Koncepce mobilních sítí tvrté generace (LTE) v heterogenním uspo ádání

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

Diplomová práce

Koncepce mobilních sítí £tvrté generace (LTE) v heterogenním uspo°ádání

Luká² Kratochvíl

Vedoucí práce:

Ing. Jaroslav Holi², Ph.D. prof. Ing. Pavel Pecha£, Ph.D.

Studijní program: Bezdrátové komunikace

Obor: Komunikace, multimédia a elektronika

9. kv¥tna 2013

iv

Pod¥kování Na tomto míst¥ bych velmi rád pod¥koval konzultantovi Ing. Jaroslavu Holi²ovi, Ph.D (Senior RN Engineering Expert/Deutsche Telekom AG) jehoº cenné rady, p°ipomínky, návrhy a post°ehy mi umoºnili zpracovat tuto velmi zajímavou diplomovou práci.

v

Prohlá²ení Prohla²uji, ºe jsem p°edloºenou práci vypracoval samostatn¥ a ºe jsem uvedl ve²keré pouºité informa£ní zdroje v souladu s Metodickým pokynem o dodrºování etických princip· p°i p°íprav¥ vysoko²kolských záv¥re£ných prací. 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 9. kv¥tna 2013

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

Abstract This thesis describes simulations of inter-cell interference coordination on physical layer for 3GPP LTE and LTE-A radio networks in M AT LAB r . It denes and performs interference behavior simulations of dierent layers in heterogeneous network. The beginning of the work is focused on overall concept description of LTE and LTE-A, heterogeneous networks and methods used for inter-cell and inter-layer interference suppression. The implementation part of the thesis is focused on parameters and design of physical LTE layer simulator and various interference scenarios for simulations of macrocell, picocell and femtocell network deployments.

Key words: LTE, SINR, ABS, Heterogeneous network, Interference, eICIC

Abstrakt Tato práce se zabývá simulacemi koordinace mezibu¬kové interference na fyzické vrstv¥ pro mobilní sít¥ 3GPP LTE a LTEAdvanced v prost°edí M AT LAB r . Denuje a provádí simulace interferen£ního chování r·zných vrstev heterogenní mobilních sítí. V úvodu je nastín¥n popis radiové vrstvy LTE a LTEA, heterogenních sítí a metod pro potla£ení mezibu¬kových a mezivrstvových interferencí. Implementa£ní £ást práce popisuje konstrukci a parametry simulátoru fyzické vrstvy LTE, simulace pro r·zné p°ípady interferen£ních scéná°u v rámci sít¥ pro makrobu¬ky, pikobu¬ky a femtobu¬ky.

Klí£ová Slova: LTE, SINR, ABS, Heterogenní sít¥, Interference, eICIC

vi

Obsah 1 Úvod

3

2 Koncepce radiové vrstvy LTE, LTE-A

4

2.1

Architektura radiové sít¥ LTEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.2

Vlastnosti LTE-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.3

Heterogenní sít¥ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.4

2.3.1

Vlastnosti a výhody HetNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3.2

Makro vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.3

Piko/Femto vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3.4

Opakova£e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.5

Základní parametry vysíla£· . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Fyzická vrstva LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3 Koordinace mezibu¬kových interferencí ICIC a eICIC

16

3.1

3GPP LTE Release 8 ICIC

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2

3GPP LTE Release 10 eICIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4 Simulátor radiové sít¥ LTEA

20

4.1

Model sít¥ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2

Kalkulace parametr· simulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.2.1

Parametry modelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

4.2.2

Výpo£et RSRP a RSRQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2.3

Výpo£et SINR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2.4

Výpo£et spektrální efektivity MIMO kanálu . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.3

Schématický diagram simulátoru fyzické vrstvy . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.4

Vlastnosti simulátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

5 Potla£ení mezi-bu¬kové interference metodou ABS 5.1

32

Simulace Heterogenní sít¥ s pouºitím pikobun¥k . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

vii

OBSAH

viii

5.2

Simulace v blízkém a vzdáleném okolí PeNB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

5.3

Simulace Heterogenní sít¥ s pouºitím femtobun¥k . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.4

Simulace Heterogenní sít¥ na vnit°ním okraji bun¥k . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.5

Simulace fyzické vrstvy pro r·zný po£et p°id¥lených RB . . . . . . . . . . . . 51

6 Záv¥r

55

Seznam obrázk· 2.1

Schéma radiové sít¥ E-UTRAN LTE (Release 10) [3] . . . . . . . . . . . . . .

6

2.2

Vrstvení heterogenní sít¥ v systému LTE-A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3

Struktura subrámce fyzické vrstvy LTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1

Princip koordinace radiových zdroj· pro potla£ení mezibu¬kové interference . 17

3.2

Potla£ení mezibu¬kové interference pomocí metody ABS . . . . . . . . . . . . 19

4.1

Model radiové sít¥ E-UTRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.2

Romíst¥ní budov s HeNB v na²em modelu radiové sít¥ EUTRAN . . . . . . 22

4.3

Porovnání m¥°ení RSRP pro makrobu¬ku a pikobu¬ku v závislosti na vzdálenosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4.4

Principiální blokové schéma MIMO systému v konstelaci 2x2 . . . . . . . . . . 29

4.5

Principiální diagram simulátoru fyzické vrstvy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.1

Srovnání SINR HetNet pro makro a piko vrstvu . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.2

Srovnání SINR HetNet pro makro a piko vrstvu bez pouºití metody ABS . . 34

5.3

Závislosti úrovn¥ signálu na vzdálenosti UE od vysíla£e v p°ípad¥ pouºití metody ABS (a) a (b). A pokud ABS nevyuºíváme (c) a (d) . . . . . . . . . . 35

5.4

Spektrální efektivita t°í r·zných scéná°· v závislosti na vyuºívání metody ABS 36

5.5

Závislosti spektrální efektivity na SINR pro jednotlivé vrstvy heterogenní sít¥

5.6

Závislosti SINR pro UE p°ipojené k HetNet v okolí PeNB . . . . . . . . . . . 38

5.7

Závislosti úrovn¥ signálu na vzdálenosti UE od vysíla£e v okolí PeNB . . . . . 38

5.8

Závislosti úrovn¥ SINR na p°enosové kapacit¥ v okolí PeNB . . . . . . . . . . 39

5.9

Rozdíl p°ijaté úrovn¥ SINR pro uºivatele, který za dobu trvání jednoho rámce

37

st°ídav¥ pouºívá a nepouºívá metodu ABS pro jednotlivé RB . . . . . . . . . 40 5.10 Pom¥r SINR v budov¥ pro jednotlivé vrstvy HetNet sít¥ . . . . . . . . . . . . 42 5.11 P·dorysná situace uvnit° jedné z budov s HeNB . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5.12 Teoretická maximální spektrální efektivita v budov¥ pro jednotlivé vrstvy HetNet sít¥ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

ix

SEZNAM OBRÁZK

x

5.13 Teoretická maximální spektrální efektivita v závislosti na SINR v budov¥ pro jednotlivé vrstvy HetNet sít¥ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 5.14 Úrovn¥ SINR na rozhraní dvou makrobun¥k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5.15 Úrovn¥ SINR na rozhraní dvou makrobun¥k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5.16 Distribu£ní funkce spektrální efektivity na rozhraní dvou bun¥k s pouºitím metody ABS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 5.17 Závislost p°enosové kapacity na SINR pro UE nacházející se na rozhraní bun¥k 50 5.18 Rozdíly úrovn¥ SINR pro UE ve vzdáenosti 60 metr· od PeNB v závislosti na pouºití metody ABS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.19 Rozdíly úrovn¥ SINR pro UE nacházejícího se v sousední místnosti ve vzdálenosti 40 metr· od HeNB v závislosti na pouºití metody ABS . . . . . . . . . 54

Seznam tabulek 2.1

Srovnání kategorií UE dle 3GPP TS 36.306 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.2

Porovnání jednotlivých vysíla£· v EUTRAN dle doporu£ení 3GPP TS 36.300 13

4.1

Parametry modelu pro eNB a PeNB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2

Parametry modelu pro HeNB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5.1

Pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity pro UE v okolí PeNB bez vyuºití metody ABS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.2

Pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity pro UE v okolí PeNB s potla£ením interferencí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5.3

Pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity pro UE v budov¥ bez vyuºití metody ABS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.4

Pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity pro UE v budov¥ s pouºití metody ABS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.5

Pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity pro UE pohybující se na okraji makrobun¥k s pouºitím metody ABS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.6

Spektrální efektivita UE v r·zných p°ípadech . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.7

Spektrální efektivita UE v r·zných p°ípadech . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

xi

Seznam pouºitých zkratek 3GP P

3rd Generation Partnership Project

ABS

Almost Blank Subframes

CDF

Cumulative distribution function

CP

Cyclic Prex

CRE

Cell Range Expansion

CSG

Closed Subscriber Groups

CSI

Channel State Inform

DL

Downlink

EESM

Exponential Eective SINR Mapping

eICIC

enhanced-ICIC

eN odeB, eN B

Evolved Node B

EP C

Evolved Packet Core

ET SI

The European Telecommunications Standards Institute

E − U T RAN

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network

F DD

Frequency Division Duplex

GSM

Global System for Mobile Communications

H − ARQ

Hybrid Automatic Repeat reQuest

HeN B

Home eNodeB

HetN et

Heterogeneous Networks

ICIC

Inter-cell Interference Coordination

IM T − Advance

International Mobile Telecommunications-Advanced

IT U − R

International Telecommunication Union, Radiocommunication Sector

LT E

Long-Term Evolution

LT E − A

Long-Term Evolution Advanced

M CS

Modulation and Coding Scheme

M IM O

Multiple Input and Multiple Output

MME

Mobility Management Entity

1

SEZNAM TABULEK

O&M

Operation and Maintenance

OF DM

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing

OF DM A

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Access

OSG

Open Subscriber Groups

P BCH

Physical Broadcast Channel

P DCCH

Physical Downlink Control Channel

P DSCH

Physical Downlink Shared Channel

P eN B

Pico eNodeB

P SS

Primary Synchronisation Signal

QAM

Quadrature amplitude modulation (16QAM, 64QAM)

QoS

Quality of Service

QP SK

Quadrature Phase Shift Keying (4QAM)

RB

Resource Block

RE

Resource Element

RN

Relay Node

RRM

Radio Resource Management

RS

Reference Symbol

RSRP

Reference Signal Receive Power

RSRQ

Reference Signal Receive Quality

RT P

Real-time Transport Protocol

S − GW

Serving-Gateway

SIN R

Signal to Interference plus Noise Ratio

SS7

Signalling System No. 7

SSS

Secondary Synchronisation Signal

ST CP/IP

Scalable Transmission Control Protocol/Internet protocol

T DD

Time Division Duplex

UE

User Equipment

UL

Uplink

UMTS

Universal Mobile Telecommunication Systém

V oIP

Voice over Internet Protocol

xDSL

Rodina technologií DSL (Digital Subscriber Line)

2

Kapitola 1

Úvod V této práci se zam¥°íme na popis, koordinaci a zp·soby potla£ení mezibu¬kové interference u mobilní sít¥ 3GPP Long Therm Evolution Advanced (LTEA). Problematika vzniku interferencí v tomto typu sít¥ je p°edev²ím dána její konstrukcí, kdy kaºdá základnová stanice (eNodeB) pouºívá stejné radiové zdroje (ve frekven£ní a £asové oblasti). Proto m·ºeme zejména na okrajích bun¥k o£ekávat vznik interferen£ních zón. V úvodu se zam¥°íme na základní popis koncepce radiové vrstvy LTEA. Zejména pak na koncepci nového typu radiové sít¥ ozna£ované jako Heterogení sí´ (HetNet). Vysv¥tlíme si její základní topologii, vlastnosti, výhody a nevýhody. Popí²eme si rozdíly mezi mezi doporu£eními 3GGP Release 8, coº jsou specikace pro LTE a 3GPP Release 10 pro LTEA. Také £tená°e seznámíme s koncepcí fyzické vrstvy, kterou implementujeme ve zkonstruovaném simulátoru. V dal²í kapitole si popí²eme problematiku mezibu¬kové interference (ICIC) a zp·sob jejího potla£ení jak u sítí LTE tak u její nov¥j²í verze LTEA pomocí metod ozna£ovaných jako eICIC. Poslední dv¥ kapitoly se jiº pak pln¥ v¥nují popisu vytvo°eného simulátoru, v£etn¥ prezentace výsledk·. Na úvod si denujeme parametry na²eho modelu sít¥, který byl zvolen tak, aby dostate£n¥ jasn¥ prezentoval °e²ení na²eho zadání i výsledky simulací. Poté následuje matematický popis vlastností simulátoru. Pátá kapitola se jiº pak pln¥ v¥nuje problematice nár·stu mezibu¬kové interference v závislosti na rozmíst¥ní vysíla£· i uºivatelských terminál·. V popsaných scéná°ích ukazujeme jaký vliv na mezibu¬kové interference m·ºe mít nevhodné a nekontrolované rozmíst¥ní vysíla£· v síti spole£n¥ s nemoºností efektivního potla£ení mezibu¬kových interferencí. V této práci explicitn¥ uvaºujeme scéná°e, které demonstrují vznik interferencí mezi jednotlivými vrstvami heterogenní sít¥ a problémy, s kterými se jako uºivatelé mobilní sít¥ m·ºeme potkat na okrajích bun¥k s omezenou kvalitou signálu.

3

Kapitola 2

Koncepce radiové vrstvy LTE, LTE-A V posledních letech neustále vzr·stá po£et mobilních telefon· vyºadujících datové p°ipojení. S jejich rozmachem se zvy²ují i poºadavky na kapacitu a p°enosové rychlosti datové mobilní sít¥. P·vodním trendem k zaji²t¥ní datových p°enos· bylo p°i£lenit ke stávajícím mobilním (p°eváºn¥ GSM) sítím technologie, umoº¬ující datový p°enos. Postupem £asu ale tento zp·sob °e²ení naráºel na technologické limity, protoºe mobilní sít¥ byly p°eváºn¥ navrºeny pro p°enosy telefonních hovor·. První pokusy s rychlými datovými p°enosy umoºnila aº standardizace UMTS (Universal Mobile Telecommunications System ) v doporu£ení 3GPP Release 99 (3rd Generation Partnership Project ). Následovaly dal²í úpravy a vylep²ení, které umoº¬ovaly dosahovat v této síti rychlosti v °ádech Mb/s. Protoºe neustále vzr·staly poºadavky uºivatel· mobilního internetu na p°enosové rychlosti, kapacitu sít¥ i minimální zpoºd¥ní p°enosu, bylo nutné vyvinout nový standard rychlé datové mobilní komunikace. Nové mobilní sít¥ by se pak zcela orientovaly na datový p°enos. Tím zapo£aly práce na novém typu mobilní sít¥ známé pod ozna£ením LTE (Long Term Evolution ), které byly poprvé uve°ejn¥ny v doporu£ení 3GPP Release 8 v kv¥tnu roku 2008. Detailn¥j²í informace o celkovém konceptu LTE lze nalézt v literatu°e [14] a [16]. S ukon£ením £innosti a nální standardizaci nového typu mobilní sít¥ LTE skupinou 3GPP, specikované v doporu£eních série Release 8 a s roz²í°eními popsanými v doporu£eních Release 9 se za£alo uvaºovat o vylep²ení jejich vlastností. Proto byla zahájena práce na nové koncepci mobilní sít¥ postavené na existující technologii LTE, která by citeln¥ vylep²ila její kvality a vlastnosti. Tím umoºnila aby se stala dominantním globálním standardem pro mobilní komunikaci. Základem pro práce na novém projektu mobilní sít¥ se stalo doporu£ení mezinárodní telekomunika£ní unie (ITUR) nazvané IMT-Advanced (International

Mobile Telecommunications-Advanced ), která v roce 2008 denovala základní vlastnosti IMTAdvance [11].

4

KAPITOLA 2. KONCEPCE RADIOVÉ VRSTVY LTE, LTE-A

5

Mezi tyto vlastnosti mimo jiné pat°í:

• Vysoká kvalita mobilních sluºeb • Maximální p°enosové rychlosti dosahující aº 1 Gbit/s • Schopnost celosv¥tového roamingu • Schopnost spolupracovat s ostatními radiovými p°ístupovými systémy • Kompatibilita sluºeb s pevnými sít¥mi Na základ¥ vý²e uvedených návrh· zapo£ala 3GPP TSG RAN (Technical Specication Group

Radio Access Network ) práce na novém standardu mobilní sít¥, která by tyto poºadavky spl¬ovala. Tyto návrhy posléze vyústily ve vypracování nového standardu mobilní sít¥ známé jako LTEAdvanced, která byla popsána v doporu£eních série Release 101 .

