HETEROGÉN MOBILHÁLÓZATOK, MOBIL BACKHAUL ÉS GERINC HÁLÓZAT GYAKORLAT Mobil és vezeték nélküli hálózatok (BMEVIHIMA07) Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
[email protected] 2015. április 3., Budapest
Tartalom LTE HetNet hálózatok • Jelentősége, előnyök, problémák, • Field tesztek a HetNet világából
Számolások: • Interferencia, SIR számítások • Áteresztőképesség meghatározása • (ha marad rá idő: Backhaul méretezése small cellákra)
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
2
LTE- A HetNet
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
3
(LTE-A) HetNet jelentősége Két réteg: • makró réteg (kültér), • Small cellák alkotta réteg (kül- és beltér).
Előnyök: • Jobb lefedettség, • Korábban rossz lefedettséggel rendelkező helyeken javul a szolgáltatás minősége, • Nagyobb kapacitás, • Energia hatékonyság, makro eNB tehermentesítése
Hátrányok: • Interferencia, időzítés • Backhual miatt kapacitás QoS biztosítás kérdései
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
4
LTE Small cell teszt 1 - Virgin Virgin media field teszt: Newcastle és Briston-ban 2012 • Newcastle:
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
5
LTE Small cell teszt 2 - Virgin Wifi és LTE small cellákkal
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
6
LTE Small cell teszt 3 – Virgin Throughput (FTP teszt) Newcastle:
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
7
LTE Small cell teszt 1 Phoenix International Raceway (PIR), Arizona; USA – Qualcomm (2014) • 31 small cella, „hiper sűrű telepítés” isd kb. 7 m • (a telepítés intenzitása 1000 cella/km2) • Small cellák LTE-TDD 2.6 GHz, Band 41 TDD • „Cell-On-Wheels” megoldáshoz képest kb.40x-es kapacitás növekedést értek el. Cell-On-Wheels
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
8
LTE Small cell teszt környezet és eredmények
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
9
DL Interferenciák csoportosítása
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
10
1. Feladat – LTE- A femtocella 1. a., Determinisztikus femtocella telepítés vizsgálata A small cellák adási teljesítménye Ps =100 mW, a kültéri jelterjedési exponens értéke -4. Az origóban tartózkodik a (makrocellához kapcsolodó) felhasználó (UE). Számolja ki a small cellák által az MUE vevőjében az eredő interferenciát. (megjegyzés: a Small cellák és az MeNB ugyanazon a frekvenciasávon üzemelnek és minden PRB-t használnak).
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
11
1. Feladat – LTE- A femtocella 1. b., Jel-zaj viszony meghatározása • A Makró eNB távolsága az origóban levő felhasználótól legyen 500 m. Az tudjuk, hogy a makró eNB adási teljesítménye 20W. Mekkora lesz a jel-zaj viszony értéke dBben?
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
12
1. Feladat – femtocella folyt. Mekkora az LTE link áteresztőképessége (throughput)?
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
13
2. Feladat – open access femtocella 2. a., UE egy femtocellához (zöld) kapcsolódik? • Mekkora az SIR értéke? • Mekkora az LTE link throughput-ja?
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
14
3. Feladat – PPP femtocella modell 3. a., PPP alapú femtocella modellezés • Adja meg az R = 1000m x 1000m-es négyzet alapú véges területen található small cellák várható értékét, ha λ= 10-4! • Mi annak a valószínűsége, hogy pontosan 110 db small cella található a területen! • Mi annak a valószínűsége, hogy az origóban levő UE-től R=50 m sugarú körben egyetlen small cella se található λ= 10-4,10-6 és 10-2 mellett?
2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
15
3. Feladat – PPP femtocella modell 3. b., PPP alapú femtocella modellezés • • • •
2015.04.03.
Adott a femtocellás interferencia eloszlása: F(x)=erfc(Kn/sqrt(x)), ahol Kn=π^(3/2)*λ*sqrt(Pf) Határozza meg a SIR eloszlást belőle, És számolja ki a makrócellás felhasználó lefedettség valószínűségét, ha a makro eNB távolsága a felhasználótól 100 m és a küszöbérték T=10dB!
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
16
Bónusz: Small cell Backhaul 1. Backhaul kapacitásának tervezése: Az egyik mobil operátor a 11. kerületben lévő infóparkba small cellákat telepített (lámpaoszlopokra, irodákba stb.). A környékbeli small cellás forgalmat egy koncentrátor gyűjti össze amit a BME I épületbe telepítettek. Az operátor tudni szeretné mekkora kapacitású link kell a backhaulon, hogy elvigye a small cellák forgalmát. Az alábbi adatokat kaptuk: • A small cellák száma 200 db és csúcsidőben 9-15 Mbit/s közti egyenletes eloszlású forgalmat generálnak.
Mekkora kapacitású linket kell biztosítani, ha azt szeretnék, hogy annak a valószínűsége, hogy a nem tudja elvinni a small cellás forgalmat legfeljebb 10-6 lehet? 2015.04.03.
© Jakó Zoltán BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék
17
1
Determinisztikus Small cella telep´ıt´es vizsg´alata
P´elda 1.1. A small cell´ak ad´asi teljes´ıtm´enye Ps = 100 mW, a k¨ult´eri jelterjed´esi exponens e´ rt´eke pedig (α = −4). Az orig´oban tart´ozkodik a (makrocell´ahoz kapcsolod´o) felhaszn´al´o (UE). Sz´amolja ki a small cell´ak a´ ltal az Makr´o UE vev˝oj´eben az ered˝o interferenci´at.
