlink

. . . . . . . . . . . .

19

3.1

Porovnání pikobu¥k a femtobun¥k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

4.1

Zdroje interferencí

39

4.2

Parametry radiové sít¥ LTE

4.3

Parametry FAP a eNodeB

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

xi

Seznam pouºitých zkratek 3GPP AMPS AS AuC CINR CP CSG DAB DSL DVB DwPTS EDGE eNodeB EPC EPS E-UTRAN FDD FGw FTP GP GPRS GSM HARQ HeNB HLR HSPA HSS

3rd Generation Partnership Project Analogue Mobile Phone System Access Stratum Authentication Centre Carrier to Interference and Noise Ratio Cyclic Prex Close Access Method Digital Audio Broadcasting Digital Subscriber Line Digital Video Broadcasting Downlink Pilot Time Slot Enhanced Data rates for GSM Evolution evolved NodeB Evolved Packet Core Evolved Packet System Evolved-UTRAN Frequency Division Duplex Femto Gateway File Transfer Protocol Guard Period General Packet Radio Service Global System for Mobile communications Hybrid Automatic Repeat reQuest Home evolved NodeB Home Location Register High Speed Packet Access Home Subscriber Server

xii

SEZNAM TABULEK

IEEE IMSI IP ISI ICI ITUR

Institute of Electrical and Electronics Engineers International Mobile Subscriber Identity Internet Protocol InterSymbol Interference InterCarrier Interference International Telecommunication Union Radiocommunication Sector

J-TACS LTE LTE-A MAC MISO MIMO MME NAS NMT OAM OFDM OFDMA PCC PCRF PDCP PDN P-GW QAM QoS RB RE RLC RLTV RRC SAE SC-FDMA SIMO SINR

Japanese Total Access Communication System Long Term Evolution Long Term Evolution Advance Medium Access Control Multiple-Input Single-Output Multiple-Input Multiple-Output Mobility Management Entity NonAccess Stratum Nordic Mobile Telephone Open Access Method Orthogonal Frequency Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiple Access Policy Control and Charging Policy Control and charging Rules Function Packet Data Convergence Protocol Packet Data Network PDN GateWay Quadrature Amplitude Modulation Quality of Service Resource blocks Resource elements Radio Link Control Random Linear Time Variant Radio Resource Control System Architecture Evolution Single-Carrier Frequency Division Multiple Access Single-Input Multiple-Output Signal to Interference-plus-Noise Ratio

xiii

SEZNAM TABULEK

S-GW TACS TDD UE UMTS UpPTS USIM UTRAN VoIP WiMAX WLAN

Serving GateWay Total Access Communication System Time Division Duplex User Equipment Universal Mobile Telecommunications System Uplink Pilot Time Slot Universal Subscriber Identity Module Universal Terrestrial Radio Access Network Voice over IP Worldwide interoperability for Microwave Access Wireless Local Area Network

xiv

Kapitola 1 Úvod Mobilní komunikace prochází v prvním desetiletí 21. století zásadní obm¥nou. Moderní sv¥t stále více a více vyuºívá datových sluºeb jednotlivých mobilních operátor· k p°ístupu do celosv¥tové internetové síti. Tím samoz°ejm¥ neustále vzr·stají poºadavky na kvalitu, spolehlivost, dostupnost, rychlost a zabezpe£ení jednotlivých mobilních sítí. Od poslední dekády minulého století do sou£asnosti, jsme zaznamenali tém¥° exponenciální nár·st mobilních datových sluºeb. A to zejména v posledním desetiletí. Bylo proto nezbytné realizovat nové mobilní koncepce, které by stále vzr·stající pot°eby uspokojily. Proto existují koncepce mobilních datových sítí známé jako 3G a 4G. V této práci se budeme zabývat práv¥ jedním takovýmto konceptem mobilní sítí LTE (Long

Term Evolution ), která bude vyuºívat novou

technologii malých základnových stanic, takzvaných femtobun¥k. V úvodu si nastíníme základní vlastnosti a technologie sít¥ LTE. Zam¥°íme se na globální popis z hlediska architektury a radiového rozhraní sít¥. Poté si vysv¥tlíme nový koncept domácích základnových stanic, takzvaných femtobun¥k. P°iblíºíme si jejich koncepci, popis a vyuºití jak pro uºivatele, tak pro mobilní operátory. Analyzujeme si problematiku interferencí femtobun¥k. Pokusíme se na základ¥ navrºeného modelu simulovat radiové rozhraní E UTRAN pro v¥j²í a vnit°ní zástavbu, do které budeme implementovat femtobu¬ky. Pokusíme se zjistit, jaký vliv má nekontrolovatelné roz²í°ení femtobun¥k na kvalitu sít¥ z hlediska datové propustnost. V záv¥ru si denujeme maximální výkonové limity femtobun¥k p°i kterých bude zaji²t¥na minimální degradace jejich systémových parametr·.

1

Kapitola 2 Mobilní systém LTE 2.1 LTE v kontextu mobilních bu¬kových technologií 2.1.1

Historické pozadí

Po£átky vývoje na poli mobilních bu¬kových systém· se za£aly psát ve Spojených státech. V prosinci roku 1947 se v interním materiálu Bellových laborato°í objevil £lánek od D. H. Ringa, který jako první navrhoval koncept mobilní sít¥, rozd¥lené na jednotlivé sektory (neboli bu¬ky)[33]. Tato koncepce umoºnila nár·st kapacity mobilní sít¥, protoºe kaºdá základnová stanice, která pokrývala signálem danou bu¬ku pracovala na jiných kmito£tech neº sousední. Navzájem se neru²ily a poskytovaly uºivatel·m v¥t²í kapacitu p°i daném kmito£tovém pásmu neº koncepce s jednou základnovou stanicí na jednom kmito£tu [27]. V pr·b¥hu 50. a 60. let 20. století probíhal výzkum a vývoj t¥chto technologií p°eváºn¥ pod taktovkou Bell System a AT&T. První testovací sít¥ byly uvedeny do provozu aº v roce 1977. První mobilní sít¥ byly zprovozn¥ny v 80. letech a jednalo se o takzvanou první generaci bu¬kových sítí. Na rozdíl od dne²ních dn· si jednotlivé státy vyvíjely své vlastní koncepce, takºe vznikaly r·znorodé sít¥. K nejznám¥j²ím pat°ily AMPS vyuºívané v USA, TACS a NMT v Evrop¥, J-TACS v Japonsku. Koncepce analogových mobilních systém· nebyla v rámci budoucího celosv¥tového vyuºití perspektivní, protoºe se vyzna£ovala p°íli²nými rozdíly jednotlivých technologií, jejichº spolupráce byla obtíºná. Proto byl vytvo°en standard GSM, který zahájil svoji £innost v polovin¥ roku 1991. GSM se také ozna£uje jako druhá generace [5]. Jednalo se o dob°e propracovaný standard, který odstra¬oval v²echny nedostatky p°edcházejících systém· a umoºnil vznik prvního globálního mobilního telekomunika£ního systému. S p°íchodem internetu vzr·stala pot°eba pouºití datových p°enos· i pro mobilní komunikace. Za£aly se zavád¥t nové standardy vyvinuté 3GPP, která je v sou£asnosti lídrem na poli vývoje standard· pro mobilní sít¥. Tyto standardy pracovaly na principech stávajících

2

KAPITOLA 2.

MOBILNÍ SYSTÉM LTE

3

datových sítí, které byly roz²í°eny o datové sluºby (technologie GRPS a EDGE). Ve víru zm¥n p°icházející s masovým roz²í°ením Internetu, se na p°elomu tisíciletí za£ala up°ednost¬ovat koncepce, která klade dominantní d·raz na datové sluºby t°etí generace. Tyto systémy (WCDMA, HSPA a IEEE 802.16e WiMAX 1.0) umoºnují s vyuºitím nejnov¥j²ích technologií se kterými se setkáme u LTE, veliké datové p°enosy v °ádech desítek aº stovek Mbit/s (obr. 2.1). 3GPP zapo£ala práce na standardu LTE, který je²t¥ náleºel do 3G, re-

Obrázek 2.1: Závislost teoretické maximální p°enosové rychlosti na pouºité technologii

spektive se o n¥m hovo°í jako o 3.9 G v listopadu roku 2004 a nální standardizace (Release 8) byla p°ijata v lednu roku 2008. Nástupci t¥chto standard·, ozna£ovaní jako £tvrtá generace (4G) jsou standardy Long Term Evolution Advanced (Release 10) a IEEE 802.16m WiMAX 2.0. Jedná se o sít¥, které jiº pln¥ podporují IP technologie a díky svému technic kému °e²ení, umoº¬ují skokový nár·st kapacity a rychlosti datových p°enos· v mobilní síti. V sou£asnosti (duben 2011) je v provozu 17 LTE sítí (jako první byly uvedeny do provozu v Norsku a védsku spole£ností TeliaSonera) v n¥kterých státech EU, USA, Japonsku, Hong Kongu a Uzbekistánu [15].

2.1.2

D·vody a poºadavky technologie LTE

Klí£ové poºadavky, které p°im¥ly lídry sv¥tového telekomunika£ního trhu z °ad operátor· a telekomunika£ních spole£ností k vytvo°ení nového standardu pro mobilní sít¥, ²ly ruku v ruce s nár·stem uºivatel· internetu a datových sluºeb a jejich poºadavky na kapacitu, rychlost a kvalitu mobilních sítí. Bylo t°eba vytvo°it standard, který bude nástupcem 3G sítí reprezentovanými technologiemi UMTS/HSPA a bude s nimi bez problém· spolupracovat.

KAPITOLA 2.

4


Bude se jednat o první bu¬kovou sí´ zaloºenou kompletn¥ na IP technologiích a umoºní nár·st p°enosové kapacity, zmen²í p°enosové zpoºd¥ní (latence), zmen²í cenové náklady na provoz, zjednodu²²í architekturu sít¥ a zv¥t²í exibilitu a mobilitu. Hlavní cíle byly 3GPP sjednoceny do n¥kolika nejpodstatn¥j²ích bod· [16]:

•

Spektrální ú£innost bude dvakrát aº £ty°ikrát v¥t²í neº u standardu HSPA Release 6

•

Datový p°enos bude p°evy²ovat 100 Mbit/s ve zp¥tném sm¥ru (downlink) a 50 Mbit/s v dop°ednném sm¥ru (uplink)

•

Latence bude zhruba 2-3 men²í neº u HSPA R6

•

Podpora kvality sluºeb QoS (Quality

•

Úplná implementace IP technologie

•

Vy²²í úrove¬ mobility a zabezpe£ení

•

Vyuºití jak frekven£ního (FDD), tak £asového (TDD) duplexu

•

Niº²í energetická náro£nost koncových za°ízení

•

Frekven£ní exibilita pásma se bude pohybovat od 1.5 MHz aº po 20 MHz

•

Vzájemná kompatibilita s ostatními sít¥mi (pevnými nebo mobilními)

of Service )

Vlastnosti a prametry LTE jsou standardizovány skupinou 3GPP. Kaºdá °ada standardu p°esn¥ a jednozna£n¥ denuje vlastnosti a pouºití jednotlivých £ástí systému. Tyto standardy, v tabulce 2.1, jsou rozd¥leny do n¥kolika skupin, podle toho jaké oblasti se týkají.

Standard 3GPP Popis TS 36.1xx

Poºadavky na radiové vybavení sít¥ (UE, eNodeB, opakova£e, ...)

TS 36.2xx

Fyzická vrstva. Popis, rozd¥lení, vlastnosti

TS 36.3xx

Druhá a t°etí vrstva. Protokoly pro °ízení a kontrolu radiové sít¥

TS 36.4xx

Popis rozhraní S1 a X2. Servisní komunikace sít¥ (signalizace)

TS 36.5xx

Testování sít¥

TS 36.8xx

Specikace radiového p°enosu mezi UE a eNodeB, technické zprávy

TS 36.9xx

Technické zprávy Tabulka 2.1: Standardy LTE

KAPITOLA 2.

2.1.3

5


Vlastnosti LTE

Na základ¥ poºadavk·, které byly vysv¥tleny v p°edchozí kapitole, se za£alo pracovat na p°íslu²né standardizaci. B¥hem realizace se zp°es¬ovaly a upravovaly technické specikace LTE. Základním poºadavkem byl oproti p°edchozímu °e²ení skokový nár·st ²pi£kové datové propustnosti (Peak

data rate )

na 100 Mb/s pro downlink a 50 Mb/s pro uplink se zpoºd¥ní

(latence) maximáln¥ do 20 ms, a to p°i maximálním po£tu aº 200 aktivních ú£astník· na jednu bu¬ku. Aktuální parametry LTE (Release 9) jsou zaznamenány v tabulce 2.2. Tyto vlastnosti byly optimalizovány pro p¥²í nebo pomalu se pohybující ú£astníky rychlostí do 15 km/h. Vysoká p°enosová rychlost bude podporována aº do rychlostí kolem 120 km/h. Maximální rychlost byla stanovena na 350 km/h. V p°ípad¥ zp¥tného sm¥ru se po£ítá s vyuºitím technologie MIMO (popsané v kapitole 2.2.2) ve formátu 2×2 nebo 4×4. pi£ková spektrální ú£innost je pro 2×2 rovna 8.64 bit/s/Hz a pro 4×4 potom 16.32 bit/s/Hz podle simulací LTE rozhraní v [20]. V p°ípad¥ dop°edného sm¥ru potom s koncepcí SIMO ve formátu 1×2 p°ípad¥ 1×4. Kmito£tové spektrum kanál· bylo zvoleno exibiln¥ v závislosti na pouºitých p°enosových kmito£tech od hodnot 1,4 aº 20 kHz blíºe popsáno v kapitole 2.3.3 a tabulkách 2.3 a 2.4 (v²echny tyto hodnoty byly uvaºovány pro Release 8). Vzhledem k poºadavku, ºe celá sí´ bude zaloºena na IP tech-

Teoretická maximální p°enosová rychlost

Downlink: 172.8 Mb/s (2×2 MIMO, kanál 20 MHz) 326.4 Mb/s (4×4 MIMO, kanál 20 MHz) Uplink: 57.6 Mb/s (16QAM 20 MHz) 86.4 Mb/s (64QAM 20 MHz)

Koncepce MIMO

Downlink: 2×2, 4×4 Uplink: 1×2, 1×4

Modula£ní schéma Typ p°ístupu

QPSK, 16 QAM, 64 QAM OFDMA pro Downlink SC-FDMA pro Uplink

í°ka pásma kanálu Frekven£ní rozsah Kapacita sít¥

1.4 ; 3 ; 5 ; 10 ; 15 ; 20 MHz Pásma od 450 MHz do 2.6 GHz >200 uºivatel· na bu¬ku (pro 5MHz spektrum)

Tabulka 2.2: Základní parametry LTE

nologiích, je pot°eba zajistit i °ízení datových tok· v síti mezi koncovými uºivateli. To bude realizováno za podpory technologie QoS [6]. Technologie, které jsou pouºity k zaji²t¥ní vý²e uvedených vlastností jsou detailn¥ popsané v kapitole 2.2.

KAPITOLA 2.

6


2.2 Technologie LTE Úvodem je nezbytné nastínit principy a vlastnosti technologií p°enosu vyuºívaných ve standardu Long Term Evolution. Z celkového pohledu lze °íci, ºe radiové rozhraní LTE obsahuje n¥kolik základních prvk·, které umoº¬ují generovat vysokou datovou propustnost a spl¬ovat v²echny o£ekávané vlastnosti. P°ístupová schémata pro zp¥tný sm¥r (Downlink ) jsou zaloºena na vyuºití p°ístupových ²irokopásmových modulací s kmito£tovým d¥lením kanálu (OFDMA). Pro dop°edný sm¥r (Uplink ) se vyuºívá frekven£n¥ d¥leného vícenásobného p°ístupu na jedné nosné (SC-FDMA). Adaptivní modulace p°ená²eného signálu bude vyuºívat metody QPSK, 16QAM a 64QAM. Kódování bude zaji²t¥no pomocí konvolu£ních kód· a Relase-6 turbo kód·. Anténní systémy budou zaloºeny na principech anténí technologie MIMO (Multiple-Input

Multiple-Output ).

P°ístupové metody budou také podporovat pásma FDD a TDD. D·leºitou inovací je i fakt, ºe tato sí´ bude pln¥ podporovat paketový p°enos dat v radiovém rozhraní. Vyuºití t¥chto technologií, zejména OFDM a MIMO má pro telekomunikace ²iroký význam, °adu p°edností i nedostatku, které budou nastín¥ny v následujících podkapitolách. P°ístup SC-FDMA zde není diskutován a pro podrobn¥j²í seznámení lze vyuºít literaturu [28].

2.2.1

Ortogonální frekven£ní multiplex OFDM

Jedná se o modula£ní formát s více nosnými vlnami, u kterého se vyuºívá vzájemná ortogonalita jednotlivých subnosných kmito£t·, odtud plyne jeho název. OFDM (Orthogonal

Frequency Division Multiplexing )

- ortogonální multiplex s kmito£tovým d¥lením pat°í do

skupiny ²irokopásmových linárních modulací bez pam¥ti, vyuºívající kmito£tového d¥lení kanálu. Zjednodu²en¥ si ji m·ºeme p°edstavit jako °adu separovaných modulací, které jsou od sebe odd¥leny na odstup¬ovaných pozicí (subnosných) v daném frekven£ním pásmu a buzených z jednoho vektrou datových symbol·. Jednotlivé sloºky vektor·

x[n]

potom

reprezentují datové symboly na jednotlivých subnosných. A práv¥ jednotlivé subnosné jsou navzájem ortogonální [25]. Tedy, ºe v maximu jedné subnosné vlny je nulová spektrální hustota ostatních subnosných vln, které ji tak neovliv¬ují. U této modulace se sériový vstupní datový tok s vysokou bitovou rychlostí, na stran¥ vysíla£e, p°evádí sériov¥ - paralelním p°evodníkem na pomalej²í paralelní sloºky s del²í dobou trvání. Jednotlivé sloºky se pak modulují subnosnými vlnami, které mají vhodn¥ nastavené vzájemné rozestupy. Její hlavní p°ínos spo£ívá v ortogonalit¥, kdy m·ºeme nastavit mezi jednotlivými subnosnými vlnami malé rozestupy, coº nám zna£n¥ uspo°í ²í°ku vyuºívaného spektra, jak je znázorn¥no na obrázku 2.2.

KAPITOLA 2.

7


Obrázek 2.2: Srovnání ²í°ky spektra OFDM a FDMA p°ístupu

Nap°íklad v porovnání s klasickým frekven£ním multiplexem FDM získáme aº dvojnásobnou úsporu. Dal²í p°edností je zna£né omezení vzniku shluk· chyb vlivem interferencí na p°enosové cest¥. Toto ru²ení m·ºe u systému s jednou nosnou vlnou znehodnotit n¥kolik vzájemn¥ sousedících symbol·. U OFDM vyuºíváme více navzájem paralelních subkanál·, tedy se tato interference neprojeví takovým zásadním zp·sobem, protoºe je rozloºena ve více subkanálech. Není proto nezbytn¥ nutné vyuºívat sloºité kanálové kódování na detekci a korekci chyb b¥hem p°enosu. Dal²í p°edností OFDM je pom¥rn¥ snadné spracování signálu, protoºe máme tém¥° obdelníkové spektrum. Je p°irozen¥ odolná proti selektivnímiu úniku a vícecestnému ²í°ení signálu, £ehoº se dá vhodn¥ vyuºít p°i imlementaci MIMO technologie. Tato modulace má také dobrou spektrální ú£innost a je pom¥rn¥ jednodu²e implementovatelná. Je pot°eba se také zmínit o hlavních nedostatcích, které této systém provází. Primární nevýhodou je p°edev²ím zna£ná citlivost na frekven£ní posuv subnosných vln nacházejících v malých rozestupech od sebe. Ten vyvolává interference mezi jednotlivými snosnými vlnami, takzvaná ICI (Inter-Carrier

Interference ).

Také je pot°eba si uv¥domit, ºe ochranný

interval, který zabra¬je interferencím a je t°eba ho p°ená²et se po p°ijetí na p°ijímací stran¥ odstra¬uje a dále se nevyuºívá. Tedy £ást p°ená²eného výkonu se pro p°enos datových symbol· v·bec nevyuºije. Dal²í nevýhoda je spojena s komplexní obálkou, kde dochází k jejímu velkému kolísání (Gaussovské rozloºení obálky) a z toho plyne malá ú£innost signálu [9]. I p°es vý²e uvedené vlastnosti je ortogonální multiplex velmi vhodný pro pozemní datovou radiokomunikaci, kde je pot°eba velká p°enosová rychlost a minimální zpoºd¥ní. P°íkladem lze uvést systémy IEEE 802.11b, WLAN, DAB a DVB. Princip OFDM modulace, její zjednodu²ený model p°enosového systému je znázorn¥n na

KAPITOLA 2.

8


obrázku 2.3 pro vysílací £ást a na obrázku 2.4 pro p°ijíma£ [31].

Obrázek 2.3: Blokové schema OFDM vysíla£e

Obrázek 2.4: Blokové schema OFDM p°ijíma£e

Modulovaný signál, který je denován v kmito£tové oblasti je p°iveden do sériov¥ / paralelního p°evodníku, který soust°e¤uje sériové datové symboly do datových blok·

S.

Tyto

sériové bloky jsou následn¥ p°evedeny na paralelní datové toky, které jsou nezávisle na sob¥ modulovány. Výsledkem jsou komplexní vektory

X[N ].

Tyto vektory jsou pomocí inverzní

rychlé Fourierovy transformace p°evedeny na soubor N komplexních vzork· v £asové oblast

x[n].