2.1

Architektura radiové sít¥ LTEA

Radiová £ást sít¥ LTEA ozna£ována jako EUTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio

Access Network ) se ve své podstat¥ tém¥° neli²í od své p°edch·dkyn¥ specikované pro LTE (Release 8). Jediným podstatn¥j²ím rozdílem je zahrnutí femtobun¥k a Relay Node (podrobn¥ji viz kapitola 2.3.3 a 2.3.4). Celková koncepce radiové sít¥ je znázorn¥na na obrázku 2.1. Detailní popis lze nalézt ve specikaci [3]. EUTRAN primárn¥ zodpov¥dná za radiový p°enos mezi koncovými za°ízeními UE (User Equipment) a jádrem sít¥ zvaném EPC (Evolved Packet Core ). Tato p°ístupová sí´ je sloºena z velkého po£tu primárních základnových stanic eNodeB (eNB) a nízkovýkonových základnových stanic piko eNodeB (PeNB) tvo°ící páte° této radiové sít¥. K zaji²t¥ní vysoké p°enosové kapacity dat je nejrozumn¥j²í cesta redukování velikosti (tedy dosahu) bun¥k. Proto byly do tohoto konceptu krom¥ makrobun¥k a pikobun¥k, v£len¥ny i domácí základnové stanice zvané femtobu¬ky (HeNB Home eNodeB) a opakova£e ozna£ované jako RN(Relay Node ). Základní úlohou radiové sít¥ je správa radiových zdroj· a jejich dynamické p°id¥lování jednotlivým UE. Zaji²úje zabezpe£ené spojení a provádí kryptování ve²keré komunikace. Provádí nezbytná m¥°ení, která slouºí k ur£ení polohy UE. Dal²í podstatnou vlastností je i komprese záhlaví datových paket·, která slouºí k efektivnímu vyuºití radiových zdroj· a to zejména pro malé pakety RTP (Real-time Transport Protocol ) pouºívané u VoIP(Voice over

Internet Protocol ). 1

Proto se dnes také n¥kdy ozna£uje jako LTE Release 10.


6

Spolu sousedící základnové stanice jsou mezi sebou propojeny pomocí rozhraní X2, které je v p°ípad¥ pot°eby ur£eno pro vým¥nu signaliza£ních informací. Po tomto rozhraní se typicky p°ená²í informace o kapacitním zatíºení, interferen£ních mechanismech nebo handover (jiº od specikace Release 8 je denováno, ºe o hadnover si mohou rozhodovat eNodeB). Tedy je ur£eno pro správu a p°id¥lování dostupných radiových prost°edk· RRM (Radio Resource Management), jako je nap°íklad ICIC (Inter-cell Interference Coordination) a eICIC (enhanced-ICIC). Pokud mezi dv¥ma základnovými stanicemi není spojení X2, nebo má daná eNodeB pevn¥ denován handover p°es rozhraní S1 je handover proveden p°es toto rozhraní. Samotné rozhraní S1 slouºí pro datovou a signaliza£ní komunikaci mezi eNodeB (p°ípadn¥ HeNB Gateway) s EPC. Je zaloºena na úplné podpo°e STCP/IP protokol·. [14] MME / S-GW

MME / S-GW

EPC Donor eNodeB

Home eNB Gateway S11

S1

S1

S1

S1 S1

S11

S1

S1 Pico eNB

Pico eNB

S1 X2

S1

LTE - Uu Home eNB X2

Home eNB

LTE - Uu

X2

Un

S1

E-UTRAN

X2 Relay Node

X2

eNodeB

LTE - Uu LTE - Uu

Obrázek 2.1: Schéma radiové sít¥ E-UTRAN LTE (Release 10) [3] S EPC jsou vysíla£e eNodeB spojeny pomocí rozhraní S1, které je zaloºeno na úplné podpo°e p°enosu IP protokol·. Nezávisí tak jiº na signalizaci SS7 (Signalling System No.

7 ) který je vyuºíván v sítích GSM a UMTS. S1 je rozd¥lena do dvou logických celk·, User plane a Control plane. User plane (eNodeB S-GW) je pro p°enos uºivatelských dat pomocí GTP/UDP IP. S jeho pomocí jsou datové toky z SGW sm¥rovány na p°íslu²nou IP adresu eNodeB a stejn¥ tak na opak. Provozovatel sít¥ m·ºe také regulovat zatíºení sít¥ a optimalizaci datových tok· pomocí síóvého O&M (Operation and Maintenance ) které umoº¬uje °ídit a p°id¥lovat QoS (Quality of service ) pro r·zné datové toky aº k UE. Control plane (eNodeB MME) p°ená²í protokoly STCP/IP zodpov¥dné za kontrolní, °ídící a signaliza£ní zprávy pro radiovou £ást sít¥.


7

Rádiové rozhraní mezi základnovou stanicí a UE, které je p°edm¥tem zkoumání v na²í práci, se ozna£uje jako LTEUu . Inovativním prvkem architektury sít¥ (v·£i LTE Release 8) je jednak za°azení Relay

Node, které jsou p°es rozhraní X2 a S1 p°ipojena ke základnové stanici. Takováto eNB, která propojuje RN s EPC se obecn¥ ozna£uje jako Donor eNodeB 2 . Druhým prvkem jsou HeNB, neboli femtobu¬ky, které sice nebyly v LTE Release 8 specikovány, ale pouºívaly se. Bliº²í popis jednotlivých typ· vysíla£· je komentován v kapitole 2.3.

2.2

Vlastnosti LTE-A

Vlastnosti a poºadavky LTEAdvanced vycházejí z doporu£ení ITU ozna£ované jako IMT Advanced. Ty byly specikovány v souhrnném doporu£ení 3GPP Release 10. Základní komponenty tohoto doporu£ení, které roz²i°uje stávající mobilní systém LTE Release 8 (dopln¥ný o dal²í funkcionality denované v Release 9), lze shrnout do následujících bod· [14]:

• Zv¥t²ení ²í°ky pásma a sdílení spektra • Roz²í°ení anténního komunika£ního systému • P°idruºení opakova£· do radiové sít¥ • Heterogenní rozloºení sít¥ • eICIC • Roz²í°ení vlastností koncových terminál· Dal²í z klí£ových poºadavk·, který je t°eba zmínit, je zp¥tná kompatibilita UE s LTE sít¥mi a naopak. Koncová uºivatelská za°ízení, která byla primárn¥ ur£ena pro LTE musí být pln¥ kompatibilní s LTEA. Ov²em s tím rozdílem, ºe nemohou pln¥ vyuºívat v²ech výhod nov¥ specikovaných pro LTEA, nap°íklad sdruºování radiových kanál· (Carrier Aggregation ).

Zv¥t²ení ²í°ky pásma a sdílení spektra Jedná se o jeden z klí£ových prvk·, který vede k dosaºení poºadovaných p°enosových rychlostí a kapacity sít¥, podle cíl· specikovaných 3GPP je zv¥t²ení ²í°ky pásma. V porovnání s LTE aº p¥tinásobn¥, z 20 MHz na 100 MHz (p°i zachování spektrální kompatibility). Toho m·ºe být dosaºeno pomocí takzvaného sdruºování radiových kanál· Carrier Aggregation. To probíhá tak, ºe sdruºujeme minimáln¥ dva z p¥ti kanál· o variabilní ²í°ce pásma (od 1.4 MHz 2

Jedná se pouze o ozna£ení, funkcionality eNodeB a Donor eNodeB jsou stejné.


8

do 20 MHz dle LTE Release 8). Díky tomu, m·ºeme exibiln¥ vyuºít nespojité kmito£tové p°íd¥ly, aº do celkové ²í°ky pásma 100 MHz. Takovéto rozvrºení je nezávislé pro libovolné radiové kanály a to jak ve vysílacím, tak v p°ijímacím sm¥ru. Vyuºití maximální ²í°ky pásma p°i Carrier Aggregation je problematické, protoºe ne vºdy bude k dispozici pot°ebná ²í°ka pásma, tedy spojité spektrum. Ov²em LTEA proto umoº¬uje pro agregaci nespojitých £ástí nosných kmito£t·, které jsou ve spektru odd¥leny. Jedná se o takzvanou Spectrum Aggregation. A to pouze v p°ípad¥, kdy není k dispozici spojité spektrum, coº je ov²em velmi obtíºné na hardwarovou implementaci. Proto je v aktuální specikaci Release 10 spectrum aggregation omezeno nap°í£ kmito£tovými pásmy. Navíc u n¥kterých koncových terminál· je omezena pouze v rámci daného kmito£tového pásma [15]. D·vody pro£ vyuºívat sdruºování radiových kanál· u LTEA, lze shrnout do t°í bod·:

• Zv¥t²ení ²í°ky pásma aº na 100 MHz sdruºováním radiových kanál· z LTE Release 8 • Efektivní vyuºití fragmentovaných £astí frekven£ního spektra • Podpora heterogenních sítí p°i potla£ování interferencí mezi jednotlivými vrstvami sít¥ (odd¥lení interferujících kanál·)

Roz²í°ení anténního systému MIMO Dal²í d·leºitý prvek, který umoº¬uje dosáhnout poºadovaných p°enosových kapacit je technologie pouºití více antén ozna£ovaná jako MIMO (multiple-input and multiple-output,). Díky tomuto prostorovému multiplexu a beamformingu, který byl zásadn¥ roz²í°en v Release 9, umoº¬uje LTEA vyuºívat aº osm anténních port· v osmi odpovídajících vrstvách. Tato vylep²ení radiové £ásti spole£n¥ s podporou pro carrier aggregation umoº¬ují dosáhnout teoretické maximální p°enosové rychlosti v downlinku aº 3 Gb/s (30 bit/sec/Hz). Ve sm¥ru uplinku se pak po£ítá s maximáln¥ 4 anténními porty, které pak umoºní dosáhnout maximální teoretické p°enosové kapacity aº 1.5 Gb/s (15 bit/sec/Hz). Maximální p°enosová rychlost bude krom¥ jiného záviset na zvoleném kódovém schématu a beamformingu, který bude vºdy °ízen z eNodeB, pomocí CSI (Channel State Inform ) které mu bude p°edáváno z UE. Ve skute£nosti nelze po£ítat s vyuºitím v²ech osmi p°enosových vrstev. D·vodem je, ºe tyto výhody se míjejí ú£inkem pro UE, které mají vysokou hodnotu SINR, tedy se nacházejí v blízkosti vysíla£e. Rozhodn¥ d·leºit¥j²í neº po£et p°enosových vrstev je bezesporu zaji²t¥ní vy²²ích p°enosových rychlostí pro v²echny uºivatele v dané oblasti vysíla£e. Pro zaji²t¥ní dostate£n¥ vysokého SINR je t°eba vyuºít i n¥kolik nástroj·, které budou diskutovány v této práci.


9

Detailn¥ se této problematice MIMO a jejím simulacím v¥nuje [17].

Roz²í°ení vlastností koncových terminál· Jelikoº síti LTE bude docházet k v¥t²ímu mnoºství interferen£ních scéná°·, které ovlivní celkovou p°enosovou kapacitu eNodeB i maximální p°enosovou rychlost i UE, jsou jednotlivá koncová ú£astnická za°ízení rozd¥lena do n¥kolika kategorií 2.1. Dal²ím podstatným parametrem který o tomto rozd¥lení bude rozhodovat je cena. UE spadající do vy²²ích kategorií budou nan£n¥ nákladn¥j²í, ale budou dosahovat v¥t²ích p°enosových rychlostí. Za°ízení primárn¥ ur£ená pro LTE nebo LTEA budou v sítích vzájemn¥ kompatibilní, ale UE pro LTE Release 8 nebudou moci vyuºívat n¥kterých výhod pro LTEA Release 10 popsaných vý²e. V doporu£ení Release 10 p°ibyly t°i nové kategorie po UE, jejichº rozd¥lení je v tabulce 2.1 [16].

Kategorie

1

Release 8/9/10 2 3 4

5

Pouze Release 10 6 7 8

Max. Downlink (Mb/s)

10.3

51.0

102.0

150.1

299.6

301.5

301.5

299.9

Max. Uplink (Mb/s)

5.2

25.5

51.00

51.0

75.4

51.0

102.0

149.8

1

2

2

2

4

2/4

2/4

8

Po£et antén pro Downlink Max. modula£ní schéma

64QAM

64QAM

pro Downlink Max. modula£ní schéma

16QAM

64QAM

16QAM

64QAM

pro Uplink

Tabulka 2.1: Srovnání kategorií UE dle 3GPP TS 36.306 Dal²í klí£ové vlastnosti sít¥ LTEA jako je koncepce heterogenní sít¥ a zp·soby potla£ení mezibu¬kových interferencí ICIC, jsou blíºe popsány v kapitolách 2.3 a 3

2.3

Heterogenní sít¥

Jak bylo uvedeno vý²e, jedna ze zásadních inovací LTE-A je podpora nové koncepce mobilních sítí ozna£ované jako Heterogenní sít¥ (Heterogeneous network ) zkrácen¥ ozna£ované jako HetNet. Jedná se o mix makrobun¥k, pikobun¥k, femtobun¥k a RN, který poskytuje uºivatel·m lep²í kvalitu i pokrytí signálem. Také jim p°iná²í v¥t²í p°enosovou kapacitu, která je umoºn¥na p°edev²ím redukcí vzdálenosti mezi základnovou stanicí a mobilním za°ízením a efektivním vyuºití p°enosového spektra. Piko a femtobu¬ky, pokrývající men²í plochy umoº¬ují generovat velké p°enosové rychlosti pro malý po£et uºivatel·. Nejedná se tedy o klasickou bu¬kovou koncepci s denovanými velikostmi bun¥k (na základ¥ typu vysíla£e), ale o jakési


10

více vrstv¥ rozloºení mobilní sít¥. Jednotlivé vrstvy mají svou prioritní úlohu v rámci celku pro který jsou ur£eny. Heterogenní sí´ si m·ºeme rozd¥lili do n¥kolika vrstev, ty jsou popsány na obrázku 2.3.

Pico eNodeB eNodeB Macro UE Pico eNodeB Pico UE

Pico eNodeB

Macro UE

Macro UE

Pico UE

Home eNodeB HeNB UE Macro UE

Obrázek 2.2: Vrstvení heterogenní sít¥ v systému LTE-A

Základní vrstvou jsou klasické makrobu¬ky (eNodeB) pokrývající ur£itou oblast mobilním signálem. Do ní je v£len¥na vrstva pikobun¥k (Pico eNodeB), která obsluhuje men²í oblasti s men²ím po£tem uºivatel·, kte°í ov²em mohou disponovat lep²í p°enosovou rychlostí dat. T°etí vrstvou jsou femtobu¬ky (Home eNodeB), které jsou ur£eny pro domácí a kancelá°ské pouºití a mohou dosahovat nejv¥t²ích p°enosových rychlostí pro malý po£et UE. Nezanedbatelnou výhodou je i skute£nost, ºe piko a femtovrstva odleh£uje zatíºení hlavní makro vrstvy a tím zlep²uje dostupnost a p°enosovou rychlost ostatním uºivatel·m p°ipojeným k makro vrstv¥. 2.3.1

Vlastnosti a výhody HetNet

Základním d·vodem, pro£ byla p°ijata koncepce heterogenních sítí je p°edev²ím v nár·stu p°enosové kapacity sít¥, která se v dne²ní dob¥ blíºí svým limit·m. Limitujícím faktorem v této oblasti je p°edev²ím omezená moºnost vyuºívání frekven£ního spektra. Kapacitu mobilní sít¥ je moºné zv¥t²ovat p°idáváním mnoºství základnových stanic, coº je ov²em velmi neefektivní a z hlediska vzniku interferencí i nereálné. Jedinou smysluplnou moºností je "zahu²óvání"mobilní sít¥ nízkovýkonovými základovými stanicemi Pico eNodeB,Relay Node a Home eNode, které mají men²í vysílací výkony neº eNodeB. Tím m·ºeme dostát poºadavk· 3GGP Release 10 které hovo°í o maximálních teoretických p°enosových rychlostech aº 1 Gb/s pro downlink a aº 500 Mb/s pro uplink.