4 I = ∑ Ps ||zi ||−α = 100 · 10−3 100−4 + 100−4 + 50−4 + 200−4 = 1,8 · 10−8 W. i=1
(1) P´elda 1.2. A Makr´o eNB t´avols´aga az orig´oban lev˝o felhaszn´al´ot´ol legyen z = 500 m. Az tudjuk, hogy a makr´o eNB ad´asi teljes´ıtm´enye (Pm ) 20 W. Mekkora lesz a jel-zaj viszony e´ rt´eke dB-ben?
SIR =
20 · 500−4 [W] Phasznos Pm z−α = = = 0, 01772 Pzaj I 1,8 · 10−8 [W]
SIR[dB] = 10 · log10 (0, 01772) = −17, 5dB
(2) (3)
Ha z = 50m: SIR =
Phasznos Pm z−α 20 · 50−4 [W] = = 177, 16 = Pzaj I 1,8 · 10−8 [W]
SIR[dB] = 10 · log10 (177, 16) = +22, 5dB
(4)
(5)
P´elda 1.3. Mekkora az LTE link a´ tereszt˝ok´epess´ege (throughput)? Leolvasva az a´ br´ar´ol a −17, 5 dB SIR e´ rt´ekhez 0 spektr´alis hat´ekonys´ag tart´ozik. A 22,5 dB-es SIR-hez pedig kb. 5 bit/s/Hz. 20 MHz-es s´avsz´eless´eget felt´etelezve: 20 · 106 [Hz] · 5[bit/s/Hz] = 100Mbit/s P´elda 1.4. Open access femtocella eset´en: Mekkora az SIR e´ rt´eke? Mekkora az LTE link throughput-ja?
1
4 −3 I1 = ∑ Ps ||zi ||−α + Pm z−α 100−4 + 100−4 + 50−4 + 200−4 + m = 100 · 10 i=1
+ 20 · 500−4 = 1,838 · 10−8 W. (6)
SIRSC =
100 · 10−3 · 30−4 [W] Ps z−α = = 6,71 I1 1,838 · 10−8 [W]
SIRSC [dB] = 10 · log10 (6, 71) = 8,27dB
(7)
Leolvasva az a´ br´ar´ol a 8,27 dB SIR e´ rt´ekhez kb. 1,8 spektr´alis hat´ekonys´ag tart´ozik. Vagyis a link throughput-ja: 20 · 106 [Hz] · 1, 8[bit/s/Hz] ≈ 36Mbit/s
2
Small cell´ak vizsg´alata Poisson pontfolyamattal
P´elda 2.1. Adja meg az R = 1000 m × 1000 m-es n´egyzet alap´u v´eges ter¨uleten tal´alhat´o small cell´ak v´arhat´o e´ rt´ek´et, ha λ = 10−4 ! Ns = λ · R = 10−4 · 106 = 100.
(8)
P´elda 2.2. Mi annak a val´osz´ın˝us´ege, hogy pontosan 110 db small cella tal´alhat´o a ter¨uleten? (Ns )k 100110 exp (−Ns ) = exp (−100) ≈ 0,0234. (9) k! 110! P´elda 2.3. Mi annak a val´osz´ın˝us´ege, hogy az orig´oban lev˝o UE-t˝ol R = 50 m sugar´u k¨orben egyetlen small cella se tal´alhat´o λ = 10−4 , 10−6 e´ s 10−2 mellett? P{x = 110} =
P{nincs small cella az 50 m´eter sugar´u k¨or¨on bel¨ul} =
(λ R2 π)k exp (−λ R2 π). k! (10)
k = 0, ez´ert: P{k=0 darab small cell van} = exp (−λ R2 π). 2
• Ha λ = 10−4 : P{k=0 darab small cell van} = exp (−10−4 502 π) ≈ 0,46. • Ha λ = 10−6 : P{k=0 darab small cell van} = exp (−10−6 502 π) ≈ 1. • Ha λ = 10−2 : P{k=0 darab small cell van} = exp (−10−2 502 π) ≈ 0. P´elda 2.4. Adott a femtocell´as interferencia eloszl´asa. Hat´arozza meg a SIR eloszl´ast bel˝ole, e´ s sz´amolja ki a makr´ocell´as felhaszn´al´o lefedetts´eg val´osz´ın˝us´eg´et, ha a makro eNB t´avols´aga a felhaszn´al´ot´ol z = 100 m e´ s a k¨usz¨ob´ert´ek T=10dB! Ism´etl´es: z 2 erf(z) = √ exp (−t 2 )dt π 0 Z ∞ 2 exp (−t 2 )dt erfc(z) = √ π z erf(z) = 1 − erfc(z).
Z
Adott a PPP folyamat intenzit´asa λ = 10−4 , a small cell´ak ad´oteljes´ıtm´enye Ps = 100 mW, tov´abb´a az interferencia eloszl´asf¨uggv´enye: Kn F(x) = P{I ≤ a} = erfc √ , (11) x √ ( ahol Kn = π 3/2) · λ · Ps /2 ≈ 8,8 · 10−5 .
FSIR (y) = P {SIR ≤ y} = P
Pm z−α I
m −α P z ≤y =P I≥ = 1 − P {I ≤ a} . | {z } y | {z } K n . erfc √a =a (12) 3
Vagyis a SIR eloszl´asf¨uggv´eny´ere az al´abbi alakot kaptuk (ha Pm = 20 W, α = 4 e´ s z = 100 m): √ √ FSIR (y) ≈ 1 − erfc (0,18 y) = erf (0,18 y) Ha a k¨usz¨ob´ert´ek T = 10 dB akkor: T [dB] = 10dB → T = 10. √ P {SIR ≤ 10} = erf 0,18 10 ≈ 0,58.
4