Skupina N vzork· je poté modulována pomocí inplementa£n¥ efektivního algoritmu

FFT a tím nám vzniknou vzorky namodulovaného signálu v dikrétním £ase. Signál, který

KAPITOLA 2.

9


opou²tí blok IFFT je ozna£ován jako OFDM symboly, a je denován vztahem:

N

1 X n √ x[n] = , x[k] · exp 2jπk N n k=0 pro který platí, ºe

0 ≤ n ≤ N − 1 a 0 ≤ k ≤ N − 1,

(po£et vzork·). Signál v £asové oblasti

x[k]

(2.1)

kde N je délka OFDM symbolu

je modulován komplexní exponenciální funkcí.

Kaºdý z nich se ozna£uje jako pomocná nosná (subnosná) OFDM. Jednotlivé subnosné jsou uspo°ádány tak, ºe jsou k sob¥ navzájem ortogonální. Protoºe se p°i generování OFDM modulovaného signálu vyuºívá IFFT, m·ºe být povaºován za signál, který byl zkonstruován v kmito£tové oblasti. M·ºeme tedy tvrdit, ºe energie kaºdého symbolu je p°ímo transformována do p°ená²ené pomocné nosné vlny. OFDM je jako vícestavová modulace velmi citlivá na mezisymbolovou interferenci ISI (InterSymbol

Interference ).

Tu vyvolává také vý²e zmín¥ná ICI. Tato interference vzniká

díky mnohacestnému ²í°ení p°ená²eného signálu. Vzniklý £asový rozptyl mezi jednotlivými subnosnými, které p°ená²ejí jednotlivé symboly, tak mohou vlivem del²í p°enosové cesty interferovat a zp·sobovat tak potíºe p°i demodulaci signálu, protoºe se st°etávají s ostatními symboly. Ortogonalita subnosných OFDM vyºaduje, aby vysíla£ i p°ijíma£ pracoval na p°esn¥ stejném kmito£tu. Jinak dojde k ztrát¥ ortogonality subnosných, které budou mezi sebou interferovat. Aby k t¥mto jev·m nedocházelo, musíme zavést vhodné kanálové kódování a také takzvaný ochraný interval na za£átku kaºdého OFDM symbolu. Tomuto ochranému intervalu také °íkáme Cyklický prex (CP). CP vytvo°íme tak, ºe posledních G vzork· p°ená²eného symbolu

X[N ]

opakujeme na za£átku kaºdé sekvence.

Obrázek 2.5: Cyklický prex

Délka CP musí být v tomto p°ípad¥ del²í, neº impulzní odezva na daném kanále. Výsledná délka vysílané sekvence je tedy dána sou£tem

N + G.

Tedy m·ºeme tvrdit, ºe p·vodní

N −1 N −1 signál x[n]n=0 je stejný jako xcp [n]n=0 , jehoº délka T je roz²í°ena práv¥ o CP. Tento vztah +G−1 +G−1 xcp [n]N = x[n]N , platí pro −G ≤ n ≤ N − 1. Takto upravený p·vodní vstupní n=0 n=0

KAPITOLA 2.

10


1

signál má po pr·chodu mobilním kanálem

odezvu

+G−1 {y[n]}N . n=0

klickou konvolucí (odtud jeho název) p·vodního signálu

+G−1 {a[n]}N . n=0 vztahu:

−1 x[n]N n=0

Tato odezva je pak cy-

a impulzové odezvy kanálu

2

Z vlastností FFT poté plyne, ºe p·vodní signál lze zrekonstruovat pomocí

+G−1 F F T (n) ({y[n]}N ) n=0 X[N ] = N +G−1 (n) F F T ({a[n]}n=0 )

(2.2)

Tato metoda, zaloºená na efektivní transformaci FFT a je pom¥rn¥ jednoduchá. Navíc se p°i pouºití OFDM modulace p°ímo nabízí, protoºe p°i demodulování signálu, jak je znázorn¥no na obrázku 2.4, se výpo£et FFT se musí provád¥t tak jako tak. Ov²em s nevýhodou, ºe musíme do p°enosu za°adit i CP o délce rovnající se rozprost°ení spoºd¥ní. Musíme tedy p°ipojit redundantní CP, který se pro p°enos informace nevyuºívá. To má za následek sníºení absolutní kapacity p°enosového kanálu [24].

2.2.1.1

Výcenásobný p°ístup OFDMA

V systému LTE se pracuje s p°ístupem OFDMA (Orthogonal

ple Access ),

Frequency Division Multi-

který je vlastn¥ roz²í°ením modulace OFDM, respektive její implementace pro

výcenásobný uºivatelský p°ístup s vyuºitím MIMO technologií. U OFDM modulace jsou v²echny subkanály, které jsou zdruºeny v subnosných £asov¥ invariantní, tedy se nemohou efektivn¥ rozprost°ít po celém spektru viz. obrázek 2.6 [14]. ást spektra m·ºe z·stávat nevyuºitá.

Obrázek 2.6: Porovnání OFDM a OFDMA

V p°ípad¥ OFDMA se subkanály mohou efektivn¥ rozloºit p°es celé frekven£ní pásmo, tedy m·ºe být docíleno efektivního p°id¥lování p°enosových prost°edk· sít¥ a tudíº i zvý²ení

1 Jinak

°e£eno, jedná se o náhodn¥ lineární £asov¥ prom¥nný kanál (RLTV channel), tedy kanál, který

se obecn¥ sí°í k p°ijíma£i r·znými cestami, s r·zným zpoºd¥ním, útlumem a fází. V¥t²ina cest ²í°ení vzniká odrazem, ohybem nebo rozptylem od rozli£ných p°ekáºek. 2 dopln¥né nulami na délku N

KAPITOLA 2.

11


p°enosové kapacity i po£tu uºivatel·. Tím je také umoºn¥no vyhnout se t¥m subkanál·m, na které p·sobí ru²ení a tím vyuºívat mén¥ robustn¥j²í modula£ní schémata. Je mnohem výhodn¥j²í OFDMA pouºívat pro downlink z d·vodu nízké sloºitosti p°ijíma£e (ov²em podstatn¥ v¥t²í sloºitosti vysíla£e) [31].

2.2.2

Anténní technologie MIMO

Anténní komunika£ní systém MIMO (Multiple-Input

and Multiple-Output ), který byl poprvé

nastín¥n pro vyuºití v mobilních telekomunikacích v polovin¥ devadesátých let dvacátého století, je anténní systém vyuºívajících více vysílacích i p°ijímacích antén pro radiokomunikaci. Tato technologie se bude vyuºívat ve dvou schématech. V p°ípad¥ downliku se bude jednat o reºimy 2×2 p°ípad¥ 4×4. V p°ípad¥ uplinku, vzhledem k omezeným moºnostem ú£astnických za°ízení z hlediska velikosti a moºnostem napájení, se bude vyuºívat takzvané SIMO (Multiple-Input

and Multiple-Output )

s jednou vysílací anténou v reºimech 1×2 p°í-

pad¥ 1×4. MIMO antény tak spole£n¥ s p°ístupem OFDMA jsou hlavním str·jcem vysoké datové propustnosti sítí LTE. Kaºdá z vysílacích antén vysílá v jednom vysílacím kanálu sv·j unikátní datový signál. A kaºdá z jednotlivých antén pak p°ijímá nezávisle na sob¥ signály vyslané v²emi vysílacími anténami, jak je ukázáno na obrázku 2.7. Tyto signály se k anténám na p°ijímací stran¥ dostanou p°ímým ²í°ením od vysíla£e (p°ímé ²í°ení prost°edím, viditelná vzdálenost), nebo v £ast¥j²ím p°ípad¥ nep°ímím ²í°ením (odrazy od zemského povrchu, budov, atd.). N¥které signály mohou vlivem odraz· dorazit se zpoºd¥ním, coº ov²em není nevýhodou, nebo´ i tyto odraºené signály p°ená²ejí datový tok. Teoreticky lze konstatovat ºe n-krát více cest je rovna n-krát v¥t²í datové propustnosti. P°ijímací £ást v²echny signály samostatn¥ separuje, demoduluje a dekóduje a poté konstruktivn¥ kombinuje, £ímº vytvo°í výsledný výstupní signál. D·leºitou £inností p°ijíma£e je pot°eba správného a rychlého rozli²ení a rozd¥lení jednotlivých p°ijímaných signál·. Proto je kodér kaºdého vysíla£e kódován ur£itými, nezam¥nitelnými vzájemn¥ ortogonálními kódy, které jsou následn¥ modulovány v OFDM modulátoru. Takové kódování a dekódování je ov²em výpo£etn¥ náro£né. Výrazný argument pro vyuºívání MIMO antén, je podstatný nár·st kapacity p°enosového kanálu, protoºe se b¥hem p°enosu signálu prost°edím vytvo°í více nezávislých cest ²í°ení v prost°edí, takzvané vícecestné ²í°ení signálu. Tím se zvý²í spektrální ú£innost a pokrytí daného prostoru signálem p°i men²í energetické ú£innosti (na rozdíl od d°ív¥j²ích systém· s jedním p°enosovým kanálem).

3

Model, který reprezentuje základní principy signálového modelu MIMO obrázku 2.7 s pouºitím [26] a [19].

3 Konkrétn¥

se jedná o model ²í°ení SingelUser MIMO.

je vysv¥tlen podle

KAPITOLA 2.

12


Obrázek 2.7: P°enosový model systému MIMO

Abychom byly schopni popsat p°enosové vlastnoti MIMO zavádíme si takzvaný p°enosový systémový model. Tedy se snaºíme o vektorový popis p°enosových parametr· pomocí matic. Nejd°íve si denujeme p°ená²ený signál pro kaºdý pár vysílacích a p°ijímacích antén, jako:

x(t) = Hs(t) + n(t) kde,

x(t)

denuje p°ijatý signál antény

m

v £ase

t. Hs(t)

(2.3)

reprezentuje p°enosové parametry

prost°edí (ztráty ²í°ením) spole£n¥ s p°ená²eným signálem. Parametr

n(t)

je (Gaussovský)

²um prost°edí, ve kterém se signál ²í°í. Lze tedy tvrdit, ºe se snaºíme najít takovou mate matickou transpozici skute£ného fyzikálního systému, na systém který má paralelní p°enosové cesty, protoºe matematický popis skute£ného fyzikálního systému s výcecestným ²í°ením by byl extrém¥ obtíºný. Rovnici 2.3 lze také denovat v maticovém tvaru. Nejprve si ur£íme vysílaný signál v £ase jako maticici

X o velikosti

antén za dobu trvání v £ase signálu

R o velikosti

T

(N × T )

ozna£ující sadu signál· p°ená²ených z

je po£et antén na stran¥ p°ijíma£e. Matice, která nám

bude reprezentovat p°enosový kanál ozna£íme

p°edpokladu ºe

H

N

je pro

T

vysílacích

(perioda). Podobn¥ si zavedeme matici celkového p°ijatého

(M × T ), kde M

z kaºdé vysílací antény

N

na kteroukoli z

M

H

(M × N ),

která modeluje ú£inky ²í°ení

p°ijímací anténu p°es libovolnou nosnou, za

konstantní. Tato p°enosová rovnice má tvar

R=H·X+N

(2.4)

a maticovém vyád°ení potom :



r1,1 . . . r1,M

  r2,1 . . . r2,M  . . ..  . . . .  . rT,1 . . . rT,M





h1,1 . . . h1,M

    h2,1 . . . h2,M = . . ..   . . . .   . hN,1 . . . hN,M

 

x1,1 . . . x1,N

    x2,1 . . . x2,N · . . ..   . . . .   . xT,1 . . . xT,N





n1,1 . . . n1,M



    n2,1 . . . n2,M + . . ..   . . . .   . nT,1 . . . nT,M

    

KAPITOLA 2.

kde,

N

13


je p°idaná ²umová matice o rozm¥rech

(M × T )

v²ech p°ijímacích antén

M.

umová

matice nám vyad°uje míru ²umu, který je p°ijímán p°ijímacími anténami. Koecienty signály

H a

X jsou navzájem závislé.

Teoretická maximální p°enosová kapacita systému MIMO je denována na základ¥ výkonu. Kapacita je dána za p°edpokladu p·sobení gaussovkého ²umu takzvanou Shannonovu rovnici. P°enosová kapacita se nej£ast¥ji uvádí v bitech/sec/Hz. Výpo£et je závislý na dvou faktorech. Jednak na typu pouºitého anténího systému

→

SIMO, MISO nebo MIMO. A také

na skute£nosti, zda vysíla£ dop°edu zná stav a parametry p°enosového kanálu takzvaný

Openloop system,

nebo nezná a pak se jedná o

H , coº je

Closeloop system.

Celková p°enosová kapacita vychází z Shannonovy rovnice, která nám °íká, ºe kapacita vzr·stá logaritmicky s výkonem vysílací antény podle vztahu

C = bw · log2 (1 + SN R) [bit/sec/Hz] kde

bw

C

SN R

nám denuje celkovou p°enosovou kapacitu.

(2.5)

je odstup signálu od ²umu a

udává celkovou ²í°ku pásma p°enosového kanálu. V na²em p°ípad¥, kdy vysíla£ nemá

informace o p°enosovém kanálu a navíc bychom cht¥li v na²í rovnici brát v úvahu Gaussovký ²um a ²í°ku pásma p°ená²eného kanálu, má na²e vyjád°ení tvar:

CM IM O = bw · log2 kde,

IN

je identita matice

S det IN + HHH 2 M ·σ

(M × M ). S

²um, coº je sou£in tepelného ²umu nedeterministické povahy.

()H

nt

[bit/sec/Hz]

je parametr vysílaného signálu,

a ²umu p°ijíma£e

nT X .

σ

(2.6)

denuje celkový

V tomto p°ípad¥ je matice

H

je Hermitovský operátor. Pokud bychom uvaºovali, ºe po£et

antén na obou stranách je ekvivalentní

(M = N ), tak lze tvrdit, ºe kapacita vzr·stá lineárn¥

s po£tem antén. Jak bylo uvedeno vý²e, technologii MIMO m·ºeme rozd¥lit na t°i kategorie. V systému LTE bude nej£ast¥ji vyuºívána MISO, tedy více vysíla£· na stran¥ eNodeB a jedna p°ijímací anténa na stran¥ UE. V tomto p°ípad¥ je

PN

j=1

|Hj |2 = λi .

M =1

a vlastní vektor sou£inu matic

HHH =

Celkovou p°enosovou kapacitu tak budeme po£ítat podle vztahu 2.7, který

ji denuje jako:

N X

S · λi C= log2 1 + nt · nT X j=1

[bit/sec/Hz]

(2.7)

M·ºeme ov¥°it, ºe p°i vyuºití MIMO technologie s navzájem ortogonálními kanály dojde k citelnému zvý²ení p°enosové kapacity na rozdíl od klasických jednokanálových systém·.

KAPITOLA 2.

14


D·vodem jsou tém¥° nulové vzájemné interference mezi nezávislými subkanály. A v p°ípad¥, ºe zvy²ujeme po£et antén, m·ºeme teoreticky tvrdit, ºe p°enosová kapacita se zv¥t²uje logaritmicky.

2.3 Architektura sít¥ Jak bylo uvedeno jiº v druhé kapitole, sí´ LTE je konstruována na principu p°epojování paket·, nikoli na principu p°epojování okruh· jako p°edcházející bu¬kové koncepce. P°i standardizaci se po£ítalo s plnou podporou technologie na principu IP (Internet mobilními stanicemi UE (User

Network ).

Protocol )

mezi

Equipment ) a datovými paketovými sít¥mi PDN (Packet Data

Vývoj mobilní sít¥ LTE navazuje na technologické principy vyuºívané v sítích

3G (UMTS, HSPA). LTE je zaloºena na radiovém rozhraní ozna£ovaném jako E-UTRAN, které spole£n¥ s paketovou sítí EPS (Evolved (System

Architecture Evolution ).

EPC (Evolved

Packet Core ),

Packet System )

a UE tvo°í architekturu SAE

Jádro této sít¥ se poté souhrn¥ ozna£uje jako paketová sí´

ve které jsou lokalizovány °ídící, spojovací a kontrolní prvky

sít¥. V systému EPC se vyuºívá konceptu EPC nosi£· slouºících ke sm¥rování datových (IP) tok· z brány v PND na UE. Nosi£em se ozna£ují pakety, které mají denovaný QoS (Quality

of Service ).

EUTRAN a EPC si poté nastavují a p°edávají datové toky tak, jak to po nich

poºadují p°íslu²né (uºivatelské) aplikace. EPS tedy poskytuje uºivatel·m IP konektivitu do PDN sítí, aby mohli p°istupovat k Internetu a vyuºívat jeho sluºeb, jako jsou nap°íklad hlasové sluºby VoIP. Umoº¬uje také spojení do více datových sítí najednou, takºe uºivatel muºe vyuºívat sluºeb VoIP a zárove¬ procházet web, nebo t°eba sdílet data pomocí FTP. Sí´ musí ov²em zabezpe£ovat dobrou ochranu soukromí pro uºivatele i zabezpe£ení proti neºádoucím pr·nik·m do sít¥. To zaji²tuj¥ d·myslné ²ifrování p°ená²ených uºivatelských i servisních dat, které je dosaºeno pomocí n¥kolika síóvých prvk· EPC [29]. Celková architektura sít¥ LTE je znázorn¥na na obrázku 2.8 [1], v£etn¥ jednotlivých síóvých prvk· a s nimi souvisejících rozhraní. Na nejvy²²í úrovni je sí´ sloºená z jádra sít¥, neboli EPC (Evolved

Packet Core )

a z p°ístupové sít¥ (E-UTRAN). Kaºdá £ást sít¥ se skládá z logi

ckých prvk·, které jsou propojeny rozhraními. Tyto prvky a rozhraní jsou standardizovány, aby byla moºná jejich vzájemná kompatibilita a operátor mohl pouºívat r·zné £ásti sít¥ od r·zných výrobc·. V následujících kapitolách si popí²eme funkce jednotlivých £ástí, i to jak vzájemn¥ spolupracují.

KAPITOLA 2.


15

Obrázek 2.8: Architektura sít¥ LTE pro radiové rozhraní E-UTRAN

2.3.1

P°ístupová sí´

P°ístupová sí´ EUTRAN se skládá ze systému vzájemn¥ propojených základnových stanic 3. generace nazývaných eNodeB. Tyto vysíla£e jsou mezi sebou propojeny p°es rozhraní X2 a do sít¥ EPC pomocí S1 rozhraní. S jednotlivými mobilními za°ízeními komunikují pomocí rozhraní LTEUu. P°enosové protokoly jsou blíºe popsány v kapitole 2.3.4. Na rozdíl od d°ív¥j²ích koncepcí mobilních sítí, p°ístupová sí´ EUTRAN p°ebírá n¥které °ídící prvky od vlastního jádra sít¥ a tím redukuje jednak kvantitu p°ená²ených °ídích zpráv mezi sítí a EPC a také rychlost, s jakou jsou poºadavky od UE vy°ízeny. Mezi primární

KAPITOLA 2.

16


úkoly p°ístupové sít¥ pat°í zejména zaji²t¥ní bezproblémového p°enosu uºivatelských a °ídích dat, p°enos kontrolních zpráv, dynamické p°id¥lování volných zdroj· radiové sít¥ pro UE a zaji²t¥ní n¥kterých funkcí, jenº d°íve spadaly do kompetence °ídících prvk· sít¥, jako je nap°íklad handover. Obecn¥ se tyto vlastnosti denují jako management správy sít¥. Mezi dal²í úkoly pat°í zabezpe£ení, kdy ve²kerá p°ená²ená data jsou ²ifrována pomocí HSS a USIM (Universal

Subscriber Identity Module ), coº je uºivatelská identika£ní karta v UE. Dále pak

zaji²újí kompresi záhlaví IP paket· pro efektivn¥j²í vyuºití radiového rozhraní a spojení s EPC pomocí pevného, nebo mikrovlnného spoje.

2.3.2

Jádro sít¥

EPC je odpov¥dné za celkovou kontrolu UE a °ízení datového toku. Skládá se ze t°í hlavních logických uzl·: PDN brány PGW, Servisní brány SGW a °ídícíhoho uzlu MME (Mobility

Management Entity ) a na n¥ navazující: Domovský ú£astnický server HSS (Home Subscriber Server )

a kontrolní prvek sít¥ PCRF (Policy

Control and Charging Rules Function ).

Kaºdá

z díl£ích £ástí systému plní své úlohy, které jsou dále popsány pomocí [17] a [2].

MME je °ídícím prvkem EPC a zárove¬ zaji²úje p°ímé spojení s UE, které je vyuºíváno 4

jako hlavní servisní spojení mezi UE a sítí . MME je zodpov¥dné za Mobility managment sít¥, které obná²í autentizaci p°ihla²ovaných ú£astník· do sít¥, kdy kaºdé UE se do sít¥ p°ihla²uje pod unikátním IMSI £íslem. Dále je zodpov¥dné a správu v²ech UE, které jsou do sít¥ p°ihlá²eny a tyto informace postupuje ostatním prvk·m sít¥. Zodpovídá za nastavení a provoz radiových prvk· sít¥, nap°. p°id¥luje IP adresy, ²ifruje datovou komunikaci, spravuje handover nebo zodpovídá za bezproblémovou signalizaci mezi eNodeB a SGW. Také spolupracuje s ostatními MME v síti, kterým p°edává informace ze svého pole p·sobnosti o UE (status UE nebo handover).

PGW,

neboli brána datové paketové sít¥ se m·ºe denovat jako router mezi EPS a

externí paketovou datovou sítí. Její typickou funkcí je p°id¥lování IP adres UE, nebo t¥m mobilním za°ízením, které komunikují s externí sítí, jako je kup°íkladu internetové p°ipojení. Zárove¬ °ídí QoS a datovou propustnost k jednotlivým UE na základ¥ pravidel, která jsou obsaºena v PCRF.