11

Z princip· a vlastností mobilních sítí plyne, ºe nejv¥t²ího zvý²ení p°enosové rychlosti dosáhneme zmen²ením velikosti bu¬ky. Tím budeme mít na men²í plo²e mén¥ uºivatel·, kte°í budou vyuºívat celou ²í°ku pásma jako v p·vodní makrobu¬ce 3 . Zvý²ením po£tu bun¥k dosáhneme zvý²ení p°enosové kapacity na danou oblast. Makrobu¬ky budou v aglomeracích s velkou hustotou obyvatel obsluhovat men²í plochy (°ádov¥ stovky metr·). Tím budou zaji²óvat základní pokrytí signálem. Pokud bude pot°eba zajistit rychlé datové p°enosy pro více uºivatel· bude do této primární vrstvy v£len¥na dal²í vrstva pikobun¥k a opakova£· s men²ím dosahem, které budou vylep²ovat kvalitu a maximální obsluºnost sít¥ s vysokou datovou propustností. Dominantní nevýhody heterogenní koncepce mobilní sít¥ leºí ve dvou rovinách. První se týká zaji²t¥ní dostate£né kapacity páte°ní sít¥, abychom mohli zajistit dostate£ný datový tok pro velké mnoºství nízkovýkonových základnových stanic i klasických eNodeB. Tyto páte°ní sít¥ budou realizovány vesm¥s optickými p°ípojkami, které jsou sami o sob¥ velmi nákladné. Druhým problémem je pak vznik r·zných interferen£ních scéná°· nejen mezi vysíla£i v dané vrstv¥ heterogenní sít¥ ale i mezi vrstvami navzájem [13]. O této problematice pojednává kapitola 3. 2.3.2

Makro vrstva

Jedná se o klasické makrobu¬ky (eNodeB, eNB)s dosahem maximáln¥ n¥kolika kilometr· ve venkovských oblastech. V m¥stských aglomeracích pak maximáln¥ 7001000 metr·. Budou tedy pokrývat oblasti s velkým mnoºstvím uºivatel· a garantovat minimální p°enosovou rychlost a maximální akceptovatelné zpoºd¥ní signálu. Primární úlohou makro vrstvy je tedy garantování minimální moºné kvality a pokrytí signálu bez ohledu na p°enosové rychlosti pro v²echny p°ipojené UE v dané oblasti. Kaºdá eNodeB je rozd¥lena na t°i sektory (site ), kdy kaºdý ze sektor· má vlastní anténu vyza°ující v daném sm¥ru (pravidlem je zhruba po 120 stupních). 2.3.3

Piko/Femto vrstva

Tato vrstva se skládá z dvou typ· vysíla£· pikobu¬ky a femtobu¬ky, jejichº úkolem je p°edev²ím dodávat koncovým uºivatel·m vysoké p°enosové rychlosti s nízkým zpoºd¥ním4 . V tomto p°ípad¥ je d·leºité zmínit skute£nost, ºe zatímco PeNB jsou plánovány a budovány

Nej£ast¥ji se v praxi pouºívá ²í°ka pásma 10 MHz. Pokud v této práci hovo°íme o makrobu¬kách, pikobu¬kách nebo femtobu¬kách máme na mysli jednotlivé typy vysíla£· eNodeB nebo Home eNodeB (terminologie dle 3GPP) nikoli bu¬kovou koncepci jako takovou. 3 4


12

operátorem, tak naopak rozmíst¥ní a plánování HeNB rozhodují sami uºivatelé, ale s ur£itými omezeními.

Pikobu¬ky (Pico

eNodeB, PeNB

)

Jedná se vesm¥s o podobné základnové stanice jako jako makrobu¬ky ov²em s men²ím vysílacím výkonem a schopností obsluhovat men²í po£et UE. Nejedná se ov²em o klasické t°í-sektorové vysíla£e. Jsou osazeny v²esm¥rovými nebo sm¥rovými anténami. Jsou primárn¥ vyuºívány k pokrývání t¥ch oblastí, kde se vyskytuje v¥t²í po£et uºivatel·, kte°í vyºadují vysoko p°enosové rychlosti. Také se umisújí tam, kde je zapot°ebí vykrývat prostory kam nedosahuje signál z makrobu¬ek. Typickým vyuºitím je pokrývání ulic, míst s vysokou koncentrací UE (stanice, nám¥stí , sportovní haly a podobn¥).

Femtobu¬ky (Home

eNodeB, HeNB

)

Jedná se v podstat¥ o malý p°ístupový bod. Malou domácí základnovou stanici, která pracuje v licencovaném spektru s vysílacím výkonem men²ím neº piko eNodeB. Jejím prost°ednictvím se mohou p°ipojit standardní uºivatelská za°ízení do mobilní sít¥ operátora. Její primární ur£ení je pro domácnosti a kancelá°e, kde se uºivatelé mobilního internetu vyskytují nej£ast¥ji a vyºadují vysoké p°enosové rychlosti a multimediální p°ístup. N¥které studie ukazují, ºe femtobu¬ky mohou obslouºit aº 50 % hovor· a aº 70% datových p°enos· uvnit° budov [13]. Zpravidla je schopna obsluhovat 3 aº 5 UE. 3GPP a ETSI pro n¥ uºívá souhrnné ozna£ení HeNB (Home evolved NodeB ). Tento p°ístupový bod je do sít¥ mobilního operátora p°ipojen pomocí internetového p°ipojení majitele HeNB. Uºivatel femtobun¥k tedy p°istupuje do sít¥ operátora pomocí vlastního internetového p°ipojení, realizovaného nap°íklad pomocí xDSL, bezdrátové technologie (WiFi ). To p°iná²í tu výhodu ºe nezat¥ºuje operátorovu radiovou sí´, p°ebírá z ní uºivatele které p°ipojuje do sít¥ operátora p°es HeNB Gateway vlastním internetovým p°ipojením. Jejich koncepce je 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. Její kongurace a p°ipojení do sít¥ je kompletn¥ v rukou mobilního operátora, který ji na dálku spravuje a zákazník (majitel femtobu¬ky) do tohoto procesu nem·ºe zasahovat. M·ºe pouze denovat telefonní £ísla a p°ístupovou metodu, pomocí které se bude do femtobu¬ky p°istupovat [12]. Femtobu¬ky mohou pracovat ve dvou reºimech. Prvním je takzvaný otev°ený, OSG (Open

Subscribe Group ) reºim, který umoº¬uje jakémukoli UE p°istupovat k HeNB, jeli v jeho dosahu. Tento typ nezp·sobuje váºné interferen£ní problémy. Druhým typem je CSG (Close

Subscribe Group ) reºim. P°i tomto typu p°ístupu je HeNB dostupná jen t¥m UE, které mají oprávn¥ní k ní p°istupovat. Pro v²echny ostatní uºivatele v jejím okolí se jeví jako silný


13

interferen£ní zdroj, který zap°í£i¬uje vznik takzvaných mrtvých zón5 . 2.3.4

Opakova£e

Opakova£e (Relay Node ), ozna£ované RN, je souhrnné ozna£ení pro p°ístupové body pro p°enos dat mezi makro sítí a uºivateli. Jsou umisóvané tam, kde je pot°eba posílit kvalitu mobilního signálu nebo vykrýt "mrtvé oblasti"v existující síti (okraje bun¥k, údolí, tunely). Jejich výhodou je to, ºe jsou levn¥j²í neº konstrukce klasických vysíla£·, i kdyº jsou oproti nim n¥které jejich vlastnosti redukovány. Rozdíl mezi RN a eNodeB spo£ívá v tom, ºe RN nemá pevný backhaul (spojení mezi základnovou stanicí a EPC). Spojení se sítí je realizováno stejným radiovým rozhraním podobn¥ jako u UE, tedy pouºívá stejné kmito£tu pro Downlink/Uplink. Komunika£ní protokoly jejího radiového rozhraní (S1, X1) je stejné jako pro eNB, viz. obrázek 2.1. 2.3.5

Základní parametry vysíla£·

Kaºdý z vysíla£· v Heterogenních sítích má svoje specické parametry a vlastnosti, které jsou sumarizovány v tabulce 2.2. Kaºdý vysíla£ bude osazen r·zným typem antén. Zatímco eNodeB bude vºdy vyuºívat t°í sektorové antény, tak opakova£e a pikobu¬ky budou vyuºívat jak sektorové tak v²esm¥rové antény. U femtobun¥k, kde se po£ítá s malými výkony a omezeným dosahem budou vyuºívány zejména v²esm¥rové antény. Detailn¥j²í parametry základnových stanic, opakova£· a femtobun¥k lze dohledat v [2] a [13].

Parametr

eNodeB

Relay Node

Piko eNodeB

Home eNodeB

Instalace

Operátorem

Operátorem

Operátorem

Uºivatelem doma

P°ipojení do sít¥

Rozhraní S1

Radio

Rozhraní X2

ADSL, WiFi

Náklady na realizaci

Drahé

Nízké

Nízké

Velmi nízké

Plánování

Operátor

Operátor

Operátor

Uºivatel

Kapacita uºivatel·

100300

N/A

1050

35

Pokrytí signálem

3502000 m

300 m

< 100 m

3050 m

Vysílací výkon

540 W

2502000 mW

2502000 mW

< 31199 mW

Tabulka 2.2: Porovnání jednotlivých vysíla£· v EUTRAN dle doporu£ení 3GPP TS 36.300

Mrtvou zónou (oblastí) se rozumí takové místo v kde není dosaºitelný mobilní signál, a´ uº s hlediska sí°ení signál· nebo s hlediska interferencí zp·sobených jinými prvky sít¥. 5


2.4

14

Fyzická vrstva LTE

Fyzickou vrstvu, která je v na²í práci p°edm¥tem zkoumání, si zde p°edstavíme v jejím obecném provedení ve sm¥ru k uºivateli (Downlink ). Fyzická vrstva LTE je zkonstruována pro pouºití ortogonálního frekven£ního multiplexu OFDM, který je pouºíván z toho d·vodu, ºe je velmi odolný proti frekven£n¥ selektivním kanál·m. Dal²í p°edností je vyuºívání adaptivní modulace, kódování a HARQ (Hybrid Au-

tomated Repeat Request ). Pouºívaná modula£ní schémata jsou QPSK, 16QAM a 64QAM. Fyzická vrstva také vyuºívá vícenásobné vysílací a p°ijímací anténní schéma MIMO a to teoreticky aº ve formátu 8x86 . Vý²e uvedené vlastnosti tvo°í základní stavební prvky fyzické vrstvy LTE a umoº¬ují dosáhnout ²pi£kových p°enosových rychlostí. Radiová vrstva LTE je denována v kmito£tové a £asové domén¥. Na nejvy²²í úrovni se v £asové domén¥ skládá z jednotlivých rámc· (Tf = 10ms), které jsou rozd¥leny na deset subrámc· (Ts = 1ms). Subrámce se následn¥ d¥lí na 2 sloty (Tl = 0.5ms). Jednotlivé sloty se skládají ze sedmi OFDM symbol· s normálním cyklickým prexem (CP), nebo ²est s roz²í°eným CP. V kmito£tové domén¥ se jednotlivé bloky rozd¥lují na 12 subnosných s odstupem 15 kHz. Základním uvaºovaným prvkem fyzické vrstvy pro p°enos dat (a pro na²e simulace) je blok 12 subnosných za dobu trvání jednoho slotu, ozna£ovaný jako zdrojový blok (Resource Block RB ). Ten je tedy denován za dobu trvání 0.5 ms v ²í°ce pásma 180 kHz. Tyto RB se dále d¥lí na takzvané zdrojové elementy (Resource Element RE ) denované na jedné subnosné v délce trvání jednoho OFDM symbolu. Kaºdý RE obsahuje ur£itý po£et bit· v závislosti na robustnosti kódování a modulace [14]. Princip mapování RE do fyzické vrstvy je nastín¥n na obrázku 2.4, kde uvaºujeme vyuºívání dvou anténních port· v systému MIMO. V p°ípad¥ vyuºívání MIMO 4 × 4 bychom pouºili pro RS i rezervované prostory v kaºdém subrámci. RE jsou základními nosi£i uºivatelských a °ídících informací pro vy²²í vrstvy. Jsou rozd¥leny do n¥kolika díl£ích p°enosových kanál·:

• PDSCH (Physical

Downlink Shared Channel

) p°ená²í uºivatelská data. Vyu-

ºívá modula£ní schémata QPSK, 16QAM a 64QAM. eNodeB alokuje po£et PDSCH na základ¥ stavu a kvality kanálu, který je denován na základ¥ CQI indikátoru (Channel

Quality indicator ) z UE. • PDCCH (Physical

Downlink Control Channel

) p°ená²í °ídící informace pro

UE a alokuje datové zdroje. Jeho velikost je variabilní a v subrámci m·ºe zabírat 1 aº 6

Ov²em prakticky vyuºivatelné se plánuje maximáln¥ 4x4.


15

3 RE na jedné subnosné, v závislosti na indikaci PCFICH (Physical Control Format

indicator Channel ). Pouºívá modula£ní kódové schéma QPSK. • RS (Reference

Symbol

) Referen£ní signály se skládají z jednotlivých referen£ních

symbol·, které se vysílají zvlá²´ pro kaºdou anténu systému MIMO. Zjednodu²en¥ °e£eno, RS poskytují UE informaci o síle signálu a ur£ují referen£ní fázi pro demodulaci. Také jsou vyuºívány UE ke generování CSI. RS ne°íká nic o kvalit¥ signálu. Jsou vysílány s maximálním výkonem a modulovány QPSK.

RE

Subnosná (15 kHz)

Kmitočtová doména Slot

Časová doména RS pro Anténní port 1 RS pro Anténní port 2

PDCCH PDSCH Prostor rezervovaný pro RS Anténních portů 3 a 4

Obrázek 2.3: Struktura subrámce fyzické vrstvy LTE Dále fyzická vrstva obsahuje dal²í signaliza£ní a °ídící kanály (MBSFN, PCFICH, PHICH a PBCH), které zde explicitn¥ neuvádíme7 . Krom¥ vý²e uvedených kanál· se v kaºdém rámci LTE vysílají Primární (PSS) a Sekundární (SSS) synchroniza£ní symboly a PBCH (Physical Broadcast Channel ), které informují UE o £asových a kmito£tových parametrech fyzické vrstvy nezbytných pro úsp¥²nou demodulaci. Namapování synchroniza£ních RE je rozdílné v závislosti na TDD a FDD p°ístupu a není zde explicitn¥ uvedeno. Detailní parametry fyzické vrstvy LTE a zp·sobu jejího m¥°ení lze dohledat v [22].

Detailní p°ehled kanál· fyzické vrstvy 3GPP LTE Release 8 pro downlink lze nalézt velmi p°ehledn¥ zpracované v http://paul.wad.homepage.dk/LTE/lte_resource_grid.html 7

Kapitola 3

Koordinace mezibu¬kových interferencí ICIC a eICIC Jiº na po£átku vývoje koncepce LTE se po£ítalo s pouºitím spole£ných nosných kmito£t· pro v²echny vysíla£e. Tedy kaºdá eNodeB bude pouºívat ty samé frekven£ní kanály. Jelikoº tedy bude postrádat frekven£ní plánování, bude docházet k interferencím na nosných kmito£tech zp·sobovaných okolními eNodeB (také ozna£ované jako efekt hlu£ného souseda - loud neighbor eect ). Pokud budou mít dva navzájem nezávislí uºivatelé na okraji sousedních bun¥k p°id¥lené stejné radiové zdroje (stejné subrámce ve stejném pásmu na stejných kmito£tech, ov²em od r·zných eNodeB), vzniknou u nich zna£né interference. Ty budou zp·sobené zejména slab²ím signálem z obsluhující eNodeB a interferencemi z okolních eNodeB. Kanál pro p°enos uºivatelských dat (PDSCH) se dokáºe velkými interferencemi vyrovnat robustn¥j²ím kódováním a modulací za cenu sníºení p°enosové kapacity. Problém je p°edev²ím u °ídících kanál· (PDCCH a PBCH), které by p°i malém výpadku z d·vodu ru²ení znamenaly rozpad celého spoje. Ru²ení z vlastní sít¥ závisí na geograckém rozloºení vysíla£· a vzájemné nerovnováze vysílacích výkon· makrobun¥k a nízko výkonových vysíla£·. 3GPP ve své specikaci LTE v¥novala velké úsilí popisu chování a odstran¥ní takovýchto mezibu¬kových interferencí v heterogeních sítích. Proto navrhla metodu pro jejich potla£ení ozna£ovanou jako koordinace mezibu¬kových interferencí - ICIC (Inter-Cell Interference Coordination ). Tato koordinace interferencí byla pozd¥ji se schválením specikace LTE-A roz²í°ena o nové vlastnosti a je ozna£ována jako eICIC (enhanced-ICIC ) [20].