SGW spravuje, nastavuje a obsluhuje routování a sm¥rování datového p°enosu mezi UE a sítí, a to i v p°ípad¥ pokud se uºivatel pohybuje mezi jednotlivými základnovými stanicemi, na základ¥ p°íkaz· obdrºených od MME. Jeho správní funkce je omezená a soust°e¤uje se pouze na sb¥r informací o jednotlivých UE, jako je nap°íklad objem p°enesených dat, hovor·

4 toto

spojení se nevyuºívá k p°ená²ení uºivatelských dat, ale pouze jako servisní kanál

KAPITOLA 2.


17

atd. Také slouºí jako sty£ný bod pro spolupráci s ostatními typy mobilních sítí (GPRS, UMTS,. . . ).

PCRF

je kontrolní prvek sít¥. Zodpovídá za °ízení datových sluºeb a autorizuje QoS,

p°i kterém spolupracuje s P-GW a S-GW. Soubor pravidel a p°íkaz·, které poskytuje ob¥ma branám se nazývají PCC a jsou p°edány vºdy, kdyº je zahájena nová datová relace. PCRF tedy primárn¥ rozhoduje o tom, jaké sluºby budou danému uºivateli na základ¥ jeho prolu poskytnuty.

HSS je hlavní databází uºivatel· v síti. Obsahuje ve²keré uºivatelské informace, které jsou pot°eba k poskytování hlasových, datových i jiných sluºeb. Poskytuje informace nezbytné pro hlasové sluºby, jako je routování a roaming hovor·, autentizace a autorizace. HSS je zodpov¥dné za p°edávání identika£ních údaj· o uºivateli, aby mohl být identikován, autorizován a registrován v rámci celé sít¥. Skládá se z n¥kolika funk£ních blok·, nejd·leºit¥j²í je domovský ú£astnický registr (HRL) a autentiza£ní centrum (AuC). HLR spravuje informace o UE a zárove¬ poskytuje informace o dal²ích mobilních sítí, do kterých se m·ºe uºivatel p°ipojit (GSM, UMTS). AuC zabezpe£uje identikaci uºivatel· na základe IMSI. Obsahuje identika£ní klí£ pro kaºdého uºivatele, na jehoº základ¥ je tvo°eno zabezpe£ení p°ená²ených dat.

2.3.3

Radiové rozhraní sít¥

Radiové rozhraní sít¥ E-UTRAN, zaji²úje radiovou komunikaci mezi UE a EPS. Je sloºeno z v¥t²ího po£tu základnových stanic eNodeB, které jsou navzájemn¥ propojeny. Komunikují na jedné stran¥ s UE a na druhé stran¥ zodpovídají za radiový provoz. E-UTRAN zaji²úje pokrytí dané oblasti signálem pomocí radiových antén na p°íslu²ných kmito£tech. Zabezpe£uje radiový p°enos a zaji²úje dynamické p°id¥lování p°enosové rychlosti na zá klad¥ konkrétních p°enosových podmínek a provádí celkovou kontrolu radiové £ásti sít¥. Jeho d·leºitou vlastností je ²ifrování p°ená²ených dat a zabezpe£ení ú£inného vyuºívání p°id¥leného spektra tak, ºe provádí kompresy hlavi£ek IP paket·. To se projeví zejména u malých paket·, kdy velikost hlavi£ek je men²í, nebo srovnatelná s p°ená²enými daty. V²echny tyto funkce jsou zaji²óvány p°ímo z eNodeB a kaºdá z nich m·ºe být zodpov¥dná za °ízení i více okolních bun¥k. To umoº¬uje efektivn¥j²í správu sít¥, která se projeví na sníºení latence a v¥t²í efektivit¥ p°enosu [29]. Frekven£ní spektrum radiové sít¥ je standardizováno v 3GPP standardu [2] a je rozd¥leno na dv¥ £ásti. Na párové a nepárové kmito£ty jak je znázorn¥no v tabulkách 2.3 a 2.4. Na rozdíl od UMTS bude u LTE ²í°ka pásma kanálu maximáln¥ 20 MHz. Koncová za°ízení (UE) budou mít k dispozici ²et r·zných p°enosových pásem daného kanálu, ve kterém bude

KAPITOLA 2.

18


p°ená²en p°esn¥ denovaný maximální moºný po£et RB (Resource

Blok )5 NRB . Tyto bloky

slouºí pro p°enos uºivatelských a °ídících dat. Jejich rozd¥lení podle ²í°ky pásma kanálu je popsáno v tabulce 2.5 [2]. Pouºití dané ²í°ky pásma primárn¥ zavisí na kmito£tu, na kterém bude v daném stát¥ provozována LTE sí´ a to bu¤ v FDD nebo TDD pásmu. Kaºdý nový kmito£et z dané frekven£ní oblasti má pevn¥ dané kanály a záleºí jen na provozovateli

Pásmo

Název

E-UTRA

Pásmo Uplink Pásmo Downlink í°ka pásma kanálu [MHz]

[MHz]

[MHz]

1

2100

1920 1980

2110 2170

5, 10, 15, 20

2

1900

1850 1910

1930 1990

1.4, 3, 5, 10, 15, 20

3

1800

1710 1785

1805 1880

1.4, 3, 5, 10, 15, 20

4

1700/2100

1710 1755

2110 2155

1.4, 3, 5, 10, 15, 20

5

850

824 849

869 894

1.4, 3, 5, 10

6

800

830 840

875 885

5, 10

7

2600

2500 2570

2620 2690

5, 10, 15, 20

8

900

880 915

925 960

1.4, 3, 5, 10

9

1700

1749.9 1784.9

1844.9 1879.9

5, 10, 15, 20

10

1700/2100

1710 1770

2110 2170

5, 10, 15, 20

11

1500

1427.9 1447.9

1475.9 1495.9

5, 10

12

US 700

698 716

728 746

1.4, 3, 5, 10

13

US 700

777 787

746 756

5, 10

14

US 700

788 798

758 768

5, 10

15

Rezervováno

16

Rezervováno

17

US 700

704 716

734 746

5, 10

18

Japan 800

815 830

860 875

5, 10, 15

19

Japan 800

830 845

875 890

5, 10, 15

20

832 862

791 821

5, 10, 15, 20

21

1447.9 1462.9

1495.9 1510.9

5, 10, 15

Tabulka 2.3: Frekven£ní pásma FDD

5 RB

je základní p°enosový prvek fyzické vrstvy, popsaný v kapitole 2.3.4.2

KAPITOLA 2.

Pásmo

19


Název

Pásmo Uplink Pásmo Downlink í°ka pásma kanálu

E-UTRA

[MHz]

[MHz]

[MHz]

33

UMTS TDD 1

1900 1920

1900 1920

5, 10, 15, 20

34

UMTS TDD 2

2010 2025

2010 2025

5, 10, 15

35

US 1900 UL

1850 1910

1850 1910

1.4, 3, 5, 10, 15, 20

36

US 1900 UL

1930 1990

1930 1990

1.4, 3, 5, 10, 15, 20

37

1US 1900

1910 1930

1910 1930

5, 10, 15, 20

38

2600

2570 2620

2570 2620

5, 10, 15, 20

39

UMTS TDD

1880 1920

1880 1920

5, 10, 15, 20

40

2300

2300 2400

2300 2400

5, 10, 15, 20

Tabulka 2.4: Frekven£ní pásma TDD

jaké pouºije. Podle daného frekven£ního spektra, které má k dispozici, se v¥t²inou rozhoduje na základ¥ hustoty obyvatel v dané lokalit¥ (£ím je v¥t²í hustota obyvatel na bude vyuºívána v¥t²í ²í°ka kanálu). Odstup mezi jednotlivými subnosnými

∆f

km2 ,

tím

je 15 kHz,

V p°ípad¥ LTAA (Release 10) potom i 7,5 kHz. Na kaºdý subrámec potom p°ipadá 7 (nebo 6 v závislosti na délce CP) OFDM symbol·. Detailnímu popisu se v¥nuje kapitola 2.3.4.1. Samotný proces standardizace nebyl jednoduchý, protoºe v r·zných £ástech sv¥ta se pouºívají stejné mobilní sít¥ na r·zných kmito£tech. V Evrop¥ je k dispozici 565 MHz spektrum dostupné pro mobilní operátory které obsahuje kmito£ty 900/1800/2100 MHz a 2600 MHz frekven£n¥ d¥leného duplexu (FDD). Pásmo 2600 MHz se dá vyuºít jak pro TDD tak FDD, ale v praxi je vyuºíváno jen pro FDD. V USA pak bude LTE vyuºívat kmito£ty 700/1700/2100 MHz a v Japonsku nejprve 2100 MHz, následn¥ pak 800/1500/1700 MHz.

í°ka pásma kanálu [MHz]

1.4

3

5

10

15

20

NRB

6

15

25

50

75

100

Odstup subnosných

15 kHz (7.5 kHz)

Po£et OFDM symbol·

7 (6)

Tabulka 2.5: P°enosové parametry jednotlivých kanál· pro downlink

KAPITOLA 2.

2.3.4

20


P°enosové protokoly

P°enosové protokoly, které se vyuºívají pro p°enos IP paket· v rámci LTE sít¥ jsou znázorn¥ny na obrázku 2.9, kde jsou rozd¥leny do ²esti vrstev. Zobrazované protokoly jsou tunelovány mezi MME a UE pomocí eNodeB. Obecn¥ lze o celém systému LTE °íci, ºe pro r·zná rozhraní jsou pouºity r·zné p°enosové protokoly. Ty byly vyvinuty a standardizovány 3GPP a reprezentují standardní internetové protokoly, pouºívané pro p°ipojení r·zných za°ízení do mobilní sít¥. V na²em p°ípad¥ femtobu¬ek. 3GPP vícemén¥ denovala pouze zp·soby, jak mají být protokoly implementovány do jednotlivých prvk· sít¥ [30].

Obrázek 2.9: Architektura p°enosových protokol· pro p°ístupovou sí´ (Control

Plane )

Protoºe se v této práci primárn¥ zabýváme radiovým rozhraním (tedy fyzickou vrstvou), budeme primárn¥ diskutovat pouze ty protokoly, které se pouºívají na rozhraní mezi UE a eNodeB (respektive HeNB pro femtobu¬ky). Celkové informace o p°enosových protokolech pro rozhraní LTEUu jsou popsány ve standardech °ady TS 36.2xx. Architektura p°enosových protokol· EUTRAN se primárn¥ rozd¥luje na dv¥ £ásti. První, takzvaná uºivatelská £ást (User

Plane ) je souhrnné ozna£ení pro v²echny IP protokoly, které jsou p°ená²eny mezi uºiva-

telským za°ízením a sítí a (Control

Plane ) zaji²tuje datovou, °ídící a dohledovou komunikaci

mezi uºivatelským za°ízením a sítí. Základní vlastnosti uvedených protokol· jsou nastín¥ny níºe [30].

Vrstva NAS (Non-Access

Stratum ): Kontrolní protokol NAS, který je na rozdíl od

ostatních terminován v MME je primárn¥ zodpov¥dný za správu p°enosové cesty v rámci EPS. Je zodpov¥dná za autentikaci a kontrolu zabezpe£ení p°enosové cesty.

Vrstva RRC (Radio Resource Control ): P°enos systémových informací, zabezpe£uje ve²keré procedury pro zaji²t¥ní spojení mezi UE a eNodeB. Potvrzuje zabezpe£ení p°esnosu a zodpovídá za konguraci niº²ích vrstev.

KAPITOLA 2.

21


Vrstva PDCP (Packet

Data Convergence Protocol ): Tato vrstva zpracovává a

p°edává signaliza£ní a uºivatelské zprávy z RRC a uºivatelské IP pakety pro vy²²í vrstvy. Mezi primárním úkoly PDCP vrstvy pat°í ²ifrování p°ená²ených dat a ochrana jejich integrity v závislosti na daném typu p°enosu této vrstvy . Podpora pro prioritní p°enos dat a p°edávání hovoru handover. V neposlední °ad¥ má také na starosti kompresi záhlaví datových paket·. Zárove¬ je zodpov¥dná za konguraci niº²ích protokolárních vrstev.

Vrstva RLC (Radio Link Control ): Jejím úkolem je sestavení datových celk· p°icházejících z vy²²í vrstvy na takové paktey, které se budou p°ená²et radiovým rozhraním k uºivateli. Pro nosi£e, které pot°ebují bezestrátový p°enos vrstva RLC provádí op¥tovný p°enos a obnovení t¥ch paket·, které se b¥hem p°enosu znehodnotily. Krom¥ tohoto RLC zabezpe£uje vyrovnávání poruchového p°ijmu díky HARQ (Hybrid

Automatic Repeat reQuest ),

který je

provozován na niº²í vrstv¥.

Vrstva MAC (Medium

Access Control ): Tato vrstva zodpovídá za multiplexování

a demultiplexování dat z RLC do první vrstvy. Rozhoduje o datovém p°enosu, který m·ºe být zaji²t¥n UE s ohledem na QoS. Pro uplink tento proces zahrnuje informování eNodeB o velikosti vyrovnávací pam¥ti pro p°enos dat. Zaji²úje opravu chyb vzniklých p°i p°enosu pomocí HARQ. Pomocí dynamického plánování zaji²új¥ prioritní odbavení mezi UE. A také ur£uje priority pro vrstvu RLC. P°enosové kanály této vrstvy se d¥lí do dvou druh·. Jednak je to takzvaný °ídící kanál (Control a p°epravní kanál (Trac

Channel )

Channel ) zodpov¥dný za °ízení datového p°enosu

pro p°enos uºivatelské informace.

Vrstva fyzického rozhraní (Physical

layer ): Protoºe se autor v této práce zam¥°uje

na fyzické radiové rozhraní, je tato vrstva detailn¥ji diskutována v kapitole 2.3.4.1.

2.3.4.1

Vrstva fyzického rozhraní

Nejpodstatn¥j²í vrstva p°enosové cesty zaji²úje radiový p°enos na rozhraní LTEUu [3]. Tedy její hlavní role spo£ívá v p°ekladu datového p°enosu do takové formy, aby ji bylo moºné p°ená²et p°es radiové rozhraní. Poskytuje transportní kanály vrstv¥ MAC, zaji²tuje zabezpe£ení p°ená²ených dat v·£i ru²ení (kanálové kódování), provádí modulaci a demodulaci. Protokoly, které zaji²tují komunikaci mezi eNodeB a UE jsou obecn¥ nazývány jako protokoly p°ístupové vrstvy AS (Access

Stratum ).

Tato radiová vrstva je zodpov¥dná

za dostate£né pokrytí signálem za r·zných podmínek a scéná°· pro r·zné typy bun¥k od makrobun¥k po femtobu¬ky. Musí zajistit mobilitu pro ú£astníky pohybující od b¥ºné ch·ze po rychlosti dosahující teoreticky aº 500 km/h a rozp¥tí nosných kmito£t· od 450 MHz do 2600 MHz, p°i ²í°ce pásma 1,4 MHz aº 20 MHz. Datový p°enos ve sm¥ru UE (uplink ) a eNodeB

→

→

eNodeB

UE (downlink ) se p°ená²í pomocí rámc·. Kaºdý z t¥chto rámc· m·ºe

mít dv¥ odli²né struktury v závislosti na tom jaký frekven£ní duplex je pouºit pro p°enos:

KAPITOLA 2.


22

Rámec FDD Struktura rámce pro FDD je znázorn¥na na obrázku 2.10. Doba trvání je denována na 10 ms a rovnom¥rn¥ rozd¥lena na stejn¥ velké subrámce o délce trvání 1 ms. Kaºdý z t¥chto subrámc· se skládá z dvou slot· o stejné velikosti a délce trvání 0,5 ms. V jednom rámci je tak denováno dvacet slot·. Z toho je vºdy deset pouºito pro downlink a deset pro uplink a jsou vzájemn¥ odd¥leny ve frekven£ní oblasti. Kaºdý samostatný slot obsahuje 7 OFDM modulovaných symbol· v£etn¥ Cyklického prexu.

Obrázek 2.10: Struktura radiového rámce FDD

Rámec TDD Druhou moºností je pouºití rámce s p°ístupem TDD, jak je znázorn¥no na obrázku 2.11. Zde se stejn¥ jako v prvním p°ípad¥ striktn¥ dodrºuje délka rámce 10 ms. Radiový rámec TDD se skládá z dvou p·lrámc· o délce 5 ms. Kaºdý p·lrámec obsahuje p¥t subrámc· o délce trvání 1 ms. Jednotlivé p·lrámce TDD na rozdíl od FDD verze obsahují t°i odli²ná pole, které jsou p°i°azeny do jejich struktury. Ty se vºdy pevn¥ nacházejí v 1 a 6 subrámci

Obrázek 2.11: Struktura radiového rámce TDD

KAPITOLA 2.

23


radiového rámce. Jsou to DwPTS (Downlink

Pilot Time Slot )

a UpPTS (Uplink

Pilot Time

Slot ), které denují o jaký typ p°enosu se jedná. Mezi n¥ je poté vloºen ochranný interval GP (Guard

Period ),

který je rezervován pro p°echod mezi vý²e uvedenými sloty. Jejich celková

délka m·ºe být prom¥nná, ale nesmí p°esáhnout 1 ms. Ostatní subrámce jsou vyuºity pro vlastní datový p°enos. Subrámce 0, 5 a DwPTS jsou vºdy rezervovány pro zp¥tný p°enos. Subrámce 2, 7 a UpPTS jsou vºdy rezervovány pro dop°edný p°enos. V t¥chto rámcích se p°ená²ejí fyzické kanály sít¥ EUTRAN, které jsou rozd¥leny podle sm¥ru p°enosu na:

Downlink •

PDSCH (Physical

Downlink Shared Channel )

vyuºíván jako primární kanál pro

p°enos uºivatelských dat. M·ºe být také vyuºit pro dodate£ný p°enos systémových informací, které se nep°ená²ejí v PBCH.

•

PBCH (Physical

Broadcast Channel ) p°ená²í základní informace o konguraci p°enosu

ostatních kanál·.

•

PMCH (Physical

Multicast Channel ) podp·rný kanál pro PDSCH a PMCH, v p°ípad¥

ºe je pouºito dva a více OFDM symbol·.

•

PCFICH (Physical

Control Format Indicator Channel )

informuje UE o celkovém

po£tu OFDM symbol· pouºitých p°i p°enosu PDCCH v subrámci.

•

PDCCH (Physical

Downlink Control Channel )

p°ená²í °ídící informace pro UE a

zaji²úje alokaci datových zdroj·.

•

PHICH (Physical

Hybrid ARQ Indicator Channel,)

p°ená²í HARQ a je zodpov¥dný

za uplink p°enos.

Uplink •

PUSCH (Physical

Uplink Shared Channel )

p°ená²í UL-SCH, tedy primárn¥ zaji²úje

p°enos uºivatelských dat. Posílá HARQ potvrzení.

•

PUCCH (Physical

Uplink Control Channel )

zodpovídá za p°enos °ídících informací

fyzické vrstvy. Nikdy není spole£n¥ p°ená²en s PUSCH ze stejného UE. Pro rámec TDD se nep°ená²í v UpPST.

•

PRACH (Physical

Random Access Channel )

tento protokol je pouºíván UE pro pr-

votní p°ístup do bu¬ky a plánování poºadavk·. Zaji²úje prvotní synchronizaci s zá kladnovou stanicí eNodeB.

KAPITOLA 2.

2.3.4.2


24

P°enosová struktura kanálu

P°enosová struktura rámc·, tak jak jsme si je popsali v kapitole 2.3.4.1 je sloºena ze základních p°enosových prvk·, které se ozna£ují jako zdrojové elementy RE (Recource

element )

Tyto základní jednotky p°ená²ené na fyzické vrstv¥ reprezentují jeden OFDM (downlnik) nebo SC-FDMA (uplnik) symbol

6

v £asové oblasti, nebo jednu subnosnou ve frekven£ní

oblasti. P°enosová struktura kanálu je pro názornost nastín¥na na obrázku 2.12 (p°i odstupu subnosných

∆f = 15 kHz ) pro jeden downlink slot ve sm¥ru eNodeB → UE [3]. Ve frekven£ní

Obrázek 2.12: P°enosová struktura RE a RB

6 Kaºdý

symbol obsahuje ur£itý po£et bit· v závislosti na p°id¥leném modula£ním schématu - QPSK,

16QAM nebo 64QAM

KAPITOLA 2.

25


oblasti (FDD) jsou RE seskupeny po 12 posob¥ jdoucích subnosných. Tyto skupiny jsou ozna£ovány jako zdrojové bloky fyzické vrstvy RB (Recource jeden blok je tedy

12 × 15 = 180 kHz .

block ). Celková ²í°ka pásma pro

V £asové oblasti (TDD) jsou RE sestupeny do slot·,

které obsahují bu¤ 7 OFDM symbol· vzájemn¥ odd¥lených pomocí normálního cyklického prexu (CP) nebo 6 OFDM symbol· odd¥lených roz²í°eným CP v p°ípad¥, ºe je rozestup pomocných nosných kmito£t· OFDM modulace

∆f = 15 kHz .