16

KAPITOLA 3. KOORDINACE MEZIBUKOVÝCH INTERFERENCÍ ICIC A EICIC 17

3.1

3GPP LTE Release 8 ICIC

Koordinace mezibu¬kových interferencí byla poprvé uvedena v doporu£eních 3GPP Release 8. Byla zavedena z d·vodu °e²ení problému mezibu¬kových interferencí na okraji bun¥k. V na²em p°ípad¥, kdy uvaºujeme o p°enosu ve sm¥ru od eNodeB k UE je tedy pot°eba zajistit, aby ru²ivé signály od okolních vysíla£· byly potla£eny. Navrºené °e²ení je takové, ºe budeme sniºovat vysílací výkony na t¥ch subrámc· ve frekven£ní a £asové domén¥, které jsou vysílány do blízkosti eNodeB. Tyto subrámce nejsou zásadním zp·sobem ovlivn¥ny ru²ením od t¥ch samých subrámc·, které jsou pouºívány v sousedních eNodeB. Naopak ty subrámce, které v okolních bu¬kách nejsou ovlivn¥ny interferencemi jsou vysílány plným výkonem. Tím docílíme eliminace interferencí, ov²em za cenu sníºení p°enosové kapacity pro UE. Toto °e²ení je demonstrováno na obrázku 3.1 [21]. P°edpokladem popsaného °e²ení je, aby se v²echny okolní eNodeB pouºívaly odli²né subrámce s plným vysílacím výkonem. U v²ech ostatních, které nebudou pro obsluhu uºivatel· na okrajích bun¥k pot°ebné, pak, sníºily vysílací výkon. Subrámce používané uživatelem A

Frekvenční doména

Subrámce používané uživatelem B

eNodeB 2

Frekvenční doména

Časová doména

Časová doména UE B

eNodeB 1

UE A Vnější okraje buněk, kde může docházet k silným interferencím od okolních eNodeB

Obrázek 3.1: Princip koordinace radiových zdroj· pro potla£ení mezibu¬kové interference

3.2

3GPP LTE Release 10 eICIC

V 3GPP LTE Release 10 ozna£ované jako LTEA byla uvedena nová koncepce heterogeních sítí, diskutovaná v kapitole 2.3. P°i£len¥ním vrstvy pikobun¥k a femtobun¥k do stávající

KAPITOLA 3. KOORDINACE MEZIBUKOVÝCH INTERFERENCÍ ICIC A EICIC 18 mobilní sít¥ vznikl problém s interferencemi, které ne²li pomocí ICIC odstranit. To proto ºe PeNB a HeNB se nacházely uvnit° makrobu¬ky. Vznikly tak dva st¥ºejní scéná°e ru²ení mezi jednotlivými vrstvami sít¥ [20]: 1. Mezikanálové interference makrofemto vrstvy: V tomto p°ípad¥ nastává problém s kvalitou signálu pro, UE které jsou obsluhovány z eNB a dostávají se do blízkosti CSG-HeNB. V takovém p°ípad¥ trpí zna£nou degradací kvality p°enosu PDCCH v d·sledku interferencí zp·sobených femtobu¬kou (pokud k ní nemohou p°istupovat). Problém m·ºeme °e²it tím, ºe v p°ípad¥ silného ru²ení ze strany HeNB sníºíme její vysílací výkon. Tím i poklesnou interference. Dal²í a mnohem p°ínosn¥j²í moºností, je plánování efektivního p°id¥lování radiových zdroj· (RB) tak, aby se UE eNB a UE HeNB vzájemn¥ neovliv¬ovaly. 2. Mezikanálové interference makropiko vrstvy: Ve druhém p°ípad¥ vzr·stají interference pro PeNB UE jako výsledek zvý²ení dosahu pico bu¬ky. To se d¥láme z d·vodu, aby PeNB mohla obslouºit v¥t²í po£et UE a zmírnit zatíºení makro vrstvy sít¥. Tak ov²em vzniká problém s nerovnováhou vysílacích výkon· v downlink sm¥ru. Ve sm¥ru downlinku má eNodeB v¥t²í vysílací výkon neº PeNB. Ov²em ve sm¥ru uplinku je vysílací výkon UE po°ád stejný. Je nutné po£ítat s tím, ºe optimální pokrytí je pro oba sm¥ry rozdílné. Tomuto roz²í°ení °íkáme bias handover, kdy um¥le zvý²íme práh handoveru pro PeNB. Tím si UE vybere p°ipojení k PeNB jejíº RSRP (Reference Sig-

nal Received Power, podrobn¥ji viz. kapitola 4.2.2) je v daném míst¥ o v¥t²í neº RSRP eNodeB. Tato metoda je ozna£ována jako CRE (Cell Range Expansion ). Ke zmírn¥ní dopad· interferencí mezi eNodeB a jednou £í více PeNB se pouºívá n¥kolik rozdílných metod, popsaných v [14]. Jednou z metod eICIC kterou si popí²eme a aplikujeme v na²em simulátoru je metoda koordinovaného vysílání tém¥° prázdných subrámc· v £asové domén¥ ABS (AlmostBlank Subframes )1 . Princip spo£ívá v tom, ºe základnová stanice eNodeB, která zp·sobuje interference (agresor) pomocí rozhraní X2, koordinuje plánování a vysílání radiových subrámc· s tou eNodeB, která je jejími interferencemi dot£ena (ob¥´). Agresor ze svého p°enosového pásma vy£lení ur£itý po£et subrámc·, na kterých nep°ená²í PDSCH ani PDCCH, ale pouze referen£ní symboly. Ob¥´ je v tomto p°ípad¥ informována o vysílání ABS a p°izp·sobí tomu své p°id¥lené radiové zdroje tak, aby ty UE které jou interferencemi od agresora dot£eny, pouºívaly subrámce, které ve stejné domén¥ vysílá agresor prázdné. Tím se zna£n¥ omezí interference ze strany agresora na PDCCH. PDSCH tím m·ºe vyuºívat men²í kódový pom¥r a vy²²í úrovn¥ modulace.

Tem¥° prázdných pro to, ºe prázdné subrámce jsou jen RE vyhraºené pro PDSCH. Jinak rámce obsahují RS a synchonizaci. 1

KAPITOLA 3. KOORDINACE MEZIBUKOVÝCH INTERFERENCÍ ICIC A EICIC 19 Tato situace je znázorn¥na na obrázku 3.2, kdy UE B p°istupuje do sít¥ pomocí PeNB ale díky ABS netrpí dergadací PDSCH od eNB protoºe vyuºívá ty subrámce, které agresor v podob¥ eNB vysílá ve stejné domén¥ jako ABS. Vyjímku tvo°í ty subrámce, které krom¥ PDSCH p°ená²í i synchroniza£ní a °ídící zprávy (PBCH, SSS a PSS). Ty nemohou být pouºity v rámci ABS a nadále tak zp·sobují interference. Subrámec s uživatelskými daty ( PDSCH)

Data + synchonizace ( P-SCH)

ABS (Neobsahuje PDSCH & PDCCH)

Subrámce vhodné pro použití UE B

……. …….

4

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

7

…….

5

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

6

Agresor (eNB)

……. Oběť (PeNB)

eNB PeNB UE B UE A

Obrázek 3.2: Potla£ení mezibu¬kové interference pomocí metody ABS

Kapitola 4

Simulátor radiové sít¥ LTEA V této kapitole popí²eme námi vytvo°ený model radiové sít¥ LTE a výpo£et jeho parametr·, které pouºíváme pro na²e simulace potla£ení mezibu¬kových interferencí v rámci uvaºované heterogenní sít¥. Jedinou moºností jak efektivn¥ potla£it mezibu¬kové interference je zaji²t¥ní aby úrove¬ interferujícího signálu byla malá, nebo pokud moºno v·bec ºádná. Proto 3GPP navrhlo vypracovat metodu, která zajisít aby se po vzájemné domluv¥ základnovych stanic do²lo k "vypnutí"ur£itého po£tu rámc· v celém p°id¥lenám pásmu. V t¥chto mezerách následn¥ nedochází k interfercím. Tato metoda, která potla£í mezibu¬kové interference je ozna£ována jako metoda ABS (Almost blank Subframe ), popsaná v p°edcházející kapitole. V této £ásti práce si blíºe p°edstavíme my²lenku vytvo°ení na²eho simulatoru. V na²í práci se zam¥rujeme na problematiku potla£ení nár·stu mezibu¬kové interference, ke které dochází v p°ípad¥ nekontrolovatelného rozmíst¥ní PeNB a HeNB. Z tohoto d·vodu, jsme si zvolili model sít¥, který tuto problematiku postihuje. V kapitole 4.1 si popí²eme jeho uspo°ádání a jednolivé parametry. Následn¥ vysv¥tlíme postup a metodu výpo£tu odstupu signálu od ²umu a interferencí (SINR), které jsou zp·sobeny ostatními vysíla£i, které interferují mezi jednotlivými vrstvami. Na²e výpo£ty uvaºujeme na fyzické vrstv¥, kterou jsme popsali v kapitole 2.4. Budeme uvaºovat n¥kolik interferen£ních scéná°· pro r·zné vrstvy sít¥.

4.1

Model sít¥

Koordinace mezibu¬kové interference pro mobilní sít¥ LTE (Release 8) a LTEA (Release 10) zahrnuje n¥kolik rozdílných proces· popsaných v kapitole 3. Abychom mohli efektivn¥ nasimulovat a popsat koordinaci interferencí mezi jednotlivými bu¬kami i vrstvami heterogenní sít¥, je pot°eba zvolit vhodné scéná°e. Nejprve uvaºujeme o scéná°i popisujícímu interference mezi makro a piko vrstvou. V tomto p°ípad¥ budeme uvaºovat o t°ech vysíla£ích eNodeB,

20

KAPITOLA 4. SIMULÁTOR RADIOVÉ SÍT LTEA

21

které pokrývají vyty£enou oblast s vysokou uºivatelskou kapacitou a omezenou p°enosovou rychlostí makrovrstva sít¥. Naproti tomu budou na rozhraní dosahu eNodeB umíst¥ny t°i PeNB, které budou obsluhovat men²í oblast pro men²í po£et UE neº makrobu¬ky, ale s mnohem v¥t²í p°enosovou rychlostí pikovrstva sít¥. V této simulaci pro jednoduchost neuvaºujeme o výskytu opakova£· ani femtobun¥k. Schématické uspo°ádání je znázorn¥no na obrázku 4.1. Z n¥ho je patrné, ºe na rozhraní makro i piko vrstvy, které se nachází na stejném míst¥, bude docházet k zna£ným interferen£ním ru²ením, obzvlá²t¥ pro uºivatele nacházejícího se ve stejné vzdálenosti od jednotlivých vysíla£· (Pico UE). V modelu sít¥ náhodn¥ rozmístíme 100 uºivatel· a budeme sledovat, jakým zp·sobem se bude m¥nit jimi p°ijímaný pom¥r uºite£ného signálu od ²umu a interferencí. A to jak pomocí funkce CDF(x), tak i v závislosti na vzdálenosti. A také nás bude zajímat i spektrální efektivita pro jednotlivé UE.

eNodeB 1 PeNB 5 PeNB 1 PeNB 2

Pico UE

PeNB 4

eNodeB 2

PeNB 3 PeNB 6

eNodeB 3 Macro UE

Obrázek 4.1: Model radiové sít¥ E-UTRAN

Problém kvality p°ijímaného signálu naroste, pokud se uºivatel rozhodne pohybovat se po rozhraní makrobun¥k p°ípadn¥ pikobun¥k. Tím jeho degradace signálu dosáhne vrcholu. Protoºe, pokud se dostane na okraj PeNB, bude trp¥t interferencemi z makrosít¥. Zárove¬ nebude mít dostate£n¥ silný signál od pikobu¬ky. Pokud bychom nevyuºili jednu z moºností koordinovaného potla£ení interferencí (ICIC nebo eICIC), pravd¥podobn¥ by se uºivatel ocitl


22

v míst¥ s velmi ²patnou kvalitou signálu, nebo dokonce v mrtvé zón¥. Vý²e uvedené uspo°ádání vysíla£· bylo zvoleno zám¥rn¥, abychom lépe demonstrovali problematiku interferencí na okrajích bun¥k. P°ípadn¥ na jejich rozhraní, zde se totiº interference projevují nejvíce. Bude zajímavé sledovat, jakým zp·sobem se bude chovat UE na rozhraní bun¥k, pokud budeme vyuºívat pouze makrovrstvu nebo p°ípadn¥ pikovrstvu PeNB 1,2 a 3. Pikovrstvu následn¥ posílíme o dal²í t°i PeNB, které umístíme p°ímo na rozhraní makrobun¥k a nebudou tak p°ispívat k interferen£nímu rozhraní. V na²ich simulacích uvaºujeme o vyuºití vrstvy HeNB a to jak v reºimu OSG, tak CSG. Ukáºeme si, jak se bude m¥nit úrove¬ signálu z heterogenní sít¥ uvnit° budov a jak se tyto pom¥ry zm¥ní, budeme-li do budov instalovat HeNB v obou reºimech. Model sít¥ s pouºitím femtobun¥k je znázorn¥n na obrázku 4.2. V tomto p°ípad¥ je model sít¥ na úrovni eNodeB a PeNB stejný jako v p°edcházejícím p°ípad¥. S tím rozdílem, ºe vºdy uvaºujeme pouze o t°ech PeNB. V tomto modelu uvaºujeme celkem ²est p°ízemních budov s rozm¥ry 100x100 metr·. Kaºdá budova je roz£len¥na na dvacet stejn¥ velikých místností a dv¥ chodby. Tento model je blíºe popsán v doporu£ení 3GPP v [1]. V kaºdém objektu se nachází 5 HeNB, ke kterým se bude moci p°ipojit maximáln¥ 20 UE.

eNodeB 1

PeNB 1

PeNB 2 eNodeB 2

PeNB 3

eNodeB 3

Obrázek 4.2: Romíst¥ní budov s HeNB v na²em modelu radiové sít¥ EUTRAN Tento model byl zvolen pro to, abychom jednak podchytili interferen£ní chování uvnit° budov s vyuºitím HeNB v r·zných p°ípadech. N¥které budovy se nacházejí v blízkosti rozhraní makrovrstvy a lze o£ekávat, ºe v nich budou UE mnohem náchyln¥j²í na interference


23

neº v t¥ch objektech, které jsou umíst¥né blízko eNodeB.

4.2

Kalkulace parametr· simulace

Ná² model sít¥ obsahuje jednak makrobu¬ky, tak pikobu¬ky, jak je znázorn¥no na obrázku 4.1. Vzájemn¥ se odli²ují n¥kterými svými parametry a zp·soby výpo£tu. Níºe si denujeme jednotlivé parametry modelu a s nimi související výpo£ty. Nejprve si vypo£teme ztráty ²í°ením (Path loss ), z nichº následn¥ vypo£teme i odstup signálu od ²umu a interferencí (SINR) od vysíla£e (eNodeB nebo Pico eNodeB) k p°ijíma£i (UE). Na tento model aplikujeme metodu potla£ení interferencí ozna£ovanou jako ABS. Simulaci budeme provád¥t pro dva p°ípady. Prvním je pouºití 3GPP LTE Release 8, která nemá denováno ABS. A 3GPP LTE Release 10 jenº metodu tém¥° prázdných subrámc· pouºívá. Následn¥ vypo£teme i spektrální efektivitu pro kaºdé UE. 4.2.1

Parametry modelu

V tabulce 4.1 uvádíme parametry modelu HetNet sít¥, které byly pouºity k výpo£tu. V tabulce 4.2 pak parametry pro HeNB. Jednotlivé hodnoty parametr· modelu byly získány ze specikací 3GPP [1], [2] a [4], p°ípadn¥ z anténního katalogu1 . V na²em modelu uvaºujeme krom¥ jiného i pomalé úniky (Shadowing, Slow fading ) zp·sobené p°ekáºkami a zastín¥ním spoje mezi základnovou stanicí a UE. Uvaºujeme je s respektem k modelu ztrát ²í°ením. Jsou modelovány s lognormalním rozloºením se standardní odchylkou uvedenou v tabulce. Modely byly vytvo°eny s pomocí [23]. Pro Model ²í°ení v tabulce 4.2 parametr q ozna£uje po£et st¥n (p°í£ek), které protínají spojnici vysíla£e a p°ijíma£e. Lw je specický £initel útlumu pro danou p°í£ku (v dB). Ostatní paremtry jsou stejné jako v tabulce 4.1. Simulace provádíme pro fyzickou vrstvu s ²í°kou pásma 10 MHz, tedy pro 50 RB. Jednotlivé subrámce od jednotlivých eNB a PeNB budou mezi sebou interferovat. Sílu signálu po£ítáme vºdy na jednotlivých referen£ních symbolech (RS) v rámci celého RB. Následn¥ vypo£ítáme celkové SINR p°es v²echny RS v celém pásmu. Z n¥ho pak ur£íme celkovou p°enosovou kapacitu MIMO kanálu.