Pokud bude ov²em pot°eba

zajistit robustn¥j²í modulaci, tedy p°ená²ený signál u£init výce odolným proti p°ípadným interferencím b¥hem p°enosu m·ºe být rozestup subnosných sníºen na

∆f = 7, 5 kHz

(pro

LTEA, Release 10) v p°ípad¥ roz²í°eného CP. Tím se délka OFDM symbolu s CP zv¥t²í dvojnásobn¥ a po£et OFDM symbol· v jednom slotu se sníºí na 3. Tedy zvý²ení odolnosti proti ru²ení je v tomto p°ípad¥ vykoupen o niºº²í p°enosovou rychlostí uºivatelských dat. Tato vlastnost je jedním ze základních rozdíl· mezi dowlinkem, kde je podporována a uplinkem, kde naopak podporována není. Vý²e uvedené jednotlivé bloky RE se souhrn¥ ozna£ují jako RB (Recource RB obsahuje bu¤ 84, 72 nebo 36 RE v závislosti na délce CP a velikosti

block ).

∆f .

Kaºdý

V p°ípad¥

rámce TDD jsou pak RB párovány do dvojic, kde vytvo°í jeden spole£ný subrámec (obrázek 2.11). Krom¥ datového p°enosu jsou n¥které (p°esn¥ denované) RE rezervovány pro vlastní pot°eby sít¥ synchronizace, signalizace, p°enos systémových °ídících informací nebo refe ren£ního signálu (takzvané referen£ní symboly piloty). Systémové informace se p°ená²í ve 2, 3 nebo 4 sloupcích v závislosti na vlastnostech (pokrytí, kvalita signálu) bu¬ky. Pro 20 MHz spektrum se vyuºívá jeden sloupec, pro 5 MHz spektrum se budou vyuºívat první t°i sloupce. D·vodem je fakt, ºe p°i men²í ²í°ce pásma, je k dispozici mén¥ p°enosových zdroj·, tedy pro p°enesení stejného mnoºstvý °ídících informací je za pot°ebí více prostoru. Referen£ní RE se rozd¥lují na dva typy. Referen£ní RE pro bu¬ky a reference pro UE. Jsou vºdy pevn¥ stanoveny pro 3 subnosné. V na²em p°íklad¥ na obrázku 2.12, jsou ov²em p°ideleny dva, protoºe bere v úvahu 2 anténí porty v systému MIMO 2x2. V p°ípad¥ vysílání reference pro bu¬ku bychom pot°ebovali pouze jeden [31].

Kapitola 3 Femtobu¬ky 3.1 Femtobu¬ky a jejich koncepce V dne²ní dob¥ jsou ve²keré mobilní sít¥ zaloºeny na bu¬kové koncepci. Velikost bun¥k je rozdílná. Závisí p°edev²ím na £lenitosti krajiny, rozloze aglomerace, populaci, atd. Nejv¥t²í jsou takzvané makrobu¬ky, které pokrývají rozlehlé rovinaté plochy s malou hustotou osídlení. Následují mikrobu¬ky, které jsou jejich zmen²enou verzí pouºívanou v £lenit¥j²ím terénu s hust²í zástavbou (m¥sta) a tedy i osídlením, kde je pot°eba uspokojit v¥t²í po£et uºivatel· na men²í jednotku plochy. Je²t¥ men²í verze jsou takzvané pikobu¬ky, které slouºí k pokrytí velmi malých území s velkou hustotou uºivatel·, jako jsou nap°íklad centra velkých m¥st, stadióny nebo nákupní centra. Vývoj na poli mobilních sítí ukazuje, ºe se vzr·stajícími poºadavky na kvalitu a kapacitu sít¥ klesá velikost jednotlivých bun¥k (jejich celkový dosah je men²í). Proto se Uvaºuje o koncepci velmi malých bun¥k nejen v kontextu pikobun¥k, ale je²t¥ men²ích. Tedy takových vysíla£·, které by svým signálem pokrývaly byt nebo kancelá° a vhodn¥ dol¬ovali slabá místa mobilní sít¥ z hlediska pokrytí signálem a p°enosové kapacity. Proto vznikl koncept femtobun¥k. P·vodní my²lenka velmi malých bun¥k byla poprvé uve°ejn¥na ve v¥decké studii Bellových laborato°ích spole£nosti AlcatelLucent v roce 1999, pro které se vºil název femtobu¬ky. V únoru 2007 pak byly na 3GSM Word Congress v Barcelon¥ poprvé p°edstaveny první verze femtobun¥k od r·zných operátor· a o necelý p·lrok pozd¥ji bylo zaloºeno Femto Forum[11], které m¥lo p°isp¥t k celosv¥tové standardizaci a roz²í°ení této technologie. Ta m¥la být uvád¥na do komer£ního provozu v pr·b¥hu roku 2010. Nejperspektivn¥j²í je vyuºití femtobun¥k v pokro£ilých mobilních sítí (3G a 4G), které jsou zam¥°eny na dominantní datové p°enosy, kde bude vyuºito makrobun¥k pro pokrytí signálem vn¥j²ích území a femtobun¥k pro pokrytí vnit°ních prostor nebo pro vykrytí hluchých míst se ²patným signálem mobilní datové sít¥.

26

KAPITOLA 3.

27

FEMTOBUKY

Femtobu¬ka je ve své podstat¥ malý p°ístupový bod. Takzvaná malá domácí základnová stanice (Home

eNodeB ),

která pracuje v licencovaném spektru, p°es kterou se mohou

p°ipojit standardní uºivatelská za°ízení do mobilní sít¥ operátora. 3GPP a ETSI pro n¥ uºívá souhrné ozna£ení HeNB (Home

evolved NodeB ).

Tento p°ístupový bod, který není

spravován operátorem, ale p°ímo uºivatelem, je do sít¥ mobilního operátora p°ipojen pomocí jeho vlastního internetového p°ipojení, jak je znázorn¥no na obrázku 3.1. Tedy, uºivatel femtobun¥k p°istupuje do sít¥ operátora pomocí vlastního internetového p°ipojení, realizovaného nap°íklad pomocí ADSL, bezdrátové technologie (WiFi ), nebo optické p°ípojky. Typické femtobu¬ky, které budou umíst¥ny u uºivatele si dnes m·ºeme s jistou dávkou tolerance p°irovnat k dne²ním Wi-Fi p°ístupovým bod·m (které mají ov²em rozdílné vlastnosti i parametry), s tím rozdílem, ºe místo technologie IEEE 802.11e nebo 802.11n budou zaloºeny na mobilních technologiích jako je nap°íklad UMTS/HSPA/LTE, p°ípadn¥ mobilní WiMAX (IEEE 802.16e) [34]. Jejich koncepce je tedy zaloºena na my²lence vytvo°ení malého p°ístupového bodu, který bude vhodn¥ dopl¬ovat stávající mobilní sí´, z hlediska kapacity a p°enosové rychlosti, zejména v místech, kde je malá úrove¬ mobilního signálu vysílaného z eNodeB. Nap°íklad uvnit° budov nebo zastín¥ných místech, kam nepronikne signál p°ímo, nebo pomocí odraz·. Tyto HeNB budou proto pracovat ve stejném kmito£tovém spektru jako mobilní sí´.

Obrázek 3.1: Typické p°ipojení makrobun¥k a femtobun¥k do sít¥ operátora

Jak bylo zmín¥no vý²e, existují dva velmi podobné typy bun¥k, femtobu¬ky a pikobu¬ky, je tedy na míst¥ zmínit klí£ové rozdíly, protoºe tyto termíny mohou za jistých podmínek splý-

KAPITOLA 3.

28

FEMTOBUKY

vat. Tyto rozdíly jsou pro p°ehlednost zaznamenány v tabulce 3.1 [35]. Mezi hlavními rozdíly vyniká p°edev²ím fakt, ºe femtobu¬ky jsou nízkonákladová za°ízení s nízkým výkonem, tedy i mnohem men²ím dosahem signálu. M·ºe s nimi komunikovat mnohem men²í po£et uºivatél·, kte°í mohou mít r·zná p°ístupová oprávn¥ní. Femtobu¬ky proto budou primárn¥ slouºit k vylep²ení pokrytí mobilním signálem uvnit° budov rozli£ných typ·. Budou vyuºívat standardizované bezdrátové protokoly pro r·zná mobilní za°ízení pracující na odli²ných mobilních standardech. Nap°íklad WCDMA, HSPA, LTE a mobilní WiMAX. Tedy na v²ech, které jsou a budou standardizovány skupinami 3GPP, 3GPP2 a IEEE/WiMAX forum. Jejich dal²í podstatnou vlastností je fakt, ºe budou pracovat v licencovaném spektru, které bude zakoupeno oprátorem od národního regulátora. Budou tak muset spl¬ovat n¥které podmínky pro ud¥lení licence, jako je nap°íklad zaji²t¥ní kvalitního signálu a zabrán¥ní ru²ení ostatních kmito£· v sousedních pásmech.Tyto femtobu¬ky pak mohou být uºivateli provozovány jen za ur£itých podmínek, daných operátorem. Ten bude kongurovat jejich parametry jako jsou výkonové limity vysílaného signálu na daných kmito£tech. Tím se má p°edev²ím zabránit vzniku interferencí (popsaných v kapitole 4.1) od okolních femtobun¥k, ale i ze sít¥ operátora. Je proto nutné, aby bylo co nejvíce potla£eno (proto je zde nutné zvolit správné frekven£ní spektrum). Operátor bude mít nad takovými femtobu¬kami neustálou kontrolu, takºe p°i neo£ekávaných zm¥nách parametr· (nap°íklad polohy) je bude moci na dálku zablokovat a vy°adit je tak ze sít¥. Jednotlivé FAPy také budou muset být schopny se po p°ipojení do

1

EPC

sami nakongurovat dle dostupných parametr· tak, aby se mohly bezproblém· p°ipo-

jit a sít¥ operátora a spolupracovat s ostatními prvky v síti. Toho bude docíleno za pomocí sostikovaných

Selforganization

proces·, které budou hrát významnou roli v implementaci

femtobu¬kové technologie do stávajících a budoucích mobilních sítí [23].

Parametr

Pikobu¬ka

Instalace

V síti operátora

Uºivatelem doma

P°ipojení do sít¥ operátora

Optický kabel, rádiový spoj

ADSL, WiFi

Náklady na realizaci

Nízké

Velmi nízké

Plánování

Operátor

Uºivatel

Kapacita

1050 uºivatel·

35 uºivatel·

Pokrytí signálem

< 100 m

< 30 m

Výkon

510 W

< 100 mW

Tabulka 3.1: Porovnání pikobu¥k a femtobun¥k

1 pomocí

záloºního internetového p°ípojení poskytovaného uºivatelem FAP

Femtobu¬ka

KAPITOLA 3.

29

FEMTOBUKY

Z pohledu uºivatele je nejpodstatn¥j²í rozdíl v tom, ºe femtobu¬ka jako p°ístupový bod (FAP) je instalována uºivatelem v jeho vlastním dom¥. Tento druh instalace je velmi jednoduchý, zaloºený na principu

Plug and Play.

Tato domáci instalace umoºní zvý²ení

kvality signálu uvnit° budovy, a v¥t²í datovou propustnost. Zmen²ení vysílacího výkonu UE a tím i úsporu energie daného mobilního za°ízení. Parametry FAP jsou nastavovány a kongurovány automaticky, v závislosti na okolním prost°edí tak, aby se snadno integrovaly do makro sít¥ operátora. To je ov²em také hlavní nedostatek této koncepce, protoºe vlivem nemoºnosti centrálního frekven£ního plánování m·ºe docházet k interferencím jak mezi samotnými femtobu¬kami, tak mezi femtobu¬kami a makro(mikro)bu¬kami. Toto nastavení, provedené na dálku operátorem je velmi d·leºité, protoºe operátor do n¥j nem·ºe ºádným zp·sobem zasahovat [35]. Tedy uºivatel má na starosti jen zabezpe£it napájení, p°ipojení FAP k ²irokopásmovému internetovému p°ipojení a nastavení p°ístupové metody (p°ístupové metody jsou blíºe popsány v kapitole 3.2.1). Z hlediska operátora, koncepce femtobu¬ek p°iná²í jiº krom¥ vý²e uvedeného zlep²ení pokrytí uvni° budov také významý benet v podob¥ zvý²ení systémové p°enosové kapacity sít¥. ást uºivatel· bude vyuºívat vlastní internetové p°ipojení a nebude zat¥ºovat sí´. Tím také jednozna£n¥ stoupne kvalita sít¥ pro v²echny uºivatele. Podstatný rozdí je také v uspo°ených nákladech. Celkové náklady na realizaci a údrºbu pikobun¥k nejsou z hlediska náklad· ostatních prvk· sít¥ velké. P°i vyuºití technologie femtobun¥k se tyto náklady zna£n¥ redukují a to v podstat¥ pouze na po°izovací náklady (ostatní lze zanedbat), protoºe náklady na provoz jsou jiº pln¥ v realizaci uºivatele FAP. Na druhé stran¥ je t°eba zd·raznit ºe implementace nebude jednoduchou záleºitostí. D·vodem je fakt, ºe bude pot°eba zajistit korektní a efektivní spravování femtobu¬ek (Self

Organization )

a co nejvýce potla£it negativní vliv interferencí jednotlivých prvk· sít¥ z

hlediska frekven£ního a výkonového uspo°ádání. Protoºe narozdíl od makro sít¥, která je plánována s ohledem na efektivitu a minimální nár·st interferencí, je sí´ femtobun¥k obtíºn¥ plánovatelná z hlediska jejího v£len¥ní do makro sít¥. Zejména z hlediska interferencí jednotlivých vysíla£· z r·zných vrstev sít¥.

3.1.1

Vyuºití femtobun¥k pro LTE

Femtobu¬ky mají zna£ný potenciál vyuºitelnosti pro zkvalitn¥ní sít¥ mobilních operátor·. Jejich masové roz²í°ení se o£ekává v pr·b¥hu roku 2012. V sou£asnosti je tato technologie

2

vyuºívána 13 provozovateli sítí v 8 zemích , ov²em nikoli s p°ístupovou technologií LTE, ale se systémy UMTS, HSPA, WCDMA [13]. Mezi nejd·leºit¥j²í vlastnosti, které vyuºití

2 3Q

2010, mezi tyto státy pat°í nap°. USA, UK, Japonsko, Francie, N¥mecko, ... .

KAPITOLA 3.

FEMTOBUKY

30

femtobun¥k p°inese, je p°edev²ím zvý²ení datové propustnosti sít¥. Femtobu¬ky mohou být vyuºívány v místech, kde není pokrytí signálem z klasických vysíla£· dostate£né nap°. uvnit° budov. Navíc tím zvy²ují kapacitu sít¥, kdy £ást uºivatel·, která by jinak vyuºívala kapacitu makrobu¬ky je p°ipojena p°es femtobu¬ku k internetu a nezat¥ºuje tak sí´ operátora. Tato volná kapacita m·ºe pak být vyuºita pro jiné ú£astníky, nebo pro zvý²ení p°enosové kapa city. To p°iná²í tu výhodu, ºe uºivatel p°ipojený p°es femtobu¬ku m·ºe být osvobozen od poplatku za vyuºití datových sluºeb, protoºe nevyuºívá sít¥ operátora, ale vlastní p°ipojení k Internetu (xDSL a podobn¥). Femtobu¬ka m·ºe zastávat vlastnosti dne²ních Wi p°ístupových bod· jak v domácnosti, tak v kancelá°i. Umoºní zefektivnit náklady nejen na datové p°enosy, ale i na volání. Umoºní routování telefoních hovor· nikoli p°es mobilního operátora, ale nap°íklad p°es remní pobo£kovou úst°edu pomocí pevné linky nebo VoIP tecnologie. Její p°enosové kapacity budou umoºnovat p°enos videokonferen£ních hovor· pomocí mobilních telefonu, tablet· nebo laptop·. Navíc tato femtobu¬ka m·ºe být vyuºita jako záloºní vysíla£ v p°ípad¥, ºe dojde k výpadku makrobun¥k operátora a naopak (ale to pouze v p°ípad¥ ºe je vyuºívána na principu otev°eného p°ístupu, popsaného v kapitole 3.2.1). Vyuºití kombinace femtobun¥k a makrobun¥k m·ºe mít do budoucna pro operátora zna£nou výhodu v úspo°e náklad·

3

. Budování sít¥ základnových stanic, jejich p°ipojení do sít¥ (pomocí radioreléových

spoj·) je velice nákladná záleºitost a to v£etn¥ její následné údrºby. Pokud by potencionální uºivatelé vyuºívali principu femtobun¥k u sebe doma, umoºnili by tím operátor·m redukovat tyto náklady, protoºe £ást datové propustnosti sít¥ a její pokrytí by zaji²óvali pomocí svých domácích stanic i internetového p°ipojení. Takovou spoluprací mezi operátorem a uºivatelem by se zvý²ila loajalita zákazník·, zkvalitnila sí´ sluºeb a zlep²ila kvalita sít¥. To je velmi p°ínosné, protoºe nedostate£ná kvalita sluºeb a sít¥ jsou hlavní d·vody, pro£ zákazníci odchází od svého operátora. Na druhé stran¥ uºivatel·m tento p°ístup p°inese moºnosti, na jaké jsou zvyklí p°i b¥ºném vyuºití internetu. Mohou tak vyuºívat vysokorychlostní p°ístup k internetu a hlasové sluºby za velmi výhodných podmínek. A to jak u sebe doma, tak kdekoli jinde, v dosahu sít¥ LTE nebo jinné podobné technologie. Je tedy pravd¥podobné ºe femtobu¬ky nakonec zcela p°evezmou úlohu WiFi p°istupových bod· tak, jak je známe dnes. Dal²ím zajímavým aspektem pro vyuºití femtobun¥k je výkonová úspora UE. Kaºdé mobilní za°ízení je vºdy omezené kapacitou baterie. Nejv¥t²í zát¥ºí je výkon spot°ebovaný pro p°enos dat mezi vysíla£em a UE. Pokud je kvalita signálu men²í, výkon pot°ebný k p°enesení dat je o to v¥t²í. Pokud ov²em p°istupujeme do sít¥ pomocí femtobu¬ky umíst¥né ve vzdálenosti n¥kolika metr· od UE, je pot°ebný p°ená²ený výkon mnohem men²í a tím dojde k úspo°e energie i k celkovému men²ímu vyzá°enému výkonu antény.

3V

sou£asnosti je ov²em realizace takovéhoto typu sít¥ velmi nákladná, zejména z hlediska po°ízení Femto

Gateway.

KAPITOLA 3.

31

FEMTOBUKY

P°i vyuºívání koncepce femtobun¥k v síti je nutné zajistit jejich efektivní spravování ze strany operátora. Tyto technické záleºitosti ohledn¥ nastavení a kongurace FAP nemohou být sv¥°eny do rukou jejich uºivatel·, kte°í s nimi nemají paktické a technologické sku²enosti. Kaºdá taková femtobu¬ka bude mít vlastní unikátní identikaci v síti, pomocí níº se bude registrovat a autorizovat. Kaºdá nov¥ p°ipojená FAP si tak nejprve zjistí stav sít¥ v míst¥ její polohy. Postupn¥ dvou krocích optimalizuje a nakonguruje radiové parametry sít¥. V prvním kroku si zjistí a nastaví základní parametry sít¥ jako jsou kmito£ty pro uplnik a downlink p°enos a ²í°ku pásma. Tuto optimalizaci provede pomocí uºivatelského internetového rozhraní s EPC sít¥. V druhém kroku si zjistí svoji polohu v rámci sít¥, nastaví routovací tabulky a servisní informace sít¥. Aktualizuje informace o svém okolí, tedy zjistí identikaci a sílu signálu v²ech ostatních vysíla£u v jejím dosahu (okolní femtobu¬ky a makrobu¬ky) a nakonec nastaví dodate£né parametry sít¥, jako je maximální pilotní a datový výkon signálu, handover, p°ístupovou metodu nastavenou uºivatelem. Nakonec zajistí dynamickou aktualizaci t¥chto parametr·, aby se co nejlépe p°isp·sobyla p°ípadným zm¥nám vý²e uvedených parametr· [37]. Femtobu¬ky proto p°edstavují zajímavou p°íleºitost nejen pro operátory, ale najdou uplatn¥ní ve v²ech odv¥tvích kde je pot°eba pracovat s bezdrátovými IP technologiemi s velkou datovou propustností (pr·mysl, zdravotnictví, armáda,...). Jejich vyuºití je zam¥°eno na nové generace mobilních systém· (3.9G a 4G) a jsou vyuºitelné i pro stávající mobilní koncepce. P°iná²ejí benety pro uºivatele v podob¥ zlep²ení pokrytí signálem uvit° budov a tím pádem i zvý²ení p°enosové kapacity sít¥ jak pro sebe tak pro ostatní uºivatele. Mohou se také do£kat nových atraktivních datových tarif·, které redukují jejich náklady na datové a hlasové sluºby. Ze strany operátora poté sníºení náklad· na budování a provozování sít¥ (v dlouhodobém hledisku) jako jsou nap°. investi£ní (po°izovací) náklady CAPEX [22]. Vytvo°ení záloºních bod· a zvý²ení kapacity sít¥. V neposlední °ad¥ také vytvo°ení nových "domácích"tarif·. Pokud se tedy poda°í tuto koncepci implementovat do stávajících mobilních sítí a zabránit nár·stu mezibu¬kových interferencí, je tato technologie p°ijatelná jak pro uºivatele, tak pro mobilní operátory.

3.2 Architektura p°ístupové sít¥ LTE pro femtobu¬ky Architektura p°ístupové sít¥ LTE pro femtobu¬ky se výrazn¥ neli²í od architektury popsané v kapitole 2.3 ale pro úplnost je v této kapitole nastín¥na. Standardizace LTE skupinou 3GPP (release 8) jiº zahrnovala architekturu podporující femtobu¬ky jako p°ístupové body HeNB pro n¥º se vºil název FAP (Femto

Access Point ).

Tyto p°ístupové body po p°ipojení k Internetu spolupracovaly se sítí operátora a umoºnily

KAPITOLA 3.

FEMTOBUKY

32

zkvalitn¥ní a posílení kapacity sít¥. Úkolem FAPu je p°edev²ím zaji²t¥ní komunikace (jak datové tak servisní a °ídící) mezi UE a mobilní sítí operátora. Implementace Femtobu¬ek do mobilní sít¥ je znázorn¥na na obrázku 3.2

Obrázek 3.2: P°ipojení femtobu¬¥k v síti LTE

Po p°ipojení zaji²úje korektní konguraci sít¥ a nastavení p°ístupových metod podle p°ání uºivatele. Jeho úkolem je také £áste£ná správa radiové sít¥, zejména pak zaji²t¥ní optimálního pokrytí signálem s minimálními ru²ícími vlivy na makro sí´ operátora nebo od sousedních femtobun¥k. Také monitoruje stav sít¥ a v p°ípad¥ pot°eby se dynamicky adaptuje na poºadavky sít¥ [35]. FAP je p°ipojen p°es internetové p°ipojení uºivatele na takzvanou Femto Gateway (FGw) která sdruºuje datové toky ostatních FAP od r·zných uºivatel·. Tato brána je jakýmsi kontrolním a zabezpe£ovacím prvkem, která sleduje a kontroluje stav v²ech p°ipojených FAP· a zaji²úje zabezpe£ení sít¥ proti neºádoucím pr·nik·m [22]. Typická femtobu¬ka neboli FAP má vícemén¥ stejné funkce co se tý£e p°enosu °ídících a uºivatelských dat, jako klasická eNodeB. Jediný rozdíl je v tom, ºe bylo nutné korigovat fakt, ºe do sít¥ p°ibyl nový prvek Femto Gateway. Bylo nutné stanovit základní pravidla pro jejich chování. Po p°ipojení do sít¥, by m¥l kaºdý FAP vyhledat vhodnou FGw, ke které se p°ipojí. Takto se m·ºe p°ipojit pouze k jedné brán¥, nebo p°ímo do MME a SGW ve vlastní síti operátora.

KAPITOLA 3.

FEMTOBUKY

33

Samotná identikace do sít¥ bude probíhat stejn¥ jako u klasických eNodeB. Jelikoº budou FAP p°ipojovány do sít¥ bez p°edchozího varování, musí být uzp·sobeny tak, aby se mohly p°ipojit k libovolné brán¥, nebo p°ímo MME. Z pohledu FGw musí být zaji²t¥no zejména p°eposílání °ídících zpráv p°es rozhraní S1 a S1-U k femtobu¬kám, resp. EPC a zaji²t¥ní zabezpe£ení sít¥. Na samotné zabezpe£ení se u této technologie klade velký d·raz, protoºe femtobu¬ka je pom¥rn¥ exponovaná sou£ást radiového rozhraní sít¥. Proto jednou z hlavních úloh této brány je také zaji²t¥ní proti pr·nik·m cizích subjekt· do sít¥ operátora. FGw tedy tvo°í rozhraní mezi internetem a mobilní sítí operátora, protoºe p°es ni jsou v²echny FAP p°ipojeny p°es rozhraní S1 do EPC operátora. P°íslu²né doporu£ení 3GPP po£ítá i s tou variantou, ºe femtobu¬ky budou p°ipojeny p°ímo do sít¥ mobilního operátora bez vyuºití brány. Toto °e²ení ov²em nebude k dispozici pro uºivatele sít¥, ale bude slouºit pouze k p°ipojení t¥ch femtobu¬ek, které má operátor pevn¥ pod kontrolou. Tedy t¥ch, které budou slouºit k marketingovým, prezenta£ním a testovacím ú£el·m a nikoli pro b¥ºné uºivatelské vyuºití, protoºe tento prvek bude postrádat zabezpe£ení ze strany FGw. Ur£ité zm¥ny ve funk£ních vlastnostech dozná i MME, které bude mít na starosti °ízení p°ístupových metod popsaných v 3.2.1. Zajistí °ízení p°ístupu pro ty uºivatele, kte°í jsou £leny ur£ité ú£astnické skupiny a vyuºívají n¥který ze t°í druh· p°ístupových metod. To je zvlá²t¥ pot°ebné nap°íklad v p°ípad¥ handoveru, tedy v p°ípad¥ kdy UE opou²tí FAP a p°echází do regulérní sít¥ operátora. Nebo v p°ípad¥ zm¥ny statusu UE musí zajistit korektní dohled ze strany eNodeB. Detailní informace o vý²e uvedených vlastnostech, ale i o rozhraních, která zde nebyla diskutována, lze dohledat v doporu£ení 3GPP [4]. P°ístupová sí´ musí být také navrºena tak, aby byla schopná zajistit QoS. QoS management je nezbytný pro efektivní vyuºití datové propustnosti sít¥, coº je v p°ípad¥ velkých datových tok· sít¥ (mobilní video) otázka prvo°adého významu. V na²em p°ípad¥ je proto nezbytné, aby tato sluºba byla podporována nejen operátorem mobilní sít¥, ale i poskytovatelem internetového p°ipojení uºivatele a aby se ú£astníci byli schopni domluvit na bezproblémovém p°enosu.

3.2.1

P°ístupové metody

D·leºitým parametrem p°i provozování sít¥ sloºené z femtobun¥k je denování p°ístupové metody, tedy kdo (jaké UE) bude mít povolený p°ístup k dané FAP a kdo nikoli. Tento parametr, který si bude nastavovat sám uºivatel, který je zárove¬ majitelem femtobu¬ky. Samotný operátor do n¥j nebude ºádným zp·sobem zasahovat. P°ístupové metody si m·ºeme rozd¥lit do t°í skupin [35] :

KAPITOLA 3.

1.

34

FEMTOBUKY

Otev°ená p°ístupová metoda Do sít¥ m·ºe p°istupovat kaºdý, kdo je v dosahu femtobu¬ky, tedy kaºdé UE, pro které je signál z femtobu¬ky siln¥j²í neº signál ze standardních vysíla£· operátora. Otev°ená p°ístupová metoda OSG (Open

Subscriber Group ) je výhodn¥j²í pro ostatní

uºivatele sít¥, neº pro majitele FAP, protoºe £ást svých prost°edk· poskytuje ostatním ú£astník·m, kte°í jsou v dosahu FAP. Pro operátora je to výhodné zejména pro to, ºe se redukuje celkové vytíºení jeho sít¥, protoºe £ást uºivatel· nebude p°istupovat p°es klasické makrobu¬ky, ale pomocí uºivatelských femtobun¥k. Také narozdíl od metody (2) citeln¥ redukuje interference, které vznikají p°i pouºití více FAP v relativn¥ malé vzdálenosti od sebe. Tato otev°ená metoda bude nej£ast¥ji vyuºívána na ve°ejných místech, jako jsou nap°íklad obchodní centra, kavárny, restaurace, ²koly. 2.

Uzav°ená p°ístupová metoda Z°ejm¥ nejroz²í°en¥j²ím typem p°ístupu bude nejspí²e takzvaná uzav°ená p°ístupová metoda CSG (Close

Subscriber Group ).

Daná FAP bude mít k dispozici seznam

registrovaných UE kterým bude p°ístup k femtobu¬ce povolen a ostatním zakázán. Tento seznam bude moci být nastaven a spravován operátorem, nebo uºivatelem u kterého je FAP p°ipojena k internetu. Tím se bude moci regulovat datová popustnost dané FAP, jejíº náklady hradí provozovatel (uºivatel). Citelnou nevýhodou p°i pouºití této metody jsou interference, které mohou vzniknout p°i skokové zm¥n¥ výkonu a zp·sobit necht¥ná ru²ení okolních femtobu¬¥k a vznik takzvaných "mrtvých zón". Uzav°ená metoda bude masov¥ vyuºívána v domácnostech, kancelá°ích, nemocnicích, atd. 3.

Hybridní p°ístupová metoda Tento p°ístup se vícemén¥ podobá metod¥ (1) s tím rozdílem, ºe n¥kterým skupinám UE m·ºe být p°i p°ístupu p°i°azena v¥t²í priorita. UE s vy²²í prioritou pak mohou k femtobu¬ce p°istupovat p°ednostn¥, nebo vyuºívat v¥t²í p°enosové kapacity neº ostatní uºivatelé.

Kapitola 4 Analýza Interferencí Femtobu¬ek V této kapitole analyzujeme základní parametry femtobu¬ek. Na²ím cílem bude denovat interference pro femtobu¬ky tak, aby si bylo moºné ud¥lat hrubou p°edstavu o jejich p°enosových vlastnostech. Na jejich základ¥ potom budeme schopni snáze pochopit proces plánování radiové sít¥, která s koncepcí femtobu¬ek po£ítá. Výpo£ty budeme provád¥t pro 3 fetobu¬ky, které jsou nastaveny v reºimu uzav°eného nebo otev°eného p°ístupu a navíc budou ovliv¬ovány makrobu¬kou sít¥ operátora. Ta bude pracvoat ve stejném licencovaném pásmu. Na úvod si denujeme problém interferencí z hlediska topologie vysíla£· mobilní sít¥ a femtobun¥k. Následovat bude modelová analýza, kde se v¥nujeme problematice výb¥ru vhodného modelu. Jelikoº jsou femtobu¬ky ur£ené pro pokrytí signálem uvnit° budov, vytvo°íme si model vnit°ní struktury objektu (tzv. vnit°ní uspo°ádání), ve kterém budeme zkoumat parametry ²í°ení i datovou propustnost. Poté si analyzujeme chování femtobun¥k v rámci n¥kolika sousedních budov (tzv. vn¥j²í uspo°ádání). Pro její plánování vyuºijeme modely, které byly denovány ITUR, jako doporu£ené pro plánování vnit°ních a vn¥j²ích radiových sítí na kmito£tech které jsou pouºívány v LTE. Nejprve budeme pomocí modelu ²í°ení analyzovat ztráty ²í°ením v podle vnit°ního uspo°ádání v daném objektu. Poté zakalkulujeme odstup signálu od ²umu, z kterého m·ºeme odhadnout p°ibliºnou datovou propustnost v závislosti na parametrech sít¥, interferencí a SINR (Signal

to Interference-plus-Noise Ratio ).

V²echny tyto kroky popí²eme v následujících podkapitolách. Následovat budou výsledky simulací a zhodnocení.

4.1 Interference Koncepce femtobu¬ek, která byla nastín¥na v p°edchozích kapitolách, byla navrºena ze t°í základních d·vod·. Zaprvé proto, aby bylo moºno dosáhnout v¥t²í datové propustnosti sít¥ z

35

KAPITOLA 4.

36

ANALÝZA INTERFERENCÍ FEMTOBUEK

pohledu koncových uºivatel·. Zadruhé ke zvý²ení p°enosové kapacity (a celkové kvality) mobilní sít¥. T°etím podstatným bodem se stalo zlep²ení pokrytí signálu mobilních sítí uvnit° budov a v místech se ²patnou penetrací signálu. Ov²em s t¥mito významnými benety vyvstaly i n¥které nedostatky, které je nutné do nálního globálního roz²í°ení této koncepce zdárn¥ vy°e²it. Jinak by nemohlo dojít k jejich masovému roz²í°ení tak, jak je doposud uvaºováno. Jedním z t¥hto základních problém· jsou interference, které jsou v této kapitole podrobn¥ji vysv¥tleny. Interference, tedy ru²ení uºite£ného signálu ze strany p°enosového prost°edí mezi vysíla£em a p°ijíma£em, p°ípadn¥ jiných prvku sít¥, m·ºe mít velmi výrazný vliv na kvalitu spojení. M·ºe dokonce vést i k jeho p°eru²ení, vzniku takzvaných "mrtvých zón", kdy není moºné p°ipojit se k danému vysíla£i (FAP, nebo eNodeB), protoºe úrove¬ ru²ení p°ekro£ila danou mez. Tento zna£n¥ neºádoucí jev a je pot°eba eliminovat, p°ípadn¥ výrazn¥ omezit. Interference budou, d·sledkem topologie mobilní sít¥ LTE, rozd¥leny do dvou vrstev. Do takzvané

Makro vrstvy

a

Femto vrstvy. Makro vrstva

je mobilní sí´ jakou ji známe dnes. Je sloºená ze

základnových stanic, p°ipojených do sít¥ operátora. Druhá, takzvaná

Femto vrstva

obsahuje

pouze femtobu¬ky. Tato vrstva vhodn¥ dopl¬uje stávající pokrytí makro sít¥ a pracuje na stejných kmito£tech. Umoºní tak zlep²it kapacitu i pokrytí sít¥, zejmena ve ²patn¥ dostupných vnit°ních prostorách. Dvouvrstvá topologie v²ak sebou p°iná²í i problémy v podob¥ interferencí, které mohou vzniknout v p°ípad¥, ºe dv¥ a více mobilních vysíla£· pracují na stejném kmito£tu a ve shodné geogracké oblasti. Takové ru²ení m·ºe vznikat v rámci jedné vrstvy, £ímº rozumíme Femto vrstvu nebo Makro vrstvu. Druhý a o to závaºn¥j²í p°ípad ru²ení m·ºe vzniknou tak, ºe jedna vrstva ovliv¬uje svým chováním druhou. Základní rozd¥lení a popis interferencí je nastín¥n v následujících podkapitolách s vyuºitím literatury [36] a [10].

4.1.1

Interference v rámci jedné vrstvy

Interferencemi v rámci jedné vrstvy rozumíme fakt, ºe zdroj interferencí (v terminologii 3GPP agresor) leºí ve stejné vrstv¥ jako její p°íjemce (v terminologii 3GPP ob¥´). Tedy v rámci femtobu¬ek p·sobí jeden FAP jako zdroj ru²ení pro druhý, který je lokalizován v jeho radiovém dosahu. Tento problém je dominantní p°i výskytu dvou a více sousedících FAP v blízkém okolí, které jsou nap°íklad odd¥leny jen slabými p°í£kami jednotlivých prostor (byt·, apartmánu, kancelá°í), nebo v p°ípad¥ chodeb (kde se projeví vlnovodný efekt chodby). Pokud je totiº n¥kolik FAP· rozmíst¥no tak, ºe se navzájem ovliv¬ují, mohou být celkové interference pro konkrétní femtobu¬ku v¥t²í neº její vlastní uºite£ný signál. Je-li v tomto p°ípad¥ parametr CINR (Carrier

to Interference and Noise Ratio ) velmi nízký, potom

nebude pravd¥podobn¥ moºné zabezpe£it v této oblasti spojení mezi FAP a UE. Interference

KAPITOLA 4.


37

také zavisí na typech p°ístupových metod popsaných v kapitole 3.2.1. V p°ípad¥ otev°ené p°ístupové metody m·ºe uºivatel libovoln¥ p°echázet z jedné femtobu¬ky na druhou, dokud nevstoupí do mrtvé zóny, kde m·ºe dojít k p°eru²ení spojení vlivem velmi nízké hodnoty CINR. Jeli FAP v reºimu uzav°ené p°ístupové metody je problém o to v¥t²í, protoºe FAP která je v tomto reºimu m·ºe mít v dané oblasti mnohem v¥t²í úrove¬ signálu neº ostatní. Pokud není uºivatel aturorizován pro p°ístup, nem·ºe se k ní p°ipojit. Tato FAP pak p·sobí jako necht¥ný element a citeln¥ zv¥t²uje velikost mrtvých zón. U LTE techologie a jejího p°ístupu OFDMA popsaného v kapitole 2.2.1 je problematika mrtvých zón závislá od kaºdého uºivatele. P°i pouºití tohoto p°ístupu se mohou do sít¥ pripojovat r·zná UE s vyuºitím r·zných subkanál·, které jsou jim v rámci OFDMA nabídnuty. Tak m·ºe UE_1 které vyuºívá danou skupinu subkanál· být ru²eno od jiné FAP a UE_2, které vyuºívá ke svému p°enosu jiné subkanály neº UE_1 není ve stejném míst¥ zaru²eno v·bec. Proto je nutné zajistit vzájemnou synchronizaci mezi jednotlivými FAPy, aby bylo moºné korektní p°id¥lování jednotlivých subkanál·. Zdroje interferencí se v p°ípad¥ femtobun¥k rozd¥lují nejen podle vrstev, ale i podle sm¥ru p°enosu dat, ikdyº se na první pohled zdá ºe jsou rovnocené, jsou mezi nimi ur£ité rozdíly. Interference vznikající p°i p°enosu z

F AP → U E ,

interference, a interference p°i p°enosu ve sm¥ru

budeme ozna£ovat jako downlink

U E → F AP

jako uplink interference.

Stejn¥ tak mohou vznikat interference v rámci makro vrstvy sít¥, tedy mezi jednotlivými eNodeB. Ty se také dominantn¥ projeví p°edev²ím na okrajích femtobun¥k. V této práci ov²em tento problém neuvaºujeme a po£ítame vºdy jen s jednou základnovou stanicí.

Uplink OFDMA V tomto p°ípad¥ je agresorem uºivatelské za°ízení p°ipojené k dané femtobu¬ce. Sousedící FAP je objetí interferencí, které vznikají b¥hem jejich p°enosu. V závislosti na QoS daného UE_1 se budou obsazovat pouze n¥které subkanály pro komunikaci s FAP_1. Ty pak budou

1

zdrojem interferenci, pokud ty samé subkanály budou pouºity UE_2, který je na blízku

a bude komunikovat s FAP_2. Proto musí kaºdá FAP p°edem ur£it které subkanály bude vyuºívat, potoºe UE_2 pokud není v dosahu FAP_1 není schopno posoudit které subkanály FAP_1 vyuºívá. Ty potom budou ozna£eny pro okolní femtobu¬ky jako potenciáln¥ interferující. Interference v uplink sm¥ru jsou mnohem váºn¥j²í neº v p°ípad¥ downlinku, protoºe v tomto p°ípad¥, kdy je ob¥tí FAP jsou postiºeny v²echny UE k ní p°ipojené. Tedy to UE vysílajících na stejných subkanálech jako FAP zp·sobuje jak interference a tím i degradaci signálu a zmen²ení dosahu signálu femtobu¬ky.

1 Tím

rozumíme, ºe se jejich signály budou p°ekrývat.

KAPITOLA 4.


38

Downlink OFDMA V tomto p°ípad¥ jsou agresorem FAP. UE v sousedních femtobu¬kách jsou v tomto p°ípad¥ pasovány do role ob¥tí a to tehdy, pokud je v dané oblasti kde signál dané FAP ke které je uºivatel p°ipojený není dostate£n¥ silný v porovnání s interferencemi, které vyvolá-

2

vají ostatní femtobu¬ky v okolí . Vzniká p°edev²ím na okrajích dosahu dané femtobu¬ky kde vlivem ztrát ²í°ením vlastní signál klesá. Tím se zmen²uje i odstup signálu od ²umu a interferencí (SINR). To m·ºe mít za následek aº p°eru²ení spojení. Tento problém je pro názornost vysv¥tlen na obrázku 4.1 [36], kdy se dv¥ mobilní za°ízení nacházejí na stejném míst¥ a jsou p°ipojeny k FAP_2, ale jen jedno, v na²em p°ípad¥ UE_2 je ru²eno ze sousední femtobu¬ky, protoºe vyuºívá stejné subkanály 1 aº 4 jako UE_1, které je p°ipojeno k FAP_1. Uºivatel pouºívající UE_3 není omezován ru²ením z FAP_1 který pracuje na subkanálech 5 aº 8. Je

Obrázek 4.1: Ru²ení zp·sobené okolními FAP

tak patrné, ºe uºivatel UE_2 bude v takzvané mrtvé zón¥, jsouli interference zp·sobené FAP_1 v¥t²í neº signál z FAP_2. To analogicky platí i pro UE_1. Lze tedy tvrdit, ºe v kone£ném dopadu vlivu ru²ení v rámci jedné vrstvy hraje dominantní vliv p°id¥lování subkanál· pro jednotlivé femtobu¬ky. Po£et a rozloºení mrtvých zón tak závisí na obsazenosti spektra v daném míst¥. Proto je nutné zajistit optimální p°id¥lování jednotlivých subkanál·, protoºe kaºdá femtobu¬ka bude v tomto p°ípad¥ ru²it pouze na subkanálech které ji byly p°id¥leny, na ostatních nikoli.

4.1.2

Interference mezi dv¥mi vrstvami

Druhým typem interferencí vznikajících v na²í dvouvrstvé struktu°e jsou ty, které vznikají v jedné vrstv¥ a ovliv¬ují mobilí za°ízení v druhé vrstv¥ sít¥. Pro p°edstavu, mohou nap°í klad femtobu¬ky lokalizované v femto vrstv¥ zp·sobovat interference ve sm¥ru downlinku

2 Pokud

UE s FAP komunikují na stejných subkanálech.

KAPITOLA 4.


39

u uºivatel· p°ipojených k eNodeB v makro vrstv¥. A stejn¥ tak mohou uºivatelská za°ízení komunikující s eNodeB ru²it uplink mezi UE a FAP v jejich blízkosti. Celkové rozd¥lení interferencí je pro názornost uvedeno v tabulce 4.1. Femtobu¬ky tak mohou svými interferencemi vytvá°et "hluchá"místa ze kterých se ostatní uºivatelé v jejím dosahu nemohou p°ipojit do sít¥ operátora, p°ípadn¥ dojde k rapidnímu sníºení kvality signálu pro UE v daném míst¥. Nebo tomu m·ºe být naopak, kdy UE p°ipojené do sít¥ operátora m·ºe zp·sobovat ru²ení v femtobu¬ce, protoºe vyuºíva stejné subnosné jako FAP komunikující s vlastním UE. Tedy stejn¥ jako v p°edchozím p°ípad¥, bude nutné u OFDMA p°ístupu zajistit efektivní p°id¥lování zdroj· (subnosných) a zajistit synchornizaci mezi jednotlivými prvky EUTRAN sít¥, abychom výrazn¥ omezily vliv ru²ení.