1

http://www.powerwave.com/antennas.asp (P65-18-XHW2-MM)


24

Parametr

eNodeB

Piko eNodeB

Kmito£et

2 GHz

2 GHz

í°ka pásma

10 MHz

10 MHz

Po£et bun¥k

3

3

Vzdálenosti mezi vysíla£i

750 m

200 m

Model ²í°ení

L=128.1+37.6·log10(R[km]) [dB]

L=140.7+36.7·log10(R[m]) [dB]

Typ antény

3sektorová

V²esm¥rová

Typ p°ístupu v DL

OFDMA

OFDMA

Modulace RS

QPSK

QPSK

Odstup subnosných

15 kHz

15 kHz

MIMO

2 ×2

2×2

Vysílací výkon

46.02 dBm

33 dBm

Zisk vysíla£e

15.9 dBi

2.0 dBi

Ztráty vysíla£e

-5 dB

-2 dB

umové £íslo vysíla£e

5 dB

6 dB

Shadowing

10 dB

6 dB

Termický ²um

-174 dBm/Hz

Zisk UE

3 dB

3 dB

Ztráty UE

0 dB

0 dB

um UE

8 dB

8 dB

Minimální vzdálenost UE

75 m

10 m

Po£et UE

100

100

Tabulka 4.1: Parametry modelu pro eNB a PeNB

Parametr

Home eNodeB

Po£et HeNB

5/budova

Model ²í°ení

L=38.46+20·log10(R[m])+0.7·(R[m])+q·Lw [dB]

Typ antény

V²esm¥rová

Vysílací výkon

20 dBm

Zisk vysíla£e

2 dBi

Ztráty vysíla£e

-1 dB

umové £íslo vysíla£e

8 dB

Shadowing

4 dB

Termický ²um

-174 dBm/Hz

Útlum pro v¥j²í ze¤

15 dB

Útlum pro vnit°ní p°ícku

5 dB

Po£et UE

120

Tabulka 4.2: Parametry modelu pro HeNB


4.2.2

25

Výpo£et RSRP a RSRQ

P°i m¥°ení fyzické vrstvy UE m¥°íme bu¤ absolutní výkon nebo pom¥ry výkonu vztaºené k RS. Parametry RSRP, RSRQ and RSSI pouºíváme p°i stanovení kvality (síly) signálu v daném míst¥ [18]. UE je pouºívá p°i rozhodování o zm¥n¥ eNodeB (z d·vodu nízké kvality signálu) a eNodeB v p°ípad¥, kdy chce provést handover. 3GPP neuvádí p°esnou denici jak tyto dva vý²e uvedené parametry vypo£ítat, pouze denuje jejich význam. V na²em simulátoru prozatím pouºíváme pouze parametr RSRP pro rozhodování, ke kterému vysíla£i se UE p°ipojí.

RSRP (Reference Signal Receive Power) Základní parametr pro m¥°ení na fyzické vrstv¥, který je lineárním pr·m¥rem (ve wattech) downlink RS p°es dané kmito£tové pásmo [5]. Tedy udává pr·m¥rný výkon v²ech RE, které p°ená²í referen£ní symboly p°es celé kmito£tové pásmo. RSRP parametr nám ne°íká nic o kvalit¥ signálu, pouze denuje sílu signálu v daném míst¥ v závislosti na okolních podmínkách. Rozli²ujeme relativní a absolutní RSRP. Relativní RSRP je parametr pouºívaný v takzvaných "multi-cell scenarios". Absolutní hodnota RSRP poskytuje UE základní informaci o síle signálu v bu¬ce, ze kterých se po£ítá Path Loss. M·ºe být pouºita pro ur£ení optimálních výkonových limit· pro obsluhující bu¬ku. M¥°ením r·zných RSRP mezi dv¥ma bu¬kami na stejné frekvenci (intra-frequency measurement ) by se výsledky nem¥li li²it o 2-3 dB. Pro r·zné frekvence (inter-frequency measurement ) pak +-6dB. Doporu£ený postup pro výpo£et RSRP je nastín¥n v vztahu 4.1 a 4.4 podle [8]:

Lf = P athLoss + Sw + Lw − GRx RSRP = PT x − 10 · log10 (RBnum) − Lf

[dB], [dBm],

(4.1) (4.2)

, kde PathLoss jsou ztráty ²í°ením, vypo£tené podle vztahu v tabulce 4.1. Sw jsou pomalé úniky (Shadowing ), Lw je £initel útlumu p°i pr·chodu zdí (nebo jiným tlumícím objektem),

GRx je zisk antény, PT x je vysílací výkon základnové stanice eNB, p°ípadn¥ PeNB a RBnum udává po£et RB. K jakému vysíla£i se mobilní za°ízení p°ipojí je pak jiº jen rozhodnutí o tom, které zm¥°ené RSRP od v²ech vysíla£· v dosahu je pro dané UE (j) nejlep²í:

Cellserving (j) = argmax{RSRPm (i), RSRPp (i), RSRPf (i)},

(4.3)

kde m je eNodeB, p je PeNB a f je HeNB. Parametr (i) udává po£et vysíla£· v dosahu UE. Rozdíly v m¥°ené úrovni p°ijatého signálu pro makrobu¬ku a pikobu¬ku lze porovnat z obrázku 4.4


26

−50 eNodeB Pico eNodeB −60

RSRP [dBm]

−70

−80

−90

−100

−110 0

100

200

300 400 Vzdálenost [m]

500

600

700

Obrázek 4.3: Porovnání m¥°ení RSRP pro makrobu¬ku a pikobu¬ku v závislosti na vzdálenosti

RSRP je tedy po£ítáno jako pr·m¥r jednotlivých RE do kterých je namapován RS. RSRP je denována v rozmezí od -44 dBm do -140 dBm, s rozli²ením 1 dBm.

RSRQ (Reference Signal Receive Quality) Slouºí k m¥°ení kvality signálu a je denován jako pom¥r RSRP a RSSI (E-UTRA carrier Received Signal Strength Indicator). Poskytuje dodate£né informace v p°ípad¥, ºe se pomocí RSRP nem·ºeme rozhodnout pro to, zdali uskute£nit Handover. RSSI parametr reprezentuje celkový p°ijatý výkon obsahující poºadovaný výkon z obsluhující eNodeB, tak i v²echny interferující výkony ostatních subkanál· a ²um (celkový p°ijatý výkon v celém pásmu). Je to jakýsi "²irokopásmový"výkon m¥°ený na v²ech RE a v²ech RB [9].

RSRQ = N ·

RSRP RSSI

[dB],

(4.4)

M¥°ení a reportování RSSI získává na d·leºitosti zejména na okraji bun¥k, kde je nutné u£init rozhodnutí o handoveru (bez ohledu na absolutní RSRP). Reportovaný rozsah RSRQ je denován od -3 dB do -19.5 dB s rozli²ením 0.5 dB.


4.2.3

27

Výpo£et SINR

Odstup signálu od ²umu a interferencí nám udává, jaký je odstup (v dB) uºite£ného signálu toho vysíla£e, ke kterému jsme p°ipojeni k ru²ivým signál·m od ostatcích základnových stanic a ²umu. V na²em p°ípad¥ si denujeme SINR jako:

SIN Rm,p,f (n) =

P wm,p,f · hm,p,f (n) , Im (n) + Ip (n) + If (n) + σm,p,f (n)

kde:

Im (n) =

M X

(4.5)

P wm,i · hm,i (n),

(4.6)

P wp,i · hp,i (n),

(4.7)

P wf,i · hf,i (n),

(4.8)

i=1

Ip (n) =

P X i=1

If (n) =

F X i=1

Parametr P wm,p,f je vysílací výkon pro eNB m, PeNB p a HeNB f . hm,p,f charakterizuje bilanci zisk· a ztrát p°enosového kanálu na subrámci n a pomalých únik· spoje (shadow

fading ) na dané subnosné. Úniky reprezentují zastín¥ní spoje (nap°íklad vegetací, budovami atd.) s respektem ke ztrátám ²í°ením z na²eho modelu. Im (n) je pak sou£et interferencí od makrobun¥k, Ip (n) od pikobun¥k a If (n) od femtobun¥k. V²e na daném subrámci n. M pak udává po£et eNB, P po£et PeNB a F po£et HeNB. Poslední parametr σm,p (n) udává úrove¬ termického ²umu.

Mapování SINR metodou EESM V doporu£eních 3GPP se s parametrem SINR jako takovým nekalkuluje.Pro vyhodnocení kvality kanálu s OFDM se pouºívají metody pr·m¥rování EESM (Exponential Eective SINR

Mapping ) nebo MIESM (Mutual Info. Efective SINR mapping ), které jsou validovány 3GPP. V na²em p°ípad¥ vyuºijeme metodu EESM, coº je jednodimenzionální mapovací funkce, která mapuje hodnoty SINR (n) "post-processed"subnosných, jakoº i modula£ní a kódová schémata takzvané efektivní SINR (SIN Ref f ) jako m¥°ení kvality kanálu. Efektivní SINR s ekvivalentem chybového pom¥ru paket· (Error rate) v AWGN kanálu [19]. V na²em p°ípad¥ se jedná o pos£ítání v²ech SINR vypo£tených ze v²ech RS v celém pásmu podle vztahu 4.9. Výpo£et SINR metodou EESM je:

SIN Ref f = −β · ln

! N SIN Rn 1 X exp − , N β n=1

(4.9)


28

kde, N je po£et subnosných, β je parametr, který upravuje SINR tak, aby b¥hem simulace odpovídalo specickému modula£nímu a kódovému schématu MCS (Modulation and Coding

Scheme ) a ²í°ce pásma. Odhadované hodnoty β parametru lze dohledat v [6]. 4.2.4

Výpo£et spektrální efektivity MIMO kanálu

Dal²ím vodítkem p°i °e²ení na²eho problému je denování celkové p°enosové kapacity vztaºené na danou ²í°ku pásma (uvaºujeme 10 MHz) takzvané Spektrální efektivity. V na²em p°ípad¥ nastíníme idealizovaný model pro její výpo£et, protoºe její komplexní analýza je pom¥rn¥ náro£ná partie teorie informace a SpaceTime komunikace. P°i výpo£tu p°enosové kapacity MIMO kanálu pro konguraci dvou vysílacích a p°ijímacích antén vycházíme z aplikace Shannonovy ergodické kapacity kanálu s AWGN ²umem pro danou ²í°ku pásma. Jedná se o sou£et díl£ích kapacit jednotlivých subkanál·.

C = log2

S 1+ N

=⇒ Ci =

NH X i=1

λ k Ps log2 1 + NT Pw

[bit/sec/Hz]

(4.10)

kde, NH po£et p°enosových cest mezi n -tou vysílací (NR ) a p°ijímací (NT ) anténou. Ps /NT je výkon vztaºený na jednu anténu, λk je výkon subkanálu a Pw je výkon ²umu. Podle [24] si pak m·ºeme odvodit vztah pro výpo£et p°enosové kapacity pro p°ípad, ºe není známo CSI na stran¥ vysíla£e jako: CM IM O = log2 det IN +

Ps H H H NT P w

[bit/sec/Hz]

(4.11)

kde,IN je jednotková matice, jejíº velikost je závislá na po£tu antén, sou£in Hermitovsky sdruºených matic kanálu HHH reprezentuje £asov¥ invariantní kanál. Rovnice 4.11 nepostihuje n¥které d·leºité parametry. Tím nejzásadn¥j²ím jsou interference od okolních vysíla£·. Protoºe takovéto °e²ení je pom¥rn¥ obtíºná záleºitost, dovolíme ji u£init zjednodu²ení v tom smyslu, ºe takové ru²ení budeme uvaºovat jako spojité2 a Gaussovské. Tedy p°edpokládejme vztah:

Ps Ps = 2 Pw σ · PI

(4.12)

kde PI je souhrn interferen£ních signál· zachycený ob¥ma anténami. Dále, jelikoº kanálové koecienty matice H, ozna£ované hij , reprezentují stav kanálu, uvaºujeme náhodné. Tím pr·m¥rnou p°enosovou kapacitu kanálu dostáváme pr·m¥rováním p°es v²echny realizace kanálových koecient·. 2

Uvaºujeme konstantní ru²ení po celou dobu vysílání RB v dob¥ trvání rámce.


29

AWGN šum + interference

h11 NR1

h12

MIMO vysílač

NT1

MIMO přijímač

h21 h22

NR2

NT2

Obrázek 4.4: Principiální blokové schéma MIMO systému v konstelaci 2x2

Také uvaºujeme o kolísání úrovn¥ signálu (úniky), zp·sobené kolísáním signálu vlivem vícecestného ²í°ení, zastín¥ní a vliv korelovatelnosti antén. Podle [24] uvaºujeme vliv korelovatelonosti antén: (4.13)

H = ΘH R HΘT

, kde ΘR (NR × NR ) je matice denující vzájemnou korelaci mezi vysílacími anténami a ΘT (NT × NT ) pak korelace mezi p°ijímacími anténami. Výsledný vztah 4.14 popisuje výpo£et spektrální efektivity pro Rayleighovský MIMO kanál s uniformním rozloºením jako: CM IM O = log2 det IN +

Ps ΘH HH ΘT H NT P w R

[bit/sec/Hz]

(4.14)

Tato rovnice nám bude denovat ergodickou maximální spektrální efektivitu pro dané UE. V na²em výpo£tu p°edpokládáme vliv korelovatelnosti antén pouze na p°ijímací stran¥. Ze strany základnových stanic korelaci neuvaºujeme, tedy matice ΘR = IN . Parametry druhé korela£ní matice p°ijíma£e (mobilní za°ízení) ΘT jsme vypo£etli podle postupu popsaného v literatu°e [24].

4.3

Schématický diagram simulátoru fyzické vrstvy

Obrázek 4.5 nám p°edstavuje zjednodu²ené schéma základních funk£ních blok· simulátoru fyzické vrstvy LTE, který je implementován v programovacím jazyku M atlabr


30

Start: Definice ABS Počet UE Typ vrstvy

Alokace UE Alokace subnosných Alokace radiových zdrojů v šířce pásma

Alokace subrámců Alokace ABS

Ztráty sířením (PL) Síla signálu a interferencí

Výpočet parametrů kanálu s ABS

Shadow fading

Výpočet parametrů kanálu bez ABS

Šum UE = UE+1

Výpočet SINReff přes subnosnou & průměrování

Výpočet RSRP, RSRQ Výpočet vzdálenosti

Výpočet CMIMO

Výpočet korelace antén

Výběr vysílače Výběr vrstvy sítě

Přiřazení SINR a CMIMO pro dané UE & průměrování

Obrázek 4.5: Principiální diagram simulátoru fyzické vrstvy

Výstup Grafy


4.4

31

Vlastnosti simulátoru

V diplomové práci se pokou²íme vytvo°it realistický simulátor. Jedná se o pom¥rn¥ obtíºný úkol, protoºe postihuje celou °adu aspekt· z oblasti ²í°ení vln, teorie informace, zpracování signál·, synchronizace, kódování atd. V této práci není moºné v²echny aspekty obsáhnout, proto se soust°edíme pouze na fyzickou vrstvu. Dobrým p°íkladem simulátoru LTE jist¥ m·ºe být Vienna LTE Link Level Simulator vyvinutý specialisty Technické univerzity ve Vídni [25]. Odli²ností simulátoru od reálné situace je p°edev²ím to, ºe nedokáºe postihnout n¥které aspekty mobilní sít¥, které jsou v praxi známé. Uve¤me dva p°íklady: Autor práce si vyp·j£il od jednoho mobilního operátora femtobu¬ku k pokusným m¥°ením v síti UMTS (HSDPA). Bylo velmi zajímavé sledovat chování femtobu¬ky v porovnání s mobilní sítí operátora. M¥°ení probíhala uvnit° budovy, v jejím okolí i na ulici. Pr·m¥rný rádius byl p°ibliºn¥ 37 metr·. Venku se ov²em naplno projevil vlnovodný efekt ulice v zástavb¥. V ur£itém p°ípad¥ jsme byly schopni dosáhnout vzdálenosti 70-80 metr· mezi HeNB a UE, neº se provedl handover do mobilní sít¥. M¥°ením jsme také zjistili, ºe HeNB m¥la v pr·m¥ru dvakrát v¥t²í p°enosovou rychlost uvnit° budovy neº venku (na zahrad¥). Pokud bychom cht¥li postihnout chování UE v takto detailních p°ípadech a pozorovat, jak se projeví interference mezi HeNB a eNodeB, museli bychom vyvinout simulátor zaloºení na paprskových modelech (Ray tracing models ), které jsou ale náro£né na implementaci. Druhým praktickým p°íkladem, který nepostihuje ná² simulátor je detailní chování UE v blízkosti eNodeB v zástavb¥. Autor této diplomové práce si vyp·j£il LTE datový modem od mobilního operátora provozující v Jesenici u Prahy testovací LTE sí´. M¥l tak moºnost zm¥°it si p°enosové rychlosti datového terminálu a studovat chování MIMO kanálu. Bylo velmi p°ínosné názorn¥ vid¥t zm¥ny p°enosových rychlostí v závislosti na poloze UE. Zejména pak nízké p°enosové rychlosti v bezprost°ední blízkosti eNodeB na p°ímou viditelnost. Pokud se ov²em UE pohybovalo v zástavb¥ mimo p°ímou viditelnost eNodeB ve v¥t²í vzdálenosti, naplno se projevily vlastnosti výhod výcecestného ²í°ení, kdy bylo dosaºeno vy²²ích p°enosových rychlostí. Tyto jevy lze v na²em simulátoru obtíºn¥ postihnout. Protoºe by znamenaly vymodelování detailn¥j²ích struktur objekt· a jejich vlastností na výcecestné ²í°ení za pouºití ray tracing model·. Také detailn¥j²í výpo£ty spektrální efektivity a chování MIMO kanálu.

Kapitola 5

Potla£ení mezi-bu¬kové interference metodou ABS V této kapitole si prezentujeme výsledky simulací pro potla£ení interferencí v heterogenní síti za pomocí metody eICIC. Zvolili jsme n¥kolik odli²ných scéná°·, které nám ukazují r·zné výsledky. Jednotlivé scéná°e jsou vºdy popsány v rámci dané kapitoly. Jednou z moºností jak potla£it mezibu¬kovou interferenci je pouºití metody ABS (Almost

blank subframe ) popsané v kapitole 3.2. Na následujících stránkách si budeme demonstrovat její vlastnosti. Ná² simulátor je konstruován jako mobilní sí´ skládající se ze t°í vrstev. Makrovrstvy ,obsahující pouze vysíla£e eNodeB. Pikovrstvy, obsahující bu¤ t°i, nebo ²est PeNB. Poslední, takzvané femtovrstvy, která je sloºena z v¥t²ího po£tu domácích základnových stanic HeNB. Ty jsou umíst¥ny pouze uvnit° budov. Kaºdý z t¥chto scéná°· demonstruje r·zné dopady eICIC metody na úrove¬ dané vrstvy HetNet sít¥. Nejprve si ukáºeme, jak se projeví pouºití metod potla£ení interferencí v rámci celé sít¥. Zajímá nás p°edev²ím to, jaký bude dopad na uºivatele z hlediska úrovn¥ SINR a p°enosové rychlosti. Ukáºeme si zásadní rozdíly pro celou sí´, nebo pro p°ípad, kdy se UE pohybuje v okolí PeNB. Dále nás bude zajímat jaký vliv má metoda eICIC na femtobu¬ky, které mají velmi malé vysílací výkony, ale netrpí tak vysokými interferencemi jako pikobu¬ky, protoºe se nalézají uvnit° budov, kde je vn¥j²í signál vstupující do budovy tlumeny zdmi a p°í£kami. Na záv¥r se budeme v¥novat problematice chování UE na okrajích bun¥k. Zajímá nás p°edev²ím to, s jakými úrovn¥mi výkonu a interferencí se bude potýkat. A zda je pro UE výhodn¥j²í se p°ipojit k eNodeB, nebo k PeNB, jejichº rozhraní okraje bu¬ky je stejné. V na²ich simulacích vºdy uvaºujeme vypínání subrámc· v rámci celé ²í°ky pásma kanálu (10 MHz)v £asové oblasti. Ov²em s vyjímkami, které jsou explicitn¥ uvedeny.

32

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 33 V rámci objektivity je na míst¥ £tená°e upozornit, ºe v sou£asné dob¥ jsou uºivatelské terminály navrºeny podle doporu£ení 3GPP tak, ºe zvládají zpracovávat signály do úrovn¥ SINR -6 dBm (Release 8) a -7 dBm (Release 10). V sou£asnosti nejsou UE které budou pouºívat eICIC schopny detekovat signály na úrovni -10, -15 dBm. V na²i simulacích se ov²em k takovýmto hodnotám p°iblíºíme. To je dáno p°edev²ím vlastnostmi zvoleného modelu v nep°íznivých interferen£ních oblastech na rozhraní makrobun¥k a pikobun¥k. P°ípadn¥ interferen£ními oblastmi mrtvých zón u femtobun¥k.

5.1

Simulace Heterogenní sít¥ s pouºitím pikobun¥k

Nejprve si ukáºeme, jak se projeví celková úrove¬ signálu na interferencích, pokud budeme, p°ípadn¥ nebudeme vyuºívat metodu tém¥° prázdných subrámc·. Uvaºujme model sít¥ popsaný v kapitole 4.1 pro t°i r·zné scéná°e. První scéná° uvaºuje pouze vrstvu eNB, ke které se UE p°ipojuje na základ¥ rozhodovacího procesu nejlep²ího RSRP. Druhý scéná° uvaºuje krom¥ moºnosti p°ipojení se k makro vrstv¥, také vyuºití 3 PeNB (PeNB 13), které se nacházejí na rozhraní bun¥k eNB. Tím vznikne rozhraní jak pro makro, tak pro piko vrstvu, kde bude docházet k zna£ným interferencím. Tento p°íklad bude diskutován pozd¥ji. Poslední scéná° je totoºný s druhým, s tím rozdílem, ºe namísto t°í PeNB uvaºujeme ²est. Tyto pikobu¬ky jsou umíst¥ny p°ímo na rozhraní makrovrstvy kde dochází k citelným interferencím. Tedy interferen£ní oblast na okrajích makrobun¥k vykrývají svým signálem mnohem efektivn¥ji neº vý²e uvedené PeNB 1,2 a 3. Na obrázku 5.1 si m·ºeme prohlédnout výsledky simulace SINR pro 100 náhodn¥ rozmíst¥ných uºivatel· v na²í modelové síti, kte°í se nepohybují. Na obrázku 5.2 máme stejnou simulaci, ov²em bez pouºití metody tém¥° prázdných subrámc·. Prvním zajímavým zji²t¥ním je nep°íli² velký rozdíl mezi úrovn¥mi SINR pro makrovrstvu a pikovrstvu na obrázku 5.1(a). Pokud uvaºujeme vyuºití pouze t°í PeNB (1,2 a 3 z obrázku 4.1), dal se tento výsledek p°edpokládat. Jejich rozmíst¥ní bylo zvoleno tak, aby se nacházely na citeln¥ interferujících rozhraních t°í eNodeB. A zárove¬ se na tom samém míst¥ navzájem interferovaly. Ov²em i tak je znát jejich p°ínos k vylep²ení celkového pom¥ru v²ech signál· a ²umu (SINR) v HetNet síti. Zajímav¥j²ím zji²t¥ním je ale ta skute£nost, ºe pokud do na²í sít¥ v£leníme dal²í t°i PeNB (4,5 a 6 z obrázku 4.1), které umístíme p°ímo na rozhraní bun¥k makrovrstvy nedojde ke zlep²ení situace. Z toho je patrné ºe vhodné umíst¥ní PeNB v síti tak, aby do²lo k zlep²ení kvality a úrovn¥ signálu je pot°eba velmi pe£liv¥ plánovat a zváºit. Na obrázcích 5.1(a) a 5.2 m·ºeme porovnat situaci, kdy jednak vyuºíváme metodu ABS (3GPP LTEA Release 10) a kdy naopak není pouºita (3GPP LTE Release 8). V druhém p°í-

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 34 1 0.9

0.85

0.8 0.8

0.7 0.75 CDF [−]

CDF [−]

0.6 0.5

0.7

0.4 0.65

0.3 0.6

0.2 eNB+6xPeNB eNB+3xPeNB eNB only

0.1 0 −20

−15

−10

−5

0 SINR [dBm]

5

10

15

0.55

20

(a) SINR pro t°i odli²né scéná°e sít¥

eNB+6xPeNB eNB+3xPeNB eNB only −6

−4

−2 0 SINR [dBm]

2

4

(b) Detailní vý°ez z obrázku 4.2(a)

Obrázek 5.1: Srovnání SINR HetNet pro makro a piko vrstvu 1 0.9 0.8 0.7

CDF [−]

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 eNB+6xPeNB eNB+3xPeNB eNB only

0.1 0 −20

−15

−10

−5

0 5 SINR [dBm]

10

15

20

Obrázek 5.2: Srovnání SINR HetNet pro makro a piko vrstvu bez pouºití metody ABS

pad¥ lze názorn¥ vid¥t, ºe v p°ípad¥ nepouºívání metody ABS v heterogenních sítích funkce PeNB postrádá sv·j hlavní smysl, protoºe nep°ispívá k vylep²ení kvality sít¥. Nap°íklad UE má p°i pouºívání metody ABS 80% pravd¥podobnost, ºe jeho SINR nebude lep²í neº 0 dBm (coº není nijak neobvyklé, uv¥domíme-li si, ºe se pohybujeme na okrajích bun¥k). V p°ípad¥ ºe metodu ABS nebudeme vyuºívat, nám obrázek 5.2 °íká, ºe pravd¥podobnost poklesne na 73 %. V pr·m¥ru lze tedy °íci, ºe v¥t²í po£et uºivatel· m·ºe o£ekávat hor²í úrove¬ signálu

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 35 a to zhruba o 8-10%. Na druhou stranu pádným argumentem pro takovéto PeNB je zcela jist¥ celkové posílení uºivatelské kapacity sít¥. Ov²em p°i realizovaných nákladech by tento argument postrádal smysl. Zajímavá je téº situace z pohledu úrovn¥ signálu pro uºivatele v závislosti na vzdálenosti

20

20

15

15

10

10

5

5

SINR [dB]

SINR [dB]

od základnové stanice (eNB nebo PeNB). Tento stav nám popisuje sada obrázk· 5.3.

0

0

−5

−5

−10

−10

−15 0

50

100

150


300

350

400

−15 0

450

50

20

20

15

15

10

10

5

5

0

0

−5

−10

−15

−15

−20

−20

−25

−25

50

100

150


300

(c) Pouze makro vrstva


300

350

400

450

−5

−10

−30 0

150

(b) Makro a piko vrstva se 3 PeNB

SINR [dB]

SINR [dB]

(a) Pouze makro vrstva

100

350

400

450

−30 0

50

100

150


300

350

400

(d) Makro a piko vrstva se 3 PeNB

Obrázek 5.3: Závislosti úrovn¥ signálu na vzdálenosti UE od vysíla£e v p°ípad¥ pouºití metody ABS (a) a (b). A pokud ABS nevyuºíváme (c) a (d)

450

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 36 Zde je moºné vid¥t, ºe v n¥kterých p°ípadech mohou PeNB zp·sobit citelné interference, které by zajisté zp·sobily výpadek signálu. Pokud by nás zajímal p°ímý dopad na uºivatele z hlediska jeho p°enosové rychlosti, pokusíme se alespo¬ p°ibliºn¥ ur£it teoretickou maximální p°enosovou kapacitu pomocí vztahu 4.14. Tato rovnici je implementována do na²eho simulátoru a porovnána s výslednou spektrální efektivitu v závislosti na jeho poloze a síle signálu a interferencí. Na obrázku 5.4 si m·ºeme prohlédnout výsledky simulace p°enosové kapacity op¥t pro sto náhodn¥ rozmíst¥ných UE v na²em modelu. Je patrné, ºe op¥t p°i nevyuºití metody ABS dochází k degradaci spektrální efektivity. Ale to pouze u vrstvy pikobun¥k, které trpí zna£nými interferencemi od vysíla£· eNodeB, které vysílají mnohem vy²²ím výkonem. V opa£ném sm¥ru je patrné ºe pikobu¬ky ovliv¬ují pouze n¥které UE. A to ty, které jsou v

1

1

0.9

0.9

0.8

0.8

0.7

0.7

0.6

0.6 CDF [−]

CDF [−]

jejich blízkosti.

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3 0.2


0.1 0 0

1

2

3 4 5 6 Spektralni efektivita [bit/sec/Hz]

7

eNB+6xPeNB eNB+3xPeNB eNB only

0.1

8

0 0

1

2


7

8

(a) Rozloºení spektrální efektivty v p°ípad¥ pouºití me- (b) Rozloºení spektrální efektivty v p°ípad¥ nepouºití tody ABS metody ABS Obrázek 5.4: Spektrální efektivita t°í r·zných scéná°· v závislosti na vyuºívání metody ABS Na obrázku 5.5 si pak m·ºeme prohlédnou výsledky simulace pro jednotlivá m¥°ení. Na nich se m·ºeme p°esv¥d£it, ºe p°i nevyuºití metody ABS dochází ke zvý²ení interferencí a sníºení spektrální efektivity. A to zejména pro UE nacházející se na rozhraní bun¥k, kde vlivem malé úrovn¥ signálu od obsluhující základnové stanice dochází k v¥t²ímu ru²ení ze strany ostatních vysíla£·.

8

8

7

7

6

6

Spektralni efektivita [bit/sec/Hz]


KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 37

5

4

3

2

0 −15

−10

−5

0 5 SINR [dBm]

10

15

4

3

2

eNB only eNB+3xPeNB eNB+6xPeNB

1

eNB only eNB+3xPeNB eNB+6xPeNB

1

5

20

0 −15

−10

−5

0 5 SINR [dBm]

10

15

20

(a) Rozloºení spektrální efektivty pro 100 UE v p°ípad¥ (b) Rozloºení spektrální efektivty pro 100 UE v p°ípad¥ pouºití metody ABS nepouºití metody ABS Obrázek 5.5: Závislosti spektrální efektivity na SINR pro jednotlivé vrstvy heterogenní sít¥

5.2

Simulace v blízkém a vzdáleném okolí PeNB

Jak jsme ukázali v p°edchozím p°ípad¥, rozdíl zda pouºíváme metodu tém¥° prázdných rámc· nebo nikoli, není z hlediska globálního pohledu p°íli² patrný. Proto se zam¥°íme p°ímo na ta místa, kde bude ná² problém z°eteln¥j²í. Na okraje bun¥k. Tato místa trpí jednak slabou úrovní signálu od obsluhující základnové stanice a také interferencemi. Nyní si ukáºeme jaké rozdíly v úrovni signálu a p°enosové kapacit¥ se projeví pro uºivatele, kte°í se pohybují na okraji makrobun¥k v blízkém i vzdáleném okolí pikobun¥k PeNB 1 aº 3 z obrázku 4.1. Nejprve si ukáºeme jak se projeví celková úrove¬ signálu v závislosti na tom, zdali vyuºíváme metodu tém¥° prázdných subrámc·, nebo nikoli. Na výsledcích simulace z obrázku 5.6 si m·ºeme prohlédnout, ºe v tomto p°ípad¥ je rozdíl mezi metodami dosti podstatný. A to zejména pro PeNB. Pikobu¬ky jsou totiº ovlivn¥ny interferencemi z makrovrstvy a degradace signálu, která je tímto zp·sobena je zna£ná. Lze vid¥t ºe pro hodnoty -5 dBm aº +5 dBm dosahuje shodných výsledk· s makrovrstvou. Naopak p°i pouºití metody ABS dosahuje citeln¥ lep²ích výsledk·. M·ºeme tedy potvrdit p°edpoklady, ºe degradace signálu zp·sobená mezivrstvovou interferencí je dominantní pro pikobu¬ky. Zvlá²t¥ pro ty, nalézající se na okrajích bun¥k makrosít¥. Tento problém si také m·ºeme demonstrovat na výsledcích prezentovaných na obrázku 5.7, který udává závislost p°ijatého SINR na vzdálenosti od vysíla£e a 5.8 popisujícího spek-

1

1

0.9

0.9

0.8

0.8

0.7

0.7

0.6

0.6 CDF [−]

CDF [−]


0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2

0.1

0.1

eNB+3xPeNB eNB only

0 −20

−15

−10

−5

0 5 SINR [dBm]

10

15

20

(a) Rozloºení SINR p°ípad¥ pouºití metody ABS

eNB+3xPeNB eNB only

0 −20

−15

−10

−5

0 5 SINR [dBm]

10

15

20

(b) Rozloºení SINR v p°ípad¥ nepouºití metody ABS

Obrázek 5.6: Závislosti SINR pro UE p°ipojené k HetNet v okolí PeNB 25

5

UE pripojene k PeNB 20

0 UE pripojene k PeNB

15 −5

SINR [dBm]

SINR [dBm]

10 UE pripojene k eNodeB

5

−10

−15 UE pripojene k eNodeB

0 −20

−5 −25

−10

−15 0

100


400

(a) V p°ípad¥ pouºití metody ABS

500

−30 0

100


400

(b) Bez metody ABS

Obrázek 5.7: Závislosti úrovn¥ signálu na vzdálenosti UE od vysíla£e v okolí PeNB trální efektivitu v závislosti na SINR. Lze dob°e vid¥t, jaký vliv má eICIC na potla£ení mezivrstvové interference. V p°ípad¥, ºe tuto metodu nebudu pouºívat, úrove¬ SINR znateln¥ klesne. V takovém to p°ípad¥ by UE p°ipojené k PeNB trp¥ly takovou degradací signálu, ºe by pikobu¬ky byly nepouºitelné. Pak by se p°ipojovali k nejsiln¥j²í volné eNodeB. V

500

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 39 tomto p°ípad¥ je ukázkov¥ znázorn¥no, jakou úrove¬ signálu by UE m¥ly, pokud by z·staly

8

8

7

7

6

6



p°ipojeny k PeNB, které trpí interferencemi od ostatních pikobun¥k a makrobun¥k.