V rámci vrstvy

Mezi vrstvami

Uplink

UE p°ipojené k FAP

Jakékoliv UE

Downlink

FAP

FAP a eNodeB

Tabulka 4.1: Zdroje interferencí

Uplink OFDMA V tomto p°ípad¥ jsou zdrojem interferencí uºivatelská za°ízení p°ipojená k jedné nebo k druhé vrstv¥ sít¥. Tento typ ru²ení rozd¥lujeme na dv¥ díl£í skupiny, podle toho k jaké vrstv¥ je UE p°ipojeno. V prvním p°ípad¥ uvaºujeme stav, kdy je UE p°ipojeno k FAP a je tím pádem p°i uplinku zdrojem ru²ení pro jiné UE p°ipojené k eNodeB pracujících na stejných subkanálech. Pokud je tato FAP pouºívána v reºimu uzav°ené uºivatelské skupiny je toto UE p°í£inou zvý²ení ²umu a ru²ení v Makro vrstv¥. Navíc zp·sobuje komplikace s hor²í kvalitou signálu t¥m uºivatel·m, kte°í nemají oprávn¥ní do této uºivatelské skupiny, a tedy k FAP p°istupovat. e²ením by bylo nap°íklad sníºení výkonu koncových za°ízení p°istupujících k FAP za ú£elem udrºení nízké hladiny, ²umu která by zp·sobovala komplikace na stran¥ Makro vrstvy, p°ípadn¥ sníºit po£et uºivatel· kte°í mohou k tatovýmto femtobu¬kám p°istupovat.Problém nenastane v p°ípad¥, ºe kdy bude femtobu¬ka v reºimu otev°ené p°ístupové metody. Pak se p°íslu²né UE p°ipojí bu¤ k ní, nebo k eNodeB v závislosti na výkonu t¥chto vysíla£·. Tím tedy bude pot°ebovat men²í vysílací výkon a sníºí se tím ru²ení pro ob¥ vrstvy. Druhý p°ípad platí pro stav, kdy UE p°ipojené k eNodeB zp·sobuje interference ve femtobu¬ce a to zvlá²t¥ v p°ípadech, kdy jsou uºivatelé v oblasti s dobrou úrovní signálu femtobu¬ky a ²patnou ze strany sít¥ (nap°íklad na okraji makrobu¬ky). Tyto interference zp·sobené UE které je p°ipojeno k eNodeB na stejných subkanálech jako FAP komunikuje se svým UE

KAPITOLA 4.


40

má za následek zaru²ení femtobu¬ky. Tím potom zmen²uje efektivní dosah signálu z FAP. Tím pádem potom budou muset být UE které cht¥jí komunikovat s FAP v jeho blízkosti pot°ebovat men²í vysílací výkon a nebudou tedy p°edstavovat tak výrazný zdroj ru²ení pro Makro vrstvu. Je proto tedy pot°eba podobn¥ jako v p°ípad¥ interferencí v rámci jedné vrstvy umoºnit síti efektivní rozd¥lení subkanál· a jejich dynamické p°id¥lování. Potom nebude docházet k interferencím mezi jednotlivými vrstvami sít¥, ani v p°ípad¥ kdy budou eNodeB a FAP blízko u sebe. Ov²em p°id¥lování jednotlivých subkanál· je závislé na ²í°ce pásma a po£tu uºivatel· v dané oblasti. Pravd¥podobn¥ nebudeme moci uspokojit v²echny uºivatele, kte°í tak budou zdrojem interferencí pro ostatní.

Downlink OFDMA Zde p·sobí dominantní problém interference zp·sobené p°i downlink p°enosu v rámci femtobu¬ky pro uºivatele p°ipojené do sít¥ operátora v p°ípad¥ ºe vyuºívají stejné subkanály jako FAP, jak je ukázáno na obrázku 4.2 [36]. V tomto konkrétním p°ípad¥ FAP_2 nezp·sobuje interference UE_2 protoºe to pro svoji komunikaci s eNodeB vyuºívá jiných subkanálu neº FAP_2 s UE_3. Naopak UE_1 pracuje na stejných subkanálech jako UE_4 a UE_3. Protoºe je v dosahu jak FAP_1, tak FAP_2 je jími také ru²eno. Tím vzniknou

Obrázek 4.2: Mezivrstvová interference pro downlink mezi FAP a eNodeB

mrtvé zóny pro tyto konkrétní uºivatele makrobun¥k, protoºe FAP budou mít ve své oblasti siln¥j²í signál neº eNodeB. Naopak i makrobu¬ky by mohly za jistých okolností zp·sobit problémy s dosahem femtobu¬ky pokud by se nacházely v její blízkosti (nap°íklad na st°e²e domu ve kterém je femtobu¬ka umíst¥na). Mohly by redukovat její dosah na vzdálenosti

KAPITOLA 4.


41

n¥kolika metr·. Ale jelikoº se p°edpokládá, ºe by FAP byly umíst¥ny uvnit° budov a byt·, kde by byl penetrujcí signál tlumen zdmi, není tento problém tak výrazný pro uºivatele femtobun¥k, jako spí²e pro UE p°ipojené k makro vrstv¥ sít¥, nacházející se v dosahu FAP. Protoºe se p°edpokládá ºe v dané oblasti bude signál z eNodeB ²patný. Z na²í úvahy m·ºeme vyvodit záv¥r, ºe v tomto p°ípad¥ není problém interferencí pro uºivatele FAP tak kritický jako pro uºivatele komunikující s eNodeB. Protoºe ti jsou mnohem h·°e postihnuti interferencemi z okolních femtobun¥k. ím bude hor²í kvalita signálu ze sít¥, tím se tento problém bude projevovat dominantn¥ji.

4.2 Modelová analýza V této kapitole se podrobn¥ji seznámíme s návrhem a teoretickým odvozením navrºeného modelu spole£n¥ s parametry které budou p°i této simulaci vyuºity. Samotná modelová analýza se týká praktické £ásti této práce. Bude zam¥°ena na simulaci rádiového rozhraní sít¥ LTE které obsahuje femtobu¬ky. Bude £len¥na do t°í st¥ºejních kapitol. Nejprve si provedeme simulaci uvnit° daného objektu, poté simulujeme chování femtobun¥k v zástavb¥ a nakonec si denujeme vhodné výkonové limity pro jednotlivé FAP. Celková koncepce popsaná v úvodu kapitoly bude provád¥na na objektu, jehoº vnit°ní uspo°ádání je znázorn¥no na obrázku 4.3. Samotné FAPy budou umíst¥ny v jednotlivých místnostech a k daným UE bude signál penetrovat p°es vnit°ní p°í£ky s typickým útlumem 5 dB a vn¥j²í zdi s útlumem 15 dB [12]. Kaºdé za°ízení bude také ale p°ijímat nejen vlastní signál, ale i ru²ení v²ech ostatních femtobun¥k, které bude mít v dostahu a také z eNodeB sít¥ operátora. V na²em p°ípad¥, budeme aplikovat p°enosové logaritmickylineární modely v závislosti na vzdálenosti p°i daném kmito£tu, v na²em p°ípad¥ 1800 MHz, které vystihují charakter zvoleného scéná°e. Tedy takové modely (COST231), které charakterizují ²í°ení signálu jednak v rámci budovy, tak i v rámci penetrace mobilního signálu z sít¥ operátora do vnit°ních prostor. Model, který umí predikovat ²í°ení signálu uvnit° budovy, kterou rozumíme n¥kolik navzájem sousedících bytových jednotek nebo rodinných dom·, musí být závislý na vzdálenosti, rozloºení a vlastnosti daného prost°edí (p°í£ky, st¥ny s r·znou propustností). Dále musí být schopen predikovat takový útlum signálu, který bude relevantní k danému prost°edí a budevyuºitý pro predikci interferencí, které vznikají p°i pouºití více FAP které se mohou navzájem ovliv¬ovat, p°ípadn¥ interferencí vzniklých mezi femtobu¬kami a sítí operátora (makrobu¬kami). V na²em p°ípad¥ jsme si zvolili model, který popisuje závislost vzdálenosti na koecientu ztrát výkonu signálu p°i ²í°ení zkrze zdi nebo jiné p°ekáºky, které lze o£ekávat

KAPITOLA 4.

42


Obrázek 4.3: Vnit°ní uspo°ádání modelovaného objeku

v rámci podlaºí budovy. Zvolíme si dva odli²né modeli ²í°ení signálu. Jeden pro vnit°ní uspo°ádání n¥kolika sousedních apartmán· a druhý pro model ²í°ení signálu z makrobu¬ky v metropolitní oblasti. Tyto modely i s jejich parametry jsou detailn¥ popsány v [8] a [21]. Pro modelování femtobu¬ek, musíme zvolit takový model, který bere v úvahu vnit°ní £len¥ní modelovaného prost°edí. Bylo by proto nejvýhodn¥j²í vyuºití optických (Ray

tracing )

model·.

Jejich výsledky poskytují velmi p°esné a detailní informace. Jejich podstatnou nevýhodou je ov²em veliká náro£nost implementace výpo£etních algoritm· a samotného výpo£tu. Proto o nich v tomto p°ípad¥ neuvaºujeme. Pokud hledáme model, který dob°e reprezentuje £len¥ní interiéru budov a zárove¬ není náro£ný na implementaci, potom je nejvýhodn¥j²í zvolit emperický MultiWall model, upravený pro konkrétní parametry makro a femtobun¥k. V na²em p°ípad¥ budeme z MultiWall modelu vycházet, ale upravíme si ho tak, aby lépe odpovídal parametr·m femtobun¥k z hlediska jejich omezeného výkonu a prost°edí v n¥mº se nacházejí. Model, respektive p°enosová rovnice, nám bude denovat výkonnovou bilanci spoje, respektive úrove¬ signálu pro danou oblast v závislosti na vn¥j²ích podmínkách. Nejedná se o nic jiného, neº o predikci st°ední hodnoty útlumu, nebo p°ijatého výkonu. Zavedeme proto p°enosovou rovnici, která nám bude denovat ztráty ²í°ením uvnit° (Indoor )

KAPITOLA 4.

budovy

LI

43


podle [12] jako: n+2

LI = 37, 54 + 20 · log10 (d) + 0, 7(d) + 18, 3n( n+1 −b) + q · Liw

[dB],

(4.1)

kde:

d

: vzdálenost mezi vysíla£em a p°ijíma£em v metrech

n

: po£et podlaºí

b

: konstanta nelinearity útlumu s implicitní hodnotou 0,46

q

: po£et p°í£ek (st¥n), které protínají spojnici od vysíla£e k p°ijíma£i

Liw

: £initel útlumu pro danou p°í£ku v dB

Vzdálenost

d

bude záleºet na konkrétním rozloºení podle obrázku 4.3. P°i predikci sí°ení

signálu z femtobun¥k je nezbytné korektn¥ vystihnout £len¥ní interiéru uvnit° zástavby, protoºe se signál ²í°í po vícenásobných cestách a r·zné p°ekáºky mají rozdílné koecienty tlumení. Proto je více neº vhodné pouºít doporu£ené parametry pro daný materiál, který statisticky vystihuje koecient tlumení pro daný objekt (nábytek, st¥ny, p°í£ky, dve°e,...). Ov²em ani tento model není dokonalý a nevystihuje v²echny aspekty ²í°ení. Zejména pak vlnový efekt chodby, výskytu více p°ekáºek p°i sí°ení signálu od p°ijíma£e k vysíla£i a neposlední °ad¥ výskyt extrémn¥ siln¥ tlumících nebo odrazných materiál·. I p°es vý²e uvedené skute£nosti, lze tento typ modelu pro ná² p°ípad doporu£it, protoºe pro základní p°iblíºení predikce signálu je více neº dosta£ující [21]. Druhým typem p°enosového modelu, který budeme pot°ebovat, je ten, který nám predikuje ²í°ení signálu penetrujícího do budovy z vysíla£· eNodeB sít¥ operátora (Outdoor ). Protoºe musíme brát v úvahu i interference které zp·sobují vysíla£e makro sít¥, pracující na stejných kmito£tech jako FAP, jak je popsáno v kapitole 4.1. Tento model bere v úvahu p°edev²ím fakt, ºe p°i penetraci signálu do budovy dochází k jeho citelnému utlumení, tedy výsledný vliv interferencí ze strany sít¥ není aº zas tak dominantní, ale ov²em, není ani zanedbatelný. Tento semiemperický model, podobn¥ jako p°edchozí, vychází z evropského projektu COST231. Celkové ztráty signálu z v¥j²í mobilní sít¥ penetrujícího do budovy

LO

jsou podle [12] de-

novány:

LO = 15, 3 + 37, 6 · log10 (d) + Low

[dB],

kde:

d

: vzdálenost mezi vysíla£em a p°ijíma£em v metrech

Low

: £initel útlumu pro v¥j²í ze¤ v dB

(4.2)

KAPITOLA 4.

44


Na základ¥ vý²e uvedených model· potom budeme schopni denovat ztráty ²í°ením v dané lokalit¥. Pomocí nich pak m·ºeme analyzovat interference mezi UE, FAP a eNodeB. Díky tomu potom budeme schopni denovat teoretickou maximální datovou propustnost za daných podmínek v dané lokalit¥.

4.3 Kalkulace parametr· simulace Aby bylo moºné denovat celkovou kapacitu femto a makro vrstvy mobilní sít¥, bude t°eba si nejprve denovat vstupní parametry a metodiku výpo£tu celkové datové propustnosti sít¥. Obecn¥ budeme teoretickou maximální p°enosovou rychlost kalkulovat pro oba p°enosové sm¥ry. Dop°edný (Uplink ) a zp¥tný (Downlink ). Toho docílíme tak, ºe budeme nejprve modelovat vlastnosti ²í°ení mobilního signálu jak jsme si jej denovali v kapitole 4.1. Pomocí tohoto modelu ²í°ení signálu a vlastností jednotlivých za°ízení budeme schopni predikovat odstup signálu od ²umu a interferencí zp·sobených okolními femtobu¬kami a základnovými stanicemi. Z celkového SINR potom vypo£teme celkovou datovou propustnost. Díky této simulaci radiového rozhraní poté budeme schopni denovat výkonové limity FAP a jejich rozdílný vliv interferencí na ostatní femtobu¬ky ale i makro sí´ operátora.

4.3.1

Výpo£et SINR a p°enosové kapacity sít¥

Nyní si denujeme odstup signálu od ²umu a interferencí. Tento vztah nám udává, jaký je odstup (v dB) uºite£ného signálu, tedy signálu vysílaného FAP ke kterému je dané UE p°ipojeno od okolního ²umu a interferencí zp·sobených ostatními vysíla£emi pracujících na stejném kmito£tu. Je dán vztahem [32]

SIN R =

S S = Pk I +N i=0 IF + IeN B + N

[dB],

kde S udává sílu signálu femtobu¬ky, ke které je UE p°ipojeno. interferující femtobu¬ky a

i

je jejich celkový po£et.

vysíla£e eNodeB. Poslední parametr Celkový uºitný

S

N

IeN B

IF

(4.3)

je ru²ivý signál od

nám udává ru²ivý signál p°ijatý od

udává termický ²um prost°edí.

p°ípadn¥ interferující signál

I

z FAP nebo eNodeB pro dané UE

vyád°íme vztahem

Pw + Sw + |LG|2 S, I = LI (LO ) kde

Pw

je výkon vysíla£e,

Sw

[dB],

(4.4)

jsou takzvané pomalé úniky (Shadowing ), coº je útlum

signálu zp·sobený zastín¥ním p°ímého spoje mezi vysíla£em a p°ijíma£em. Parametr

LG

KAPITOLA 4.

45


denuje zisk spoje, tedy tedy sou£et celkových zisk· a ztrát na vysílací i p°ijímací stran¥. Ve jmenovateli nám

LI

udává ztráty ²í°ením pro femtobu¬ky nebo

LO

pro makrobu¬ku

vypo£tené z rovnic 4.1, respektive z 4.2. Radiový ²um pozadí který je p°ijat spole£n¥ s uºitným signálem a interferencemi lze p°ibliºn¥ vyjád°it jako

N = n0 + nf kde

nf

je ²umové £íslo

3

p°ijíma£e a

n0

[dB],

je termický ²um denovaný:

n0 = −174 + 10 · log10 (bw) [dB] Parametr

bw

(4.5)

(4.6)

nám udává ²í°ku pásma v Hz. Pomocí vý²e uvedených rovnic jsme schopni

na základ¥ p°enosových parametr· sít¥ denovat maximální p°enosovou rychlost v obou sm¥rech. Pro tuto smulaci si zvolíme anténí koncepci MIMO 2×2 pro zp¥tný sm¥r a SIMO

4

1×2 pro dop°edný sm¥r . Výslednou maximální p°enosovu rychlost si odvodíme na základ¥ simulací radiové vrstvy LTE podle [20], která nám denuje vztah mezi SINR a p°enosovou kapacitou sít¥. Jejich vzájemná závislost je znázorn¥na na obrázku 4.4 a to jak pro 2×2, tak pro 4×4 v obou sm¥rech.

Obrázek 4.4: Porovnání downlinku a uplinku LTE MIMO pro ²í°ku pásma 10 MHz

3 umové 4 Tato

£íslo nám udává pom¥r singálu a ²umu na výstupu, ku pom¥ru signálu a ²umu na vstupu. moºnost byla zvolena z toho d·vodu, ºe její nasazení bude v rámci LTE nejroz²í°en¥j²í. Maximální

moºný po£et antén v LTE je stanoven na MIMO 4×4.

KAPITOLA 4.

4.3.2

46


Parametry simulace

Abychom mohly korektn¥ simulovat radiové rozhraní sít¥, musíme si denovat jednotlivé parametry simulace. Ty budou rozd¥leny do dvou skupin. Jednak parametry sít¥ EUTRAN 4.2, které jsou spole£né jak pro makro vrstvu tak femto vrstvu sít¥. A parametry FAP a eNodeB 4.3. V²echny níºe uvedené parametry jsme jiº uvedli d°íve, nebo jsme je získali s

5

vyuºitím literatury [18], [12], s vyjímkou zisku antény eNodeB .

Nosný kmito£et

1800MHz

í°ka pásma

10MHz

Zatíºení sít¥

1 (100%)

Typ p°ístupu Modulace Odstup subnosných Po£et antén

OFDMA, SCFDMA 64QAM, 16QAM 15 kHz DL: MIMO 2×2 UL: SIMO 1×2

Výkon UE

23 dBm

Zisk UE

3 dB

Ztráty UE

-0 dB

um UE

8 dB

Termický ²um

-174 dBm/Hz

Tabulka 4.2: Parametry radiové sít¥ LTE

P°i výpo£tu bereme v úvahu maximální zatíºení sít¥. V²echny RB jsou pln¥ vytíºeny jednak servisními informacemi, signalizací sít¥ a uºivatelskými daty. Nepo£ítáme tedy pouze s plným výkonem pilotních kmito£t·, takºe bereme do úvahy maximální moºný p°íkon vyzá°ený danou anténou. P°i výpo£tu také zanedbáme vliv rychlých únik· (Fast n¥kdy také nazývaných jako Rayleighovi úniky (Rayleigh

fading ),

fading )

které zp·sobují zna£né

kolísání signálu p°edev²ím pohybem UE nebo okolních objekt·. V na²em p°ípad¥ budeme povaºovat v²echny UE za statické. Vysílací výkonové limity femtobun¥k z tabulky 4.3 jsou denované FemtoForem jako doporu£ené. V na²í simulaci si ukáºeme, jaké mají tyto výkonové limiti vliv na celkovou p°enosovou kapacitu sít¥ a maximální vysílací dosah. Budeme se snaºit zjistit opimální nastavení výkonových limit·, pro dané rozmíst¥ní femtobun¥k v závislosti na vzdálenosti od

5 Tuto

hodnotu jsme získali z katalogu http://www.powerwave.com/antennas.asp (P.N.:7330.06B)

KAPITOLA 4.


Max. vysílací výkon FAP Max. vysílací výkon eNodeB Výkonové limity FAP

23 dBm 46.02 dBm (2x20W) 10,15,20,23 dBm

Zisk FAP

3 dB

Ztráty FAP

-1 dB

Zisk eNodeB

47

17.5 dBi

Ztráty eNodeB

-5 dB

um FAP

8 dB

um eNodeB

5 dB

Pomalé úniky FAP

4 dB

Pomalé úniky eNodeB

8 dB

Tabulka 4.3: Parametry FAP a eNodeB

eNodeB tak, abychom zabránili rapidnímu nár·stu mezibu¬kové interference. Ukáºeme si také, jaký je vliv p°ístupových metod femtobun¥k (popsaný v kapitole 3.2.1) na celkový nár·st mezi bu¬kové interference pro makro a femto uºivatele.

4.4 Simulace vnit°ního uspo°ádání femtobun¥k Koncepce femtobu¬ek je primárn¥ ur£ena k zaji²t¥ní kvalitního pokrytí mobilním signálem s dostate£nou datovou propustností u apartmán· a kancelá°í. Tím umoºní zlep²ít kvalitu a pokrytí sít¥. Je ov²em nutné rozli²ovat, v jakém reºimu p°ístupu budou vyuºívány. V p°ípad¥, CSG narozdíl od OSG, vzniká nep°íjemnost v podob¥ degradace signálu a vznikumrtvých zón. Vlivem nekontrolovatelného roz²í°ení femtobun¥k m·ºe docházet k jejich vzájemným interferencím. To m·ºe mít negativní vliv na jejich p°enosové vlastnosti, které mohou vést aº k úplnému zaru²ení femobun¥k. ty se tak stanou v extrémním p°ípad¥ pro mobilní uºivatele nepouºitelné. Na obrázku 4.5 je znázorn¥n celkový výpo£et SINR pro FAP 3, umíst¥ný v pravém spodní £ásti apartmánu B. B¥hem této simulace postupujeme tak, ºe vytvo°íme modelovaný objekt podle obrázku 4.3. Pomocí rovnice 4.1 jsme denovali ztráty ²í°ením pro jednotlivé FAPy. Pomocí vztahu 4.2 pak pro eNodeB. Tyto výsledky jsme zaznamenali do separátních matic o rozm¥rech 400x400. Následn¥ jsme pak pro kaºdý samostatný vektor matice vypo£ítali odstup signálu od ²umu a interferencí pomocí 4.3, kdy jsme kalukulovali interference mezi

KAPITOLA 4.

48


Obrázek 4.5: Rozloºení SINR pro FAP2 a FAP 3

jednotlivými femtobu¬kami a zárove¬ jsme vytvo°ili i matici interferujícího signálu z eNodeB. Jakmile známe SINR v kaºdém prvku (vektoru) matice, kdy kaºdý FAP má svoji vlastní, jsme schopni kalkulaovat teoretickou maximální p°enosovou rychlost pro dané FAP. Na obrázku 4.6 je výsledná datová propustnosti p°i maximálním zatíºení pro FAP1. P°i této simulaci uvaºujeme, ºe v²echny femtobu¬ky jsou v reºimu OSG, tedy ºe kaºdý ú£astník se m·ºe p°ipojit k libovolnému FAP nebo k eNodeB, pokud je to moºné. Je t°eba také podotknout, ºe výpo£et tohoto modelu selhává v t¥sné blízkosti FAP, kdy vypo£tené hodnoty SINR vzr·stají a vymykají se p°edpokládaným hodnotám (max ohrani£ený maximální hodnotou

+40 dB

+40 dB ).

Proto je tento model p°i výpo£tu

a minimální hodnotou

−40 dB .

Celkový dopad

této aproximace v závislosti na zobrazené plo²e je úm¥rný na celkovém vlivu interferencí z okolních femtobu¬ek a mobilní sít¥. Nyní vezmeme v úvahu, ºe v²echny femtobu¬ky nastaveny v reºimu CSG. Problematika pokrytí signálem se tak stává sloºit¥j²í. Nastává situace, ºe kaºdá femtobu¬ka je agresorem v·£i v²em ostatním. Zp·sobuje tak jejich celkovou degradaci signálu a vznik mrtvých zón (popsaných v kapitole 4.1). Pokud budeme uvaºovat stejné vstupní podmínky jako v p°edchozí simulaci (tj. ºe v²echny femtobu¬ky vysílají se stejným výkonem) dostaneme výsledný model pro FAP 1 p°enosové kapacity dle obrázku 4.7. Na n¥m je patrný rozdíl v celkové datové propustnosti pokud uvaºujeme o dvou odli²ných p°padech. Na obrázku 4.7 vlevo jsou ve £ty°ech apartmánech rozmíst¥né 3 FAP. Jelikoº pro FAP 2 jsou zbývající dv¥ zdrojem interferencí, mají ostatní FAPy za následek degradaci p·vodního signálu z FAP 2. V

KAPITOLA 4.


49

Obrázek 4.6: Maximální p°enosová rychlost pro Downlink

Obrázek 4.7: Rozdíl p°enosové rychlosti pro r·zné rozloºení femtobun¥k

tomto p°ípad¥ se ov²em degradace signálu výrazn¥ji neprojevuje. D·vodem je jednak v¥t²í vzdálenost jednotlivých FAP

6

a také velkému útlumu, který je zp·soben obvodovými zdmi.

V p°ípad¥, ºe jsou FAPy rozmíst¥ny v bliº²í vzdálenosti obrázek 4.7 v pravo, dochází k degradaci signálu FAP 2 vlivem interferencí od FAP 1. Na tomto p°íklad¥ m·ºeme vid¥t

6 Uºitný

dosah reálné femtobu¬ky se obvykle udává okolo 30 metr·.

KAPITOLA 4.


50

ºe v p°ípad¥ rozmíst¥ní femtobun¥k blízko u sebe (nap°íklad v panelový d·m) dochází k ur£ité degradaci signálu. Tento problém se projeví i v rámci sousedních podlaºí, taºe je t°eba najít taková °e²ení, kterými by se vzájemné interference co nejvíce eliminovali. Nap°íklad pouºitím niº²ích výkonových limit· vyzá°ených anténami, nebo pouºitím malých sm¥rových antén. Takovéto antény by vyza°ovali malý výkon do t°ech, nebo £ty°ech sv¥tových stran a tím by omezili vznik interferencí (nap°íklad mezi podlaºími)[7]. Nejhor²í situace z hlediska kvality signálu nám nastává pro uºivatele, který femtobu¬ku nepouºívá a je p°ipojen p°ímo pomocí EUTRAN do sít¥ oprátora. V na²em modelu je umíst¥n v apartmánu C. Pokud uvaºujeme ºe v²echny FAP jsou op¥t v reºimu CSG lze pro n¥j kvalitu pokrytí signálem vydedukovat z simulace na obrázku 4.8. Hypotetický uºivatel, který by se nacházel v apartmánu C, by trp¥l zna£nou degradací mobilního signálu. Tato degradace je kombinací n¥kolika nep°íznivých faktor·. Jmenovit¥ je to velká vzdálenost od eNodeB (400m a 700m), také pak st¥nami budovy, která jsou p°í£innou útlumu signálu. Dal²ím faktorem jsou samotné femtobu¬ky v reºimu CSG. Ty zp·sobují vznik mrtvých zón kde je znemoºn¥n p°ístup uºivatel· k eNodeB (nebo k jiným FAP). Toto lze povaºovat za jeden ze závaºných problém· koncepce femtobun¥k.

Obrázek 4.8: Vliv interferencí femtobu¬ek na kvalitu signálu pro eNodeB vzdálené 400 a 700 m. pro uºivatele nevyuºívajícího FAP v reºimu CSG.

V kaºdém p°ípad¥ je spln¥na podmínka celkového pokrytí signálem celého apartmánu i za nep°íznivých podmínek. Toho je ov²em docíleno na úkor kvality a celkové maximální datové propustnosti. To je patrné ve v¥t²ích vzdálenostech od FAP, kde je rozdíl v p°enosových

KAPITOLA 4.

51


rychlostech aº polovi£ní. Je nezbytné podotknout, ºe celkový datový p°enos bude také záleºet na kvalit¥ domácí internetové p°ípojky. V p°ípad¥, ºe se jedná o technologii dosahující p°enosových rychlostí v °ádu jednotek Mb/s, nebude hlavní otázkou maximální datová propustnost, ale síla a kvalita signálu vysílaného z FAP, po£et okolních interferujících femtobun¥k a v neposlední °ad¥ také vzdálenost od eNodeB.

4.5 Simulace femtobun¥k aplikovaná na vn¥j²í zástavbu Nyní si ná² vý²e uvedený model aplikujeme pro v¥j²í zástavbu. Bude se jednat o rozloºení n¥kolika r·zných typ· budov, u kterých se bude po£ítat se stejnými parametry jako v p°ípad¥ modelu z kapitoly 4.2. Z hlediska typ· budov budeme uvaºovat klasické rodinné domy, v¥t²í i men²í halové objekty a také symetrické uspo°ádání bloku objekt· modelovaných ve vý²e uvedené kapitole. Základnová stanice mobilní sít¥ bude umíst¥na na p°ímou vyditelnost ve vzdálenosti 500 p°ípadn¥ 800 m. Stejn¥ jako v p°ipad¥ vnit°ního uspo°ádání budeme simulovat femtobu¬ky v reºimech p°istupových metod OSG a CSG jak pro uplink tak pro downlink a budeme zkoumat jejich moºný p°ínos z hlediska nár·stu kapacity a kvality pokrytí signálem.

4.5.1

Otev°ená p°ístupová metoda

Na obrázku 4.9 m·ºeme vid¥t rozloºení SINR pro jednotlivé femtobu¬ky. V tomto p°ípad¥ zobrazujeme i SINR z eNodeB a bereme v úvahu i interference které zp·sobuje. Z obrázku je patrné ºe ze femtobu¬ky nacházející se blíºe k eNodeB (které je umíst¥no v levo) mají hor²í odstup signálu od ²umu a interferencí neº jejich kolegové nacházející se v levé £ásti obrázku 4.9. V p°ípad¥ OSG je patrné ºe femotbu¬ky vhodn¥ dopl¬ují stávající makro sí´ operátora. A to zejména ve v¥t²í vzdálenosti od eNodeB, kdy vykrývají vnitní prostory budov v¥t²í datovou propustností, neº by m¥ly UE v p°ípad¥ p°ipojení k mobilní síti.

V tomto p°ípad¥

jsme zvolili velkou vzdálenost od eNodeB aby se dostate£n¥ projevil vliv femtobun¥k na celkovou p°enosovou kapacitu sít¥. Z hlediska výsledk· simulace je t°eba upozornit na fakt, ºe v tomto p°ípad¥ neuvaºujeme útlum zp·sobený vnit°ními p°í£kami v rámci apartmánu nebo domu. Vyjímkou je pouze p°ípad, kdy p°í£ka odd¥luje jednotlivé apartmány. Z obrázku 4.9 je patrné, ºe kvalita signálu ze sít¥ je uvnit° budov velice ²patná. Pokud se podíváme na objekty, ve kterých se nenachází FAPy, zjistíme, ºe úrove¬ SINR se zde pohybuje pod hranicí kvalitního p°ijmu signálu. Z hlediska celkového datového p°enosu znázorn¥nému na obrázku 4.10 je moºno si pov²imnout citelného nárustu p°enosové kapacity v²ude tam, kde je FAP k dispozici. Z n¥ho je patrné, ºe femtobu¬ka vykrývá kaºdý apartmán, nebo

KAPITOLA 4.

52


Obrázek 4.9: Pokrytí signálem femtobun¥k v zástavb¥ (Otev°ená p°ístupová metoda)

Obrázek 4.10: Simulace p°enosových rycholstí aplikovaná na vn¥j²í zástavbu pro downlink

7

d·m s dostate£nou datovou propustností, pohybující se v pr·m¥ru okolo 3550 Mb/s

(v

závislosti na síle interferencí). Vyjímku tvo°í pouze rozm¥rné prostory (nap°íklad haly nebo obchodní centra), kde vzhledem k vysílacím parametr·m FAP nelze dosáhnout komfortního

7V

této simulaci neuvaºujeme p°enosové rychlosti p°ipojení jednotlivýc FAP p°es FGw do EPC sít¥

operátora, která je pro stanovení celkové p°enosové rychlosti zásadní.

KAPITOLA 4.


53

pokrytí vyuºitím pouze jedné femtobu¬ky (znázorn¥no na p°íkladu FAP 9). Rozdíly v kvalit¥ pokrytí signálem z FAP jsou také závislé na vzdálenosti od eNodeB. Pokud je základnová stanice ve velké vzdálenosti od femtobun¥k v zástavb¥ je výsledek celkové p°enosové kapacity jinný neº v p°ípad¥ kdy je eNodeB v jejich blízkosti. V tomto p°ípad¥ se u femtobun¥k dominantn¥ projeví vliv interferencí z makro sít¥ operátora, a jejich celkové SINR se vzdáleností klesá o to rychleji. Tedy nebudou schopny porkývat daný objekt takovou datovou propustností, jako v p°ípad¥ kdy je vysíla£ makro sít¥ vzdálen mnohem více. Celkový pom¥r p°enosových rychlostí je gracky zaznamenán na obrázku 4.11 pro p°í-

8

pad downlinku . Z n¥ho si m·ºeme pov²imnout, ºe na okrajích bu¬ky makro sít¥ oparátora

Obrázek 4.11: Závislost p°enosové rychlosti femtobun¥k na jejich vzdálenosti od eNodeB

je vliv na kvalitu pokrytí a p°enosové kapacity pro vnit°ní zástavbu dominantní. Zde je vid¥t, jak femtobu¬ky pom¥rn¥ dob°e pokrývají dané apartmány blok· 1 a 2 dostate£nou datovou propustností. Také je patrné ºe jejich dosah je pom¥rn¥ omezen. Zajímavým zji²t¥ním je fakt, do jaké míry je celkový dosah (a tedy i p°enosová rychlost) závislá na síle interferujícího signálu z makro sít¥. Z grafu je patrné, ºe zatímco v p°ípad¥ obytných blok·, celková datová propustnost vlivem v¥t²ích interferencí zp·sobených eNodeB podstatn¥ neklesla, respektive poklesla v °ád· procent. Tak v p°ípad¥ FAP 9 je situace odli²ná. Interference z eNodeB dosáhly v tomto p°ípad¥ tak vysokých hodnot, ºe nep°íli² velká úrove¬ signálu z FAP je tak eNodeB ru²ena a její celkové SINR(a tedy i p°enosová rychlost) je v tomto míst¥

8 Tento

graf byl zaznamenán pro vzdálenost 220m v ose Y(X) z obrázku 4.10 pro dv¥ r·zné polohy eNodeB.

KAPITOLA 4.


54

mnohem men²í. Jinými slovy °e£eno, £ím blíºe bude eNodeB k FAP, tím se zmen²uje celkový efektivní dosah femtobu¬ky. Vzhledem k celkové absenci plánování u femtobun¥k je toto zji²t¥ní pom¥rn¥ závaºný problém, ze kterým je nutno po£ítat.

4.5.2

Uzav°ená p°ístupová metoda

V tomto p°ípad¥ p·sobí femtobu¬ky mezi sebou nebo sítí operátora jako ru²ivý element. Protoºe pracují v reºimu CSG mohou k nim p°istupovat pouze opráv¥ní uºivatelé. Pro ostatní, kte°í se dostanou do oblasti, kde je úrove¬ signálu této femtobu¬ky v¥t²í neº ostatních FAP nebo eNodeB, budou vystaveni zna£né degradaci vlastního signálu. P°ípadn¥ mohou ztratit kontakt s mobilní sítí a ocitnout se tak v "mrtvé zón¥". V na²em p°ípad¥ nám pojmem mrtvá zóna denuje takové místo, kde je SINR interferující femtobu¬ky v¥t²í neº SINR v²ech ostatních FAP nebo eNodeB. Tento stav je velice neºádoucí, a je zapot°ebí denovat moºnosti jeho maximálního omezení. Pokud budeme vycházet z p·vodního rozloºení SINR na obrázku 4.9, m·ºeme si celkovou situaci p°i vzniku mrtvých zón demonstrovat na obrázku 4.12, kde pro p°íklad uvaºujeme v²ech 9 FAP v reºimu CSG. Na levém obrázku si m·ºeme v²imnou dominantního vlivu fem-

9

tobun¥k na kvalitu signálu. "Nezaujaté"UE , které by se v tomto prostoru pohybovalo bude trp¥t zna£nou degradací jiº tak ²patného signálu. Jak je patrné, velikost mrtvých zón tedy

Obrázek 4.12: Úrove¬ signálu femtobun¥k v zástavb¥ (Uzav°ená p°ístupová metoda)

bude závislá na dvou faktorech. Zaprvé na síle signálu z makro sít¥, tedy na vysílacím výkonu

9 UE

které se nep°ipojuje k FAP ale pouze k eNodeB

KAPITOLA 4.


55

eNodeB a její vzdálenosti. Zadruhé na vysílacím výkonu samotných FAP. Z obrázku je z°ejmé, ºe £ím v¥t²í bude vysílací výkon FAP, tím bude velikost "mrtvé zóny"(bílá pole) v¥t²í. A také to, ºe £ím bude SINR z eNodeB v¥t²í, tím bude polom¥r "mrtvé zóny"men²í. Problematika denice výkonových limit· je podrobn¥ji diskutována v kapitole 4.6. V paktickém nasazení bude nej£ast¥j²í kombinace obou p°ístupových metod. Tedy je celkem pravd¥podobné, ºe se v sousedních apartmánech budou dv¥ femtobu¬ky s odli²nými p°ístupovými metodami. To m·ºe vyvolávat necht¥nné ru²ení a tedy i zmen²ení celkového dosahu té femtobu¬ky, která pracuje v reºimu OSG, protoºe u ní hrozí vznik "mrtvé zóny". V na²em p°ípad¥ si tento problém simulujeme tak, ºe FAP 2 a FAP 8 nastavíme do reºimu OSG a ostatní necháme v reºimu CSG. FAP 8 bude v rámci bloku osamocená a FAP 2 bude ru²ena interferencemi FAP 10 ze sousedního apartmánu. Jejich vzdálenost od vysíla£e eNodeB m·ºeme pokládat za rovnocenou. Výsledek této simulace je znázorn¥n na obrázku 4.13. Z n¥ho si m·ºeme pov²ímnou n¥kolika zajímavých aspekt·. Je vid¥t, ºe vzhledem k malým výkon·m FAP 10 výrazn¥ji

Obrázek 4.13: Úrove¬ signálu femtobun¥k v rozdílných prost°edích

neovliv¬uje FAP 2 protoºe je od n¥j vzdálen tém¥° 30 metr· ale navíc je jeho signál tlumen okolními zdmi. Pokud bychom uvaºovali jejich vzdálenost mnohem men²í, tak by problém interferencí zna£n¥ vzrostl. M·ºeme tedy tvrdit, ºe parametr SINR klesá tím rychleji, £ím se blíºíme ke zdroji interferencí. Tedy v p°ípad¥ blízkého rozmíst¥ní jednotlivých FAP v rámci jednoho bloku m·ºe uºivatel trp¥t v¥t²í degradací signálu neº v tom p°ípad¥, kdy je rozloºení FAP °id²í. V p°ípad¥ ºe bychom cht¥li k FAP 2 p°istupovat p°es chodbu z apartmánu A tak je tato moºnost zcela zapov¥zena vlivem zna£ných interferencích ze strany FAP 10. P°enosové

KAPITOLA 4.


56

rychlosti se v takto °idkém rozmíst¥ní FAP pohybují v pr·m¥ru na jeden apartmán okolo hodnoty 30 Mb/s (samozd°ejm¥ záleºí na vnit°ním uspo°ádání). Pokud bychom uvaºovali v na²em modelu podstatn¥ více femtobun¥k které by byly rozmíst¥ny blíºe u sebe, tak by probém interferencí a mrtvých zón byl dominant¥j²í. Zárove¬ by se tím sníºila absolutní p°enosová rychlost na daný apartmán. Z vý²e uvedených simulací je patrné, ºe femtobu¬ky mají pozitvní vliv na kvalitu a pokrytí v rámci LTE sít¥. Zvlá²t¥ na okrajích bu¬ky mobilní sít¥ nebo ve vnit°ní zástavb¥, kde je signál vysílaný z eNodeB malý (tedy malé SINR) nebo siln¥ utlumený. V t¥chto p°ípadech je patrný citelný nár·st kvality pokrytí signálem, coº v kone£ném d·sledku znamená zv¥t²ení p°°enosové kapacity. Na druhou stranu je t°eba nicmén¥ dodat, ºe tyto p°ínosy jsou zaji²t¥ny pouze v p°ípad¥ ºe femtobu¬ka není zaru²ena v¥t²ím po£tem sousedních femtobun¥k. Proto je nutné zajistit kvalitní správu femtobun¥k (Selforganization ) z hlediska výkonových limit·, abychom zabránili (p°esn¥ji °e£eno omezili) vliv mezibu¬kových interferencí.

4.6 Denice výkonových limit· Nejefektivn¥j²í moºností jak omezit vliv interferencí femtobu¬¥k je denování maximálních výkonových limit·. Tyto limity jsou dle doporu£ení Femto Fora[12] stanoveny pro hodnoty 10 dBm, 15dBm, 20dBm a 23 dBm. Výhodou tohoto °e²ení je pom¥rn¥ jednoduchá implementace a omezení vlivu vzájemných interferencí. Nevýhodou je zmen²ení efektivního dosahu signálu. Ze základních vlastností je patrné, ºe omezení vysílacího výkonu femtobu¬ky bude závistet na n¥kolika podstatných faktorech v míst¥, kde bude umíst¥na. A to jmenovit¥ na:

•

Síle signálu z eNodeB (v závislosti na vzdálenosti)

•

Interferencí z okolních femtobu¬¥k

•

Typu p°ístupové metody

•

Vnit°nímu uspo°ádání objektu (zdi, nábytek, okna, pohyb osob,....)

Kaºdá FAP se si po inicializaci pomocí p°esn¥ denovaných Selforganization proces· zm¥°í parametry radiové sít¥ ve svém okolí a na základ¥ úrovn¥ signál· a interferencí a dal²ích parametr· (nap°. p°ístupové metody) si m·ºe stanovit vlastní vysílací výkon. Který bude zp·sobovat co moºná nejmen²í interference jak v femto, tak v makro vrstv¥. Poslední bod, vnit°ní uspo°ádání objektu, je my²leno zhlediska r·zných typ· budov. Zcela jinak bude vypdat model ²í°ení signálu pro apartmány a rodiné domy neº pro kancelá°ské prostory (Open

KAPITOLA 4.