5

4

3

2

1

5

4

3

2

1 eNB+3xPeNB eNB only

0 −15

−10

−5

0 5 SINR [dBm]

10

15

eNB+3xPeNB eNB only 20

(a) V p°ípad¥ pouºití metody ABS

0 −15

−10

−5

0 5 SINR [dBm]

10

15

(b) Bez metody ABS

Obrázek 5.8: Závislosti úrovn¥ SINR na p°enosové kapacit¥ v okolí PeNB Pro úplnou p°edstavu, jak mohou interference od ostatních vysíla£· heterogenní sít¥ sníºit úrove¬ p°ijímaného signálu, se podívejme na obrázek 5.9. Na n¥m je znázorn¥n pr·b¥h úrovn¥ p°ijímaného signálu pro jedno UE nacházející se ve vzdálenosti 60 metr· od PeNB, která se nalézá na okraji makrobu¬ky. Od PeNB, pokud pouºívá metodu ABS, p°ijímá velmi dobrou úrove¬ SINR v rozmezí 6 aº 8 dBm. Pokud ov²em metodu ABS pouºívat nebude, jak je znázorn¥no na obrázku 5.9 v Resource blocích 10 aº 20 a 30 aº 40. Bude trp¥t interferencemi a degradací signálu, které citeln¥ redukují SINR na hodnoty p°ibliºn¥ -1.5 dBm. ím dále se bude UE od PeNB vzdalovat, tím v¥t²ími interferencemi bude trp¥t. Jinak °e£eno pikobu¬ka bude schopna obslouºit men²í plochu (a tedy i po£et uºivatel· v její blízkosti). Z vý²e uvedených simulací si m·ºeme vyvodit záv¥r, ºe metoda pouºití tém¥° prázdných subrámc· má dominantní efekt zejména na rozhraní makrobun¥k se slabým signálem. V p°ípad¥, ºe PeNB jsou nevhodn¥ rozmíst¥ny tak, ºe trpí citelnými interferencemi od eNodeB mají citeln¥ hor²í vlastnosti a jejich uplatn¥ní tak postrádá smysl. Ve vý²e uvedeném textu jsme popsali, co m·ºe o£ekávat UE v síti LTE na okraji makrobu¬ky pokud je ovlivn¥na okolními PeNB. Ur£it¥ nebude bez zajímavosti se také krátce v¥novat chování UE v tomto prost°edí. P°edev²ím nás zajímá, jak bude UE reagovat na stav,

20


12

10

SINR [dBm]

8

6

4

2

0

−2 0

10

20

30

40

50

Pocet RB

Obrázek 5.9: Rozdíl p°ijaté úrovn¥ SINR pro uºivatele, který za dobu trvání jednoho rámce st°ídav¥ pouºívá a nepouºívá metodu ABS pro jednotlivé RB

kdy mu postupn¥ p°idáme k základní makrovrstv¥ i pikovrstvu, u které nepouºijeme metodu tém¥° prázdných rámc·. Nakonec budeme pozorovat jak se zm¥ní úrove¬ SINR, kdyº metodu ABS pouºijeme. Nejprve uvaºujme o 100 náhodn¥ rozmíst¥ných UE na okrajích bun¥k, kde se nevyskytují ºádné PeNB. Zárove¬ nepouºíváme metody pro potla£ení interferencí. Provedeme simulace a v²echny výsledky sumarizujeme do pr·m¥rné hodnoty SINR (SIN R) a spektrální efektivity (C ). Nejprve uvaºujme uºivatelské terminály rozmíst¥né v dané oblasti s moºností p°ipojit se pouze k makrovrstv¥ sít¥. Následn¥ aktivujeme vrstvu pikobun¥k (která doposud nevysílala) a pozorujeme, jak se zachovají UE a jaké budou jeho pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity. Také nás zajímá do jaké vrstvy se p°ihlásí jednotlivé terminály. A to jak z hlediska zvý²ení p°enosové rychlosti, tak z hlediska kapacitního, kdy PeNB odleh£í zatíºení základnových stanic eNodeB. Výsledky jsme zaznamenali do tabulky 5.1 Nyní aktivujeme metodu pro potla£ení interferencí a provedeme novou simulaci ve stejném smyslu jako p°edchozí. Výsledky jsou zaznamenány v tabulce 5.2 Z vý²e uvedených výsledk· m·ºeme vid¥t, jaký dopad mají interference na kvalitu p°ijímaného signálu pro UE nacházející se na okrajích bun¥k v místech, kde se vyskytují


Po£et UE

SIN R [dBm]

C [bit/sec/Hz]

Pouze eNB

100

-7.8756

0.2710

Vrstva eNB

97

-10.5564

0.2143

Vrstva PeNB

3

0.1741

1.0374

Tabulka 5.1: Pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity pro UE v okolí PeNB bez vyuºití metody ABS

Po£et UE

SIN R [dBm]

C [bit/sec/Hz]

Pouze eNB

100

-7.4107

0.2808

Vrstva eNB

79

-7.1301

0.3018

Vrstva PeNB

21

13.76

5.7448

Tabulka 5.2: Pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity pro UE v okolí PeNB s potla£ením interferencí PeNB. V p°ípad¥ ºe nedochází k potla£ení interferencí nejsou pikobu¬ky schopny podporovat makrovrstvu a obsluhují jen velmi omezený po£et uºivatel·, který zajistí relativn¥ slu²né SINR. V²em ostatním vlivem interferencí klesne úrove¬ SINR a rad¥ji se p°ipojí k eNodeB. V£leníme-li do mobilní sít¥ pikobu¬ky vyuºívající metodu ABS, PeNB aktivn¥ p°ijímají p°ibliºn¥ £tvrtinu uºivatelských za°ízení, kterým poskytují vysokou úrove¬ SINR a datové propustnosti. Také nezanedbateln¥ redukují provozní zatíºení eNodeB, u které m·ºeme pozorovat i zvý²ení spektrální efektivity, zp·sobené odlivem UE k PeNB. Tím si zbývající uºivatelé rozd¥lí jejich radiové zdroje sníºené o prázdné subrámce, které eNodeB vysílá. Z výsledk· v tabulkách 5.1 a 5.2 si m·ºeme ud¥lat pom¥rn¥ dobrou p°edstavu o d·leºitosti metody eICIC pro zkvalitn¥ní mobilní sít¥ na okrajích makrobun¥k, nebo v zastín¥ných oblastech. Také nám z°eteln¥ ukazují jak lze efektivn¥ rozloºit p°enosové zatíºení mezi jednotlivé vrstvy sít¥.

5.3

Simulace Heterogenní sít¥ s pouºitím femtobun¥k

Nyní zam¥°íme na²i pozornost na HetNet sí´, ve které se vyskytují femtobu¬ky. Uvaºovaný model sít¥ pro eNodeB a PeNB vrstvu z·stává stejný. Pouze do n¥j v£leníme ²est budov s HeNB a budeme sledovat jak se m¥ní celková úrove¬ SINR v budovách, v závislosti na pouºívání metody, tém¥° prázdných subrámc·. Ná£rt dispozice budov v simulátoru je nastín¥n na obrázku 4.2. P°i pr·niku signálu do budovy dochází k degradaci signálu vlivem útlumu zp·sobeného zdmi.Proto je více neº vhodné vykrývat budovy pomocí domácích základnových stanic femtobun¥k. Z tohoto d·vodu, v na²em simulátoru uvaºujeme vytvo°ení t°etí vrstvy (vrstva

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 42 s HeNB). Ta je ur£ená primárn¥ k pokrytí vnit°ních prostor budov signálem s velkou p°enosovou kapacitou pro relativn¥ malý po£et UE. Výsledky simulací si m·ºeme prohlédnou na obrázku 5.10. V tomto p°ípad¥ uvaºujeme ²est budov, rozmíst¥ných rovnom¥rn¥ ve dvou °adách v p°ibliºn¥ stejných vzdálenostech od ostatních eNodeB, jak je znázorn¥no na obrázku 4.2. V kaºdé budov¥ jsme náhodn¥ rozmístili 5 HeNB se stejnými parametry. Celkov¥ uvaºujeme 120 UE náhodn¥ rozmíst¥ných v jednotlivých budovách tak, ºe v kaºdém objektu

1

1

0.9

0.9

0.8

0.8

0.7

0.7

0.6

0.6 CDF [−]

CDF [−]

se nachází 20 UE. Ty se p°ipojují do sít¥ podle jednoho ze t°í scéná°· popsaných níºe.

0.5 0.4

0.5 0.4

0.3

0.3 Mrtva zona

0.2

0.2

0 −20

Mrtva zona

eNB+PeNB+HeNB eNB+3xPeNB eNB only

0.1

−10

0

10 SINR [dBm]

(a) S metodou ABS

20

eNB+PeNB+HeNB eNB+PeNB eNB only

0.1

30

0 −20

−10

0

10 SINR [dBm]

20

(b) Bez pouºití ABS

Obrázek 5.10: Pom¥r SINR v budov¥ pro jednotlivé vrstvy HetNet sít¥ Nejprve je t°eba upozornit na skute£nost, ºe maximum distribu£ní funkce SINR v n¥kterých p°ípadech dosahuje lep²ích výsledk· ( aº +25 dBm) neº v simulaci popsané v kapitole 5.1. To je dáno tím, ºe v p°edcházejícím p°ípad¥ jsme uvaºovali UE v rámci celé oblasti modelu sít¥. V tomto p°ípad¥ uvaºujeme pouze UE uvnit° budov. N¥které budovy se ale nacházejí v blízkosti základnových stanic s lep²í úrovní signálu. Také se nenacházejí na rozhraní bun¥k, kde by trp¥ly zna£nou degradací SINR. Z grafu si m·ºeme pov²imnout, ºe PeNB vrstva v tomto p°ípad¥ nep°ispívá ke zvý²ení úrovn¥ SINR v HetNet síti. D·vodem je její niº²í výkon neº u eNodeB a také její vzdálenost od objekt·. Naopak pro UE uvnit° budovy je nejlep²í moºností p°ipojit se k HeNB, která disponuje velmi dobrým pom¥rem SINR. Op¥t si zde m·ºeme porovnat dva p°ípady, kdy bu¤ vyuºíváme metodu tém¥° prázdných subrámc·, nebo nikoli. V druhém p°ípad¥ je citeln¥ znát degradace signálu pro femtovrstvu sít¥ HetNet. Protoºe vysílací výkon femtobun¥k je °ádov¥ niº²í neº u makro a piko vrstvy, je tedy mnohem náchyln¥j²í na interference od ostatních vrstev sít¥ HetNet. Lze tedy tvrdit,

30

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 43 ºe metoda ABS má tím v¥t²í vliv, £ím niº²í vysílací výkon pouºijeme u nízkovýkonových vysíla£·. Dal²í nep°íjemností je, ºe v¥t²ina femtobun¥k pracuje v uzav°eném reºimu (CSG). To pro uºivatele v budovách bude p°iná²et dal²í degradaci signálu a tím vznik mrtvých zón. Zejména v okolí HeNB, kde dojde k takovým interferencím, ºe uºivatel v n¥kterých p°ípadech "ztratí"signál ze sít¥. M·ºeme tedy tvrdit, ºe metody potla£ení interferení eICIC mají pom¥rn¥ zásadní vliv na celkovou úrove¬ p°ijímaného signálu. A to zejména pro UE pohybují se v budovách. Detailn¥ji se na tuto problematiku m·ºeme podívat na obrázku 5.11. Zde si m·ºeme prohlédnou situaci uvnit° jedné z budov umíst¥né v relativní blízkosti eNodeB.

HeNB 2

Vzdalenost [m]

HeNB 1

HeNB 3

HeNB 4

HeNB 5

Vzdalenost [m]

Obrázek 5.11: P·dorysná situace uvnit° jedné z budov s HeNB

Uvaºujeme o 5 HeNB v budov¥, jejíº vn¥j²í ze¤ (ozna£ena £ern¥) má útlum 15 dB a vnit°ní p°í£ky (ozna£eny ²ediv¥) pak 5 dB. Na tomto modelu je z°eteln¥ vid¥t vylep²ení úrovn¥ SINR v p°ípad¥ pouºití HeNB. Od budovy se eNodeB nachází p°ibliºn¥ ve vzdálenosti 100 metr·. Proto je v pravé £ásti budovy z°etelný vysoký pom¥r SINR (1520 dBm). Naopak v levé dolní £ásti lze pozorovat místa s nízkým SINR (0 aº -5 dBm). Tyto diference z°eteln¥ ukazují, jaký problém p°edstavuje pokrytí dostate£n¥ kvalitním signálem uvnit° budov, pokud nebudeme vyuºívat piko a femtobu¬ky. Nevýhodou vyuºití koncepce s femtobu¬kami je bohuºel skute£nost, ºe n¥které z nich budou pracovat v uzav°eném reºimu. Tedy se budou svému okolí jevit jako dodate£ný zdroj

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 44 interferencí. To m·ºe mít za následek degradaci signálu z eNodeB nebo PeNB. Nebo v hor²ím p°ípad¥ bude docházet ke vzniku mrtvých zón. Detailn¥ se této problematice v¥nuje [12]. Podobn¥ jako v kapitole 5.1 i zde provedeme simulaci p°enosové kapacity abychom demonstrovali rozdíly mezi 3GPP LTE Release 8 a Release 10. Na obrázku 5.12 si m·ºeme

1

1

0.9

0.9

0.8

0.8

0.7

0.7

0.6

0.6 CDF [−]

CDF [−]

prohlédnou rozdíl p°i pouºití obou p°ístup·.

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2


0.1 0 0

2

4


14


0.1

16

(a) S metodou ABS

0 0

2

4


14


Obrázek 5.12: Teoretická maximální spektrální efektivita v budov¥ pro jednotlivé vrstvy HetNet sít¥ Je patrné, ºe pro ²í°ící se signál je obtíºné pronikat do budov a pokrývat je dostate£n¥ kvalitním signálem. Zvlá²t¥ pokud si uv¥domíme, ºe v¥t²ina rychlých datových p°enos· je uskute£¬ována z kancelá°í nebo domov·, je práv¥ zde pot°eba vysoká datová propustnost sít¥. Z na²eho modelu je vid¥t, ºe PeNB k tomuto nep°ispívají. I kdyº PeNB se nacházejí blíºe neº eNodeB, jejich slab²í signál má také problémy penetrovat do budov. Proto je zapot°ebí rozmístit v budovách femtobu¬ky, jejichº slabý signál snadn¥ji interferuje. V p°ípad¥ ºe pouºijeme metodu ABS, dojde k citelnému zlep²ení kvality signálu i p°enosové rychlosti. Pokud ale nebude docházet k potla£ení mezibu¬kových interferencí, dojde tak k citelné degradaci signálu pro HeNB, které tak budou postrádat sv·j smysl, protoºe její spektrální efektivita bude s ostatními vrstvami srovnatelná. Na obrázku 5.13 si m·ºeme prohlédnout výsledné hodnoty pro jednotlivá m¥°ení pro oba p°ístupy. M·ºeme si pov²imnout, ºe vlivem zna£ných interferencí v d·sledku ru²ení od okolních vysíla£· r·zných vrstev, dochází k degradaci celkové p°enosové kapacity. Tento jev se pak nejvíce projeví u HeNB.

16


16

14

16 eNB+PeNB+HeNB eNB+3xPeNB eNB only

14

12 Kapacita [bit/sec/Hz]

Kapacita [bit/sec/Hz]

12

10

8

6

10

8

6

4

4

2

2

0 −20


−10

0

10 SINR [dBm]

(a) S metodou ABS

20

30

0 −20

−10

0

10 SINR [dBm]

20


Obrázek 5.13: Teoretická maximální spektrální efektivita v závislosti na SINR v budov¥ pro jednotlivé vrstvy HetNet sít¥ Problém je, jak uº jsme nazna£ili vý²e, p°edev²ím v tom ºe femtobu¬ky mají podstatn¥ men²í vysílací výkon. Dle doporu£ení 3GPP jsou jejich vysílací výkonové limity omezeny na hodnoty 10,15,20 a 23 dBm. Coº jsou citeln¥ men²í hodnoty neº v p°ípad¥ eNodeB a PeNB. Jejich nep°íli² silný signál proto m·ºe být ru²en od okolních vysíla£· pom¥rn¥ lehce, i kdyº je znateln¥ utlumen pronikáním do budovy. Z na²ich simulací vyplývá, ºe £ím men²í je vysílací výkon základnové stanice nebo femtobu¬ky, tím je náchyln¥j²í k degradaci signál· v d·sledku interferencí. Proto je nutné, neli p°ímo nezbytné vyuºívat metody eICIC k potla£ení interferencí. Jinak si lze jen obtíºn¥ p°edstavit zvy²ování p°enosových rychlostí nových datových sítí. Obdobn¥ jako v kapitole 5.2 se také blíºe podíváme na chování UE z hlediska vyuºití jednotlivých vrstev. Nejprve op¥t uvaºujme 120 UE, které se pohybují v ²esti budovách. Nejprve si zm¥°íme jejich parametry, v p°ípad¥ ºe nebudeme mít k dispozice femtobu¬ky ani metodu pro potla£ení interferencí. Protoºe se ov²em nacházíme v budovách lze o£ekávat ºe vlivem útlumu signálu procházejícího p°es st¥ny budou výsledky pro eNodeB a PeNB vrstvu podobné jako v p°edcházející kapitole. V tabulce 5.3 m·ºeme nahlédnout, jak se projeví úrove¬ SINR a p°enosové kapacity pro UE uvnit° budovy v p°ípad¥ vyuºití pouze makrovrstvy spolu s vrstvou pikobun¥k. A jak se zm¥ní tyto hodnoty v p°ípad¥ ºe budou pouºity HeNB.