Space ),


57

skady, nákupní centra a restaurace. Proto je d·leºité vzít i tento fakt na v¥domí a

p°isp·sobit vlastnosti femtobu¬ky danému prost°edí, jak je patrné z na²ich simulací. Do na²eho modelu zkusíme implementovat jednotlivé femtobu¬ky s rozdílnými výkonovými limity a budeme pozorovat jak budou ovliv¬ovat jejich p°enosové rychlosti a kvalitu pokrytí signálem. A to jak pro vnit°ní, tak pro v¥j²í model. Vnit°ní uspo°ádání bude vycházet z modelu na obrázku 4.5. S tím rozdílem, ºe nyní budou interferující FAP 1 a FAP 3 pracovat s men²ím vysílacím výkonem 15 a 10 dBm. Výsledek je moºné vid¥t na obrázku 4.14 a porovnat s obrázkem 4.5. Pro lep²í p°edstavu jsou jednotlivé výkony v závislosti na p°enosové rychlosti zaznamenány v grafu 4.15

10

. Na n¥m je patrná závislost maximálního výkonu FAP

Obrázek 4.14: Výkonové limity FAP pro 15 a 10 dBm na p°enosové rychlosti. ím je vysílací výkon men²í, tím rychleji klesá p°enosová rychlost se vzdáleností. V blízkosti femtobu¬ky (FAP 2) klesá p°enosová rychlost pomaleji neº na jejím okraji. To je dob°e patrné pro FAP 1, kde v tomto míst¥ je pro vysílací výkon 23 dBm p°enosová rychlost 58,5 Mb/s, pro 15 dBm 39,3 Mb/s a p°i 10 dBm vysílacího výkonu potom 27,5 Mb/s. Dále se blíºe podívejme jak ovlivní r·zné výkonové limity v²ech FAP uºivatele, který je se svým UE p°ipojen k eNodeB síti operátora, kter8 je od UE vzdálena 400m. Tento uºivatel, pokud se bude nacházet v blízkosti FAP, bude trp¥t zna£nou degradací signálu. V na²em p°ípad¥ uvaºujeme ze se nachází v apartmánu C, kde není ºádný FAP umíst¥n. Jeho maximální dosaºitelné p°enosové rychlosti pro r·zné výkonové limity jsou znázorn¥ny v

11

grafech na obrázku 4.16

10 Tento 11 Tento

pro eNodeB vzdálenou 500 metr·. Z na²í simulace plyne skute£nost,

graf byl zaznamenán pro vzdálenost 32m v ose Y(X) z obrázku 4.14 graf byl zaznamenán pro vzdálenost 30m v ose Y(X) z obrázku 4.8 pro r·zné výkonové limity FAP

KAPITOLA 4.


58

Obrázek 4.15: Výkonové limity FAP pro 23, 15 a 10 dBm

Obrázek 4.16: (a) Závislost p°enosových rychlostí na vysílacích výkonech FAP, (b) CDF funkce SINR pro UE p°ipojené k eNodeB

ºe výkonové limity jsou v tomto p°ípad¥ nep°ímo úm¥rné ²pi£kové p°enosové rychlosti. ím men²í zvolíme výkon femtobu¬ky tím v¥t²í p°enosovu rychlost a lep²í pokrytí získáme. V absolutních £íslech je maximální p°enosová rychlost UE p°ipojené p°ímo do sít¥ operátora, v

KAPITOLA 4.


59

p°ípad¥ ºe v²echny ostatní FAP vysílají výkonem 10 dBm 15,6 Mb/s. V p°ípad¥ vysílacího výkonu 15 dBm potom 14,7 Mb/s a pro 23 dBm pak 10,6 Mb/s. Tento jev je zp·sobem interferencemi v²ech ostatních FAP·, které negativn¥ ovliv¬ují makro sí´ operátora. ím mají vy²²í výkon, tím jejich interference vzr·stají. Je tedy z°ejmé, ºe p°i velké hustot¥ rozmíst¥ní femtobun¥k v zástavb¥ (v reºimu CSG) bude ºádoucí nastavovat vysílací výkony jednotlivých FAP men²í, tedy 10 dBm maximálne 15 dBm. Naopak v p°ípad¥ malé hustoty femtobun¥k na místech se slabím signálem ze sít¥, nebo v p°ípad¥ ºe chceme pokrýt velké prostory, se vyplatí vyuºít vy²²ích vysílacích výkon·. Kaºdopádn¥ tyto hodnoty budou vºdy záviset na daném prost°edí. R·zné výkonové limity budou mít také vliv na velikost mrtvých zón pro uºivatele. ím niº²í bude výkon FAP, tím men²í tato zóna bude. Na obrázku 4.17 vidíme jaký dopad na velikost mrtvých zón má sníºení výkonu na 15 dBm, respektive 10 dBm. Tyto výsledky si m·ºeme porovnat s simulací na obrázku 4.12, kde je uvaºován maximální vysílací výkon 23 dBm. Z obrázku je patrné, ºe velikost mrtvých zón se v p°ípad¥ r·zných výkonových limit· ºádným zásadním zp·sobem nem¥ní. V¥t²í rozdíly lze shledat jen p°i porovnání mrtvých zón pro vysílací výkony 23 dBm a 10 dBm. P°i nejvy²²ím moºném výkonu je patrné ºe p°i v¥t²ích vzdálenostech od eNodeB bude docházet k roz²i°ování mrtvých zón do okolních apartmán·, coº je negativní d·sledek interferencí. Naopak, na tom samém míst¥ je p°i pouºití FAP s men²ími vysílacími výkony mrtvá zóna ohrani£ena jen velikostí apartmánu (a £áste£n¥ i p°ilehlou chodbou). Tedy, £ím jsme blíºe k vysíla£i eNodeB tím je polom¥r mrtvých zón men²í.

Obrázek 4.17: Vliv r·zných vysílacích výkon· FAP na velikosti mrtvých zón

KAPITOLA 4.


60

Z na²í simulace si m·ºeme vyvodit záv¥r, ºe nár·st mezi-bu¬kové interference je p°ímo úm¥rný síle signálu a vzdálenosti jednotlivých femtobun¥k. ím jsou femtobu¬ky blíºe u sebe, tím se více ovliv¬ují. Proto je vhodné zvolit správný vysílací výkon. Pro pokrytí malých prostor nepot°ebujeme velké vysílací výkony FAP. V p°ípad¥ pokrytí apartmánu dostate£nou datovou proustností si vysta£íme s výkonovími limity 10 a 15 dBm. Dostate£nou datovou propustností se rozumí p°enosové rychlosti v rozmezí 616 Mb/s, které odpovídají nejb¥ºn¥j²ím tuzemským internetovým p°ipojením (xDSL, Wi). Pokud se bude femtobu¬ka nacházet v míst¥, kde není kvalitní signál ze sít¥ a hustota femtobun¥k nebude veliká není problém vyuºívat femtobu¬ky s maximálními vysílacími výkony. P°i problematice mrtvých zón a interferencí je nutné brát v potaz jednak hustotu rozloºení femtobun¥k, tedy jejich sílu signálu a také sílu signálu z eNodeB. V p°ípad¥ v¥t²í hustoty femtobun¥k je vhodné volit men²í vysílací výkony, protoºe tím pádem budou vzájemné interference men²í a podle obrázku 4.15 se nám tím zvý²í celková p°enosová rychlost v daném apartmánu nebo dom¥. Kaºdopádn¥ vºdy bude záleºet na konkrétním uspo°ádání daného prost°edí, interfe rencích z okolních vysíla£· a kvalit¥ signálu mobilní sít¥. Také bude zapot°ebí brát v úvahu hustotu rozmíst¥ní femtobun¥k, jejich vyuºitelnost a kapacitu. Proto není konkrétní denice optimálního nastavení parametru FAP jednoduchá. Také je pot°eba si uv¥domit fakt, ºe v¥t²ina potencionálních uºivatel· femtobun¥k nebude mít k dispozici internetové p°ipojení, které bude schopné postytovat velké p°enosové rycholsti (5070 Mb/s), proto také nebude nezbytn¥ nutné pouºívat u v²ech femtobun¥k maximální vysílací výkony, protoºe pro pokrytí bytu men²í p°enosovou rychlostí bude dosta£ovat femtobu¬ka o výkonu 1015 dBm.

Kapitola 5 Záv¥r Cílem této práce bylo seznámení se s konceptem femtobun¥k pro mobilní sí´ LTE a provést jejich základní simulaci radiového rozhraní. Na úvod jsme se seznámili s konceptem mobilního systému LTE v kapitole 2. Popsali jsme jeho vlastnosti, pouºité technologie, architekturu sít¥ i jejích jednotlivých prvk·. Zam¥°ili jsme se na popis LTE z pohledu radiového rozhraní, které je pro na²i práci st¥ºejní. Zjistili jsme, ºe vysoká datová propustnost sít¥ LTE (viz tabulka 2.2) je dána p°edev²ím pouºitím nových p°enosových koncepcí jako je OFDMA p°ístup, anténí systém MIMO, exibilní sí°ka pásma a dal²í, které souhrnn¥ tvo°í radiové rozhraní sít¥ EUTRAN pln¥ podporující IP p°enos a QoS. Na²ím úkolem bylo také denovat frekven£ní pásma, na kterých bude tento systém pracovat. Tyto pásma jsme denovali pomocí p°íslu²ného standardu v kapitole 2.3.3. Dal²ím bodem bylo denování vhodných model· ²í°ení signálu. Hledání vhodného modelu a d·vody pro£ jsme zvolili uvedený model jsou nastíneny v kapitole 4.2. Jelikoº kaºdý model má své p°ednosti a nedostatky, rozhodli jsme se zvolit takový, který má dobrou vypovídací hodnotu a zárove¬ není p°íli² výpo£etn¥ i programátorsky náro£ný. Námi vybraný model poskytuje dobrou p°edstavu o chování femtobun¥k v r·zných prost°edích. Následn¥ jsme v kapitole 4 provedli základní simulaci radiového rozhraní makro vrstvy sít¥. Analyzovaly jsme problematiku interferencí a provedli simulace pro dv¥ r·zná prost°edí vnit°ní objekt a v¥j²í zástavbu. V první £ásti jsme pozorovali chování femtobun¥k, které jsou umíst¥né v jednotlivých p°iléhajících apartmánech. Zjistili jsme, ºe jsou schopné pokrýt daný prostor dostate£nou datovou propustností, ale p°i nevhodném rozmíst¥ní mohou zp·sobovat zna£né interference okolním femtobu¬kám a zp·sobit jejich zaru²ení. Nejhor²í situace potom nastává pro uºivatele kte°í jsou p°ipojeni k makro síti operátora v místech ²patného p°ijmu signálu ze sít¥, kde se interference projevují dominantním zp·sobem. V druhém p°ípad¥ jsme se zabývali scéná°em, kdy je v okolní zástavb¥ rozmíst¥no více femtobun¥k. Pozorovali jsme jak se zm¥ní celková kvalita pokrytí sít¥ (zejména v budovách) s vyuºitím femtobu¬kové

61

KAPITOLA 5.

ZÁVR

62

koncepce. Ze simulací vyplynulo, ºe zejména v místech se ²patným pokrytí signálu ze sít¥ je moºno díky femtobu¬kám sledovat citelný nár·st p°enosových rychlostí. Ov²em je t°eba upozornit na fakt, ºe tento výsledek zna£n¥ závisí na typu p°ístupové metody, která je u konkrétní FAP vyuºita (viz kapitola 3.2.1). Posledním úkolem bylo denování maximálních výkonových limit·. Tento úkol jsme na na²em modelu zkoumali v kapitole 4.6. Snaºili jsme se zjisti jak se projeví nár·st mezibu¬kové interference p°i pouºití r·zných vysílacích výkon·. Z námi provedených simulací vyplynulo, ºe pouºití r·zných vysílacích výkon· má vliv na sílu interferencí, i kdyº nikoli tak dominantní, jak jsme se zprvu domnívali. Jsou ur£itým °e²ením problému vzájemných interferencí FAP, ale ne samospásným. V p°ípad¥ nevhodn¥ zvoleného rozloºení jednotlivých femtobun¥k, bude vºdy docházet k interferencím, které budou mít vliv na degradaci mobilního signálu. Maxiální dosah a p°enosové rychlosti femtobun¥k tedy bude záleºet p°edev²ím na kvalit¥ signálu ze sít¥, síle interferencí, typu p°ístupové metody, vysílacímu výkonu FAP a vnit°ímu uspo°ádání objektu.

5.1 Osobní zhodnocení M·j osobní p°ístup a hodnocení této práce je velmi pozitivní. Jednalo se o zajímavé a pom¥rn¥ náro£né téma, kterému jsem se v¥noval tém¥° rok. Nejpodstatn¥j²í z mého pohledu bylo detailní seznámení s koncepcemi femtobun¥k a LTE s vyuºitím klí£ové literatury [27] a [34]. Proto jsem do této práce za°adil i kapitoly které nebyly p°ímo nezbytné pro vypracování. A to p°edev²ím popis technologií LTE OFDM a MIMO, které jsou dle mého soudu nezbytné k pochopení principu radiového rozhraní EUTRAN. Zárove¬ jsem také uznal za více neº vhodné, seznámit sebe, ale hlavn¥ i potencionálního £tená°e s problematikou femtobun¥k. Proto jsem za°adil kapitolu 3, která se jim v¥nuje. Osobn¥ si myslím ºe koncepce femtobu¬¥k je nesmírn¥ perspetivní záleºitost, která má potenciál nahradit v budoucnu dnes jiº standardní Wi p°istupové body, protoºe bude nabízet minimáln¥ srovnatelné, ale spí²e lep²í, parametry a sluºby. Aby do²lo k masovému roz²í°ení koncepce femtobu¬¥k, je nutné detailn¥ji studovat jejich chování, zejména z hlediska ru²ení. Proto jsem se ve své práci snaºil nastínit n¥které principy, které mohou toto chování ovliv¬ovat jak v pozitivním tak v negativním smyslu. Zajímavou výzvou je jist¥ analýza chování femtobun¥k v n¥kterých zcela zpecických p°ípadech, jako jsou panelové domy. Zde je otázka interferencí velmi aktualní téma. Bylo by vhodné pomocí sostikovan¥j²ích model· zjistit, jak se budou chovat jednotlivé FAPy umíst¥né v jednotlivých nep°íli² velkých bytech a podlaºích, v p°ípadech, kdy jsou odd¥leny jen panelovými p°epáºkami. Vytvo°ení takovýchto simulací, zejména za pouºití optických model·, by bylo jist¥ p°ínosné.

KAPITOLA 5.

ZÁVR

63

Na druhou stranu je pot°eba si tyto teoretické záv¥ry ov¥°it v praxi, pomocí vlastních m¥°ení, aby bylo moºno u£init konkrétní záv¥ry p°ínosné pro ty, kte°í cht¥jí femtobu¬ky nasazovat do komere£ního vyuºití. Dle mého názoru je to velmi zajímavé téma pro n¥koho, kdo by se cht¥l problematikou femtobun¥k v budoucnu dále zabývat.

Literatura [1] 3GPP

TS

23.401

LTE; Network architecture

v9.3.0.

[online].

ETSI,

2010.

[cit. 29. 7. 2010]. Dostupné z:
htm>. LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-

[2] 3GPP TS 36.101 v9.4.0.

UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception

[online]. ETSI, 2010.

[cit. 29. 7. 2010]. Dostupné z:
htm>. [3] 3GPP TS 36.211 v9.5.0.

LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);

Physical channels and modulation

[online]. ETSI, 2010. [cit. 15. 11. 2010]. Dostupné z:

. [4] 3GPP TS 36.300 v9.5.0.

LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)

and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description

[online]. ETSI, 2010. [cit. 17. 11. 2010]. Dostupné z:
Specs/html-info/36300.htm>. [5] Adam RAMBOUSEK.

Historie mobilní komunikace

Masarykovy univerzity, 2003. [cit. 18. 7. 2010].

[online]. Fakulta informatiky

Dostupné z:
cz/usr/jkucera/pv109/2003/xrambous_index.htm>. [6] ASTÉLY, D. LTE: The Evolution of Mobile Broadband.

azine.

IEEE Communications Mag-

Vol.47, No.4, s. 4451.

[7] CLAUSSEN, H. PIVIT, F. Femtocell Coverage Optimization Using Switched MultiElement Antennas. In

IEEE International Conference on Communications (ICC '09).

Dresden, Germany, 2009,. [8] DAMOSSO, E. CORREIA, L. COST 231 Final ReportDigital mobile radio towards future generation systems.

In

1999.

Brussels. 4. Propagation Prediction Models, s.

155208.

64

65

LITERATURA

[9] DOBE, J. ALUD, V.

Moderní radiotechnika.

Ortogonální frekven£ní multiplex

OFDM, s. 264267. BEN - technická literatura, 1th edition, 2006. ISBN 80-01-02478-4.

[10] ESPINO, J. MARKENDAHL, J.

Analysis of macro femtocell interference and

implications for spectrum allocation. In

Communications Symposium.

IEEE 20th Personal, Indoor and Mobile Radio

Tokyo, Japan, September 2009,.

[11] Femtoforum. [online]. Dostupné z: . [12] FEMTOFORUM.

Interference Management in OFDMA Femtocells.

FemtoForum,

Swansea, UK. March 2010.

[13] Femtoforum.

Femtocell Market Status

[online]. Informa Telecoms & Media, 2010.

[cit. 15. 8. 2010]. Dostupné z: . [14] GESSNER, C. ROESSLER, A.

LTE technology and LTE test; a deskside chat.

IEEE

Communication Society Tutorial. April 2009.

[15] Global mobile Suppliers Association.

to LTE report

GSM/3G Market/Technology upadate Evolution

[online]. 2011. [cit. 25. 3. 2011]. Dostupné z:
gsm_3g/info_papers.php4>. [16] HOLMA, H. TOSKALA, A.

Access.

LTE for UMTS : OFDMA and SC-FDMA Based Radio

1. Introduction and background, s. 111. John Wiley & Sons Ltd, 5th edition,

2009. ISBN 978-0-470-99401-6.

[17] HOLMA, H. TOSKALA, A.

Access.


3. System Architecture Based on 3GPP SAE, s. 2365. John Wiley & Sons Ltd,

5th edition, 2009. ISBN 978-0-470-99401-6.

[18] HOLMA, H. TOSKALA, A.

Access.


9.4 Link Level Performance, s. 217221. John Wiley & Sons Ltd, 5th edition,

2009. ISBN 978-0-470-99401-6.

66

LITERATURA

[19] KROUK, E. SEMENOV, S.

nications.

Modulation and coding technniques in wireless commu-

8. MIMO, s. 301350. John Wiley & Sons Ltd, 1th edition, 2011.

ISBN

978-0-470-74505-2.

[20] MARTíN-SACRISTáN, D. et al.

On the Way towards Fourth-Generation Mobile: 3GPP

LTE and LTE-Advanced. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. Vol. 2009, June 2009.

í°ení vln v zástavb¥, modely pro plánování mobilních rádiových systém·.

[21] PECHA£, P.

6. Multi-Wall Model, s. 4752. BEN - technická literatura, 1th edition, 2006.

ISBN

80-7300-186-1.

[22] Rao

SRINIVASA

and

Bhat

RAVI

and Signaling Protocol Options [cit.

15. 8. 2010].

RAJ.

[online].

Dostupné

Femtocell Network Architecture

Computing

WHITE

PAPER,

2008.

z:

femtocell-network-architecture-signaling-protocol-options/>. [23] SAUNDERS, S. et al.

nology.

Femtocells: Opportunities and Challenges for Business and Tech-

1.Introduction to Femtocells, s. 115. John Wiley & Sons Ltd, 1th edition, 2009.

ISBN 978-0-470-74816-9.

[24] SýKORA, J.

Teorie digitální komunikace.

10.2 Digitální modulace v lineárním komu-

nika£ním kanálu s mnohacestným ²í°ením, s. 237238. VUT v Praze, 1th edition, 2002. ISBN 80-01-02478-4.

[25] SýKORA, J.

Teorie digitální komunikace.

4.3.3 OFDM, s. 106111. VUT v Praze, 1th

edition, 2002. ISBN 80-01-02478-4.

[26] SÄLZER, T. BAKER, M.

to Practice.

LTE - The UMTS Long Term Evolution : From theory

11.Multiple Antenna Techniques, s. 243284. John Wiley & Sons Ltd, 1th

edition, 2009. ISBN 978-0-470-69716-0.

67

LITERATURA

LTE - The UMTS Long Term Evolution : From theory to


Practice.

1. Introduction and background, s. 120. John Wiley & Sons Ltd, 1th edition,

2009. ISBN 978-0-470-69716-0.


to Practice.


15.Uplink Physical Layer Design, s. 345357. John Wiley & Sons Ltd, 1th

edition, 2009. ISBN 978-0-470-69716-0.



Practice.

2.Network Architectures, s. 2150. John Wiley & Sons Ltd, 1th edition, 2009.

ISBN 978-0-470-69716-0.



Practice.

4.User Plane Protocols, s. 79110. John Wiley & Sons Ltd, 1th edition, 2009.

ISBN 978-0-470-69716-0.


to Practice.


5. Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), s. 111134.

John Wiley & Sons Ltd, 1th edition, 2009. ISBN 978-0-470-69716-0.

[32] TSAI, A.-H. et al. High Capacity Femtocells with Directional Antennas. In

Communications and Networking Conference (WCNC).

Sydney, Australia, 2010,.

[33] YOUNG, R. W. AMPS: Introduction, Background, and Objectives.

technical journal.

Wireless

The Bell system

Vol.58, No.1, s. 111.

[34] ZHANG, J. ROCHE, G.

FEMTOCELLS : Technologies and Deployment.

1.Introduc-

tion, s. 113. John Wiley & Sons Ltd, 1th edition, 2010. ISBN 978-0-470-74298-3.



2.Indoor

Coverage Techniques, s. 1537. John Wiley & Sons Ltd, 1th edition, 2010. ISBN 978-0470-74298-3.

68

LITERATURA



6.Interfer-

ence in the Presence of Femtocells, s. 145178. John Wiley & Sons Ltd, 1th edition, 2010. ISBN 978-0-470-74298-3.



8.Self

Organization, s. 225259. John Wiley & Sons Ltd, 1th edition, 2010. ISBN 978-0-47074298-3.

Femtobu ky pro mobilní sít Long Term Evolution

Recommend Documents