30


Po£et UE

SIN R [dBm]

C [bit/sec/Hz]

Pouze eNB

120

-7.7019

0.8249

Vrstva eNB+PeNB

119

-7.8380

0.8432

1

1.9877

1.1499

Vrstva HeNB

Tabulka 5.3: Pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity pro UE v budov¥ bez vyuºití metody ABS Z tabulky je patrné jakou degradací signálu trpí vrstva HeNB. Pokud její pásmo interferuje s ostatními vrstvami, tak degradace signálu dosahuje té úrovn¥, ºe jsou HeNB nepouºitelné. Naopak pokud metodu ABS pouºijeme, budou výsledky znateln¥ lep²í, viz. tabulka 5.4.

Po£et UE

SIN R [dBm]

C [bit/sec/Hz]

Pouze eNB

120

-7.7009

0.8243

Vrstva eNB+PeNB

30

1.4022

1.0976

Vrstva HeNB

90

16.3866

8.1132

Tabulka 5.4: Pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity pro UE v budov¥ s pouºití metody ABS Zde m·ºeme názorn¥ vid¥t, jak p°ispívá femtovrstva k vylep²ení úrovn¥ signálu v budovách. Vysoká hodnota SINR pro UE p°ipojené k HeNB je dána p°edev²ím tím, ºe pokud se UE nachází ve stejné místnosti má velmi dobrou úrove¬ SINR. Pokud se nachází v jiných místnostech, je úrove¬ mnohem men²í, coº je dáno p°edev²ím velkým útlumem zdí, který je pro omezený vysílací výkon femtobun¥k limitující. Celkov¥ se p°ibliºn¥ t°i-£tvrtiny UE p°ipojí na HeNB. Ostatní, které se vlivem nízké výkonové úrovn¥ femtobun¥k umocn¥né útlumem vnit°ními st¥nami nemohou p°ipojit k HeNB, jsou odkázány na markrovrstvu a pikovrstvu sít¥. Ov²em s citeln¥ slab²ím SINR a tím i spektrální efektivitou. Také si m·ºeme pov²imnout ºe spektrální efektivita UE p°ipojených k makro, nebo pikovrstv¥ nepatrn¥ vzroste, protoºe UE které k ní z·stanou p°ipojené, se pod¥lí o zbylé radiové zdroje i za cenu toho, ºe je nutné alokovat prost°edky pro ABS.

5.4

Simulace Heterogenní sít¥ na vnit°ním okraji bun¥k

Nyní zam¥°me pozornost na problematiku interferencí v oblastech k tomu nejcitliv¥j²ích. Na okraje jednotlivých bun¥k. Zde je signál od vlastní eNodeB nejslab²í a zárove¬ UE trpí interferencemi od okolních vysíla£·. Proto se takovéto to oblasti bu¤ posilují rozmíst¥ním PeNB, nebo se pouºívají dal²í techniky pro potla£ení mezibu¬kových interferencí, jako je nap°íklad Frequency Reuse. U té eNodeB pouºívá dva nosné kmito£ty. Jeden z nich vºdy trpí

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 47 degradací signálu z d·vod· interferencí mén¥, neº druhý. Z tohoto d·vodu se na okrajích bun¥k pouºívá pro obsluhu UE ten, který trpí interferencemi mén¥. "Uvnit°"bu¬ky v okolí eNodeB se naopak pouºívá ten, který trpí interferencemi více. Zde má v¥t²í úrove¬ signálu, protoºe je blíºe vysíla£i. Frequency Reuse lze ov²em pouºít u makrovrstvy, u pikovrstvy postrádá její vyuºití smysl, protoºe úrove¬ signálu je od eNodeB pro PeNB tém¥° konstantní. Tedy pikobu¬ky nemají tak velký okraj jako makrobu¬ky, aby se dalo této metody efektivn¥ vyuºít. V na²em p°ípad¥ pouºijeme op¥t metodu tém¥° prázdných rámc· pro p°ípady, ºe máme k dispozici jen makro vrstvu, makrovrstvu a t°i PeNB nebo ²est PeNB. Na obrázku 5.14 m·ºeme shlédnout, ºe úrove¬ SINR je na rozhraní pom¥rn¥ slabá. Její st°ední hodnota se pohybuje okolo -10 dB. Citelné zlep²ení ov²em nastává v p°ípad¥, ºe do této oblasti p°i£leníme

1

1

0.9

0.9

0.8

0.8

0.7

0.7

0.6

0.6 CDF [−]

CDF [−]

n¥kolik PeNB.

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3 0.2


0.1 0 −20

−15

−10

−5

0 5 SINR [dBm]

(a) S metodou ABS

10

15

eNB+6xPeNB eNB+3xPeNB eNB only

0.1

20

0 −20

−18

−16

−14

−12 −10 −8 SINR [dBm]

−6

−4

−2


Obrázek 5.14: Úrovn¥ SINR na rozhraní dvou makrobun¥k Op¥t platí pravidlo, ºe polohu pikobun¥k je nutné rozmisóvat efektivn¥. V na²em p°ípad¥ jsou PeNB 1 aº 3 umíst¥ny pom¥rn¥ nevýhodn¥. P°ispívají k zlep²ení dostupnosti signálu, ale také zárove¬ aktivn¥ p°ispívají k vytvo°ení interferen£ního rozhraní mezi bu¬kami, protoºe efektivn¥ nepokrývají rozhraní makrobun¥k. Naopak PeNB 36 jsou umíst¥ny p°ímo na rozhraní kde lze o£ekávat nízkou úrove¬ signálu a aktivn¥ vykrývají tyto prostory svým signálem. V na²í simulaci op¥t uvaºujeme sto UE, které se p°ipojí k r·zným vysíla£·m makro nebo piko vrstvy na základ¥ úrovn¥ RSRP. UE jsou rozmíst¥ny podél rozhraní mezi eNodeB 1 a eNodeB 2 podle obrázku 4.1 náhodn¥, s rovnom¥rným rozloºením. Na tomto míst¥ se

0

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 48 je²t¥ nacházejí PeNB 1 a 2, jejichº rozhraní dosahu je identické s rozhraním makrovrstvy. Posledním vysíla£em v blízkosti je PeNB 5, který je umíst¥ný p°ímo na rozhraní eNodeB 1 a 2. Vykrývá tedy oblast s nízkou úrovní signálu p°ímo na rozhraní. Z výsledk· na obrázku 5.14 si m·ºeme pov²imnout, ºe v p°ípad¥ pouºití metody ABS nejsou PeNB zatíºeny interferencemi z makro vrstvy a £áste£n¥ p°ispívají k zkvalitn¥ní p°ijmu signálu pro UE. Dal²ím zajímavým faktem, který je názorn¥ vid¥t, je rozdíl mezi tím jak rozmístíme pikobu¬ky na rozhraní. Z obrázku (a) je vid¥t, ºe sta£í umístit p°ímo na rozhraní bun¥k jednu PeNB a dojde k citelnému zlep²ení SINR v dané oblasti. Naopak PeNB umíst¥né nep°íli² vhodn¥ zlep²í SINR, ov²em ne n¥jak závratn¥. Na obrázku (b) pak m·ºeme vid¥t, ºe nepouºití metody ABS vede k znatelné degradaci signálu, kdy uº p°estává být pouºitelný. Vznik interferen£ního oblasti na rozhraní nám lépe osv¥tlí obrázek 5.15. 25 UE pripojene k PeNB 20

15

SINR [dBm]

10

5

0 UE pripojene k eNodeB −5

−10

−15 0

100


400

500

Obrázek 5.15: Úrovn¥ SINR na rozhraní dvou makrobun¥k Zde je názorn¥ vid¥t, k jakému vysíla£i (eNB nebo PeNB) se jednotlivá UE p°ipojují. Simulace byla provedena na rozhraní makrobun¥k eNodeB 1 a eNodeB 2. Koncová za°ízení se tedy mohla p°ipojit k nim, nebo k PeNB 1, 2 a 5. Lze názorn¥ vid¥t, jak p°ispívá vrstva PeNB ke zlep²ení úrovn¥ signálu v takových oblastech. Pro ty UE, které se k nim p°ipojí, (tj. jsou v jeho dosahu) poskytuje lep²í úrovní SINR. Zárove¬ uleh£uje makrovrstv¥ i kapacitn¥ (z hlediska po£tu p°ipojených UE). Tím má makrobu¬ka více prostoru a radiových zdroj· k obsluze uºivatel·, kte°í jsou k ní p°ipojeni a m·ºe jim nabídnout v¥t²í p°enosové rychlosti.

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 49 Z vý²e uvedeného obrázku plyne i dal²í zajímavá skute£nost, kterou bychom nem¥li opomenout. Ná² model jsme zám¥rn¥ uspo°ádali tak, abychom se nacházeli na interferujícím rozhraní jak makrovrstvy, tak pikovrstvy1 . Cht¥li jsme pozorovat, jak se bude chovat UE v tomto "nevlídném"prost°edí. Z na²í simulace plyne ºe po celé délce rozhraní makrobun¥k má UE tendenci, se rad¥ji p°ipojovat k vzdálen¥j²ímu eNodeB, neº k bliº²ím PeNB. D·vodem je to, ºe i p°es zna£nou vzdálenost k makrobu¬ce trpí její signál mnohem men²ími interferencemi od ostatních eNodeB. Také má v¥t²í vysílací výkon. Naopak pikobu¬ky se na krat²í vzdálenost mnohem více ovliv¬ují a dochází tak k citelné degradaci jejich signálu. Op¥t se tak dostáváme k záv¥ru, ºe je nezbytné efektivní plánování rozmíst¥ní PeNB na okrajích bun¥k makro sít¥, aby tento jev nastával v co nejmén¥ p°ípadech. V takto nevhodných podmínkách bude UE trp¥t zna£nou degradací signálu i p°enosové rychlosti. Protoºe se nachází na rozhraní jak dvou eNodeB tak PeNB a bude se rad¥ji p°ipojovat k eNodeB (viz p°edchozí p°íklad). Tím bude i jeho celková spektrální efektivita nízká, jak dokládá simulace na obrázku 5.16. V tomto p°ípad¥ op¥t uvaºujeme pouze p°ípady, kdy aktivn¥ potla£ujeme interference. V p°ípad¥ kdybychom tak ne£inili bude degradace signálu natolik zásadní, ºe jak nám ukázaly na²e simulace nebude se UE tém¥° schopno p°ipojit k jakémukoli vysíla£i. 1 0.9 0.8 0.7

CDF [−]

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 eNB+6xPeNB eNB+3xPeNB eNB only

0.1 0 0

2

4 6 Spektralni efektivita [bit/sec/Hz]

8

10

Obrázek 5.16: Distribu£ní funkce spektrální efektivity na rozhraní dvou bun¥k s pouºitím metody ABS

Do této pikovrstvy zahrnujeme pouze PeNB 1, 2 a 3. PeNB 5 kterou v simulacích uvaºujeme je umíst¥na vhodn¥ a tak p°ispívá k zvý²ení úrovn¥ SINR nejvíce 1

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 50 V této simulaci op¥t uvaºujeme sto UE které jsou náhodn¥ rovnom¥rn¥ rozmíst¥ny podél rozhraní eNodeB 1 a eNodeB 2. Jejich celková závislost spektrální efektivity na SINR je znázorn¥na na obrázku 5.17. Zde m·ºeme vid¥t, ºe UE p°ipojené k markovrstv¥ mají na rozhraní dvou bun¥k velmi ²patnou úrove¬ signálu a tedy i malou p°enosovou kapacitu. Obdobné je to i pro druhý p°ípad, kdy uvaºujeme i t°i PeNB. Zde je jiº patrný rozdíl v tom, ºe n¥které UE se nacházejí v oblasti které PeNB vykrývá svým signálem natolik dostate£n¥, ºe jim poskytuje slu²nou úrove¬ signálu i p°enosovou kapacitu. Je tedy patrné, ºe pouºití vrstvy pikobun¥k má svoje opodstatn¥ní, protoºe umoºní vykrývat oblasti na rozhraní makrobun¥k a poskytovat tak UE dostate£nou p°enosovou kapacitu. Ale to pouze za p°edpokladu vyuºití metod eICIC, které aktivn¥ potla£í interference od okolních vysíla£·. Pokud by tomu tak nebylo, tak budou trp¥t degradaci úrovn¥ signálu a jejich smysl pak bude zna£n¥ diskutabilní. 9 8


7 6 5 4 3 2 eNB only eNB+3xPeNB eNB+6xPeNB

1 0 −15

−10

−5

0 5 SINR [dBm]

10

15

20

Obrázek 5.17: Závislost p°enosové kapacity na SINR pro UE nacházející se na rozhraní bun¥k

Je proto nezbytné vyuºívat metod potla£ení interferencí spole£n¥ s efektivním plánováním sít¥. Pak docílíme zaji²t¥ní vysoké datové propustnosti i kapacity sít¥ pro UE, které se nacházejí v zna£n¥ interferen£ních oblastech, jak je znázorn¥no na p°íkladu. Na záv¥r se je²t¥ podívejme na chování UE z hlediska moºnosti p°ipojení k dané vrstv¥ sít¥. Z vý²e uvedených simulací lze o£ekávat, ºe UE se budou primárn¥ p°ipojovat k makrovrstv¥. Ov²em z mnohem men²í úrovní signálu. Ty UE které budou mít to ²t¥stí, ºe se i na nevhodných podmínkách rozhraní eNodeB a PeNB ocitnou blízko vysíla£· pikobun¥k,

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 51 budou moci z této skute£nosti t¥ºit mnohem lep²í úrovní signálu. Na²e výsledky jsme op¥t chronologicky se°adili do tabulky 5.5 V tabulce výsledných pr·m¥rných hodnot zm¥°ených pro UE si m·ºeme pov²imnou jaký význam má správné plánování rozmíst¥ní PeNB v síti. Pokud umístíme PeNB vhodn¥ na rozhraní markobun¥k tak, aby dostate£n¥ pokrývala prostor kde je nízká úrove¬ SINR vlivem vzdálenosti od základnové stanice. Navíc zde dochází k interferencím, které degradují signál. M·ºeme rapidn¥ zvý²it SINR a spektrální efektivitu pro uºivatele, kte°í se na rozhraní pohybují. Z výsledk· m·ºeme vyvodit záv¥r , ºe v p°ípad¥ vhodného rozmíst¥ní (vrstva s ²esti PeNB) m·ºeme aº £tvrtinu UE alokovat k PeNB a tím citeln¥ zlep²it jejich kvalitu signálu. Po£et UE

SIN R [dBm]

C [bit/sec/Hz]

Pouze eNB

100

-9.7005

0.1574

Vrstva eNB

88

-9.7402

0.1551

Vrstva 3xPeNB

12

12.2070

4.9339

Vrstva eNB

77

-10.2135

0.1456

Vrstva 6xPeNB

23

14.5816

6.3170

Tabulka 5.5: Pr·m¥rné hodnoty SINR a spektrální efektivity pro UE pohybující se na okraji makrobun¥k s pouºitím metody ABS Zám¥rn¥ zde neuvádíme výsledky simulací pro p°ípad kdy nepouºijeme metodu tém¥° prázdných subrámc·. D·vodem je, ºe p°i na²ich simulacích jsme na rozhraní detekovali tak nízký práh SINR, ºe by pro UE bylo tém¥° nemoºné se p°ipojit k jakékoli základnové stanici. A to proto, ºe by trp¥la jednak nízkou úrovní signálu na okraji bu¬ky a zárove¬ interferencemi, které by degradovaly úrove¬ signálu v pr·m¥ru na hodnoty -12 aº 20 dBm.

5.5

Simulace fyzické vrstvy pro r·zný po£et p°id¥lených RB

V této kapitole se podíváme, jak se m¥ní p°enosová kapacita v závislosti na p°id¥lených subrámcích fyzické vrstvy. Lze o£ekávat, ºe £ím více subrámc· vy£leníme metodou ABS pro pikovrstvu, tím lep²ích p°enosových rychlostí dosáhneme. Toto tvrzení si v na²í simulaci ov¥°íme.

Simulace fyzické vrstvy pro PeNB Na rozdíl od p°edchozích p°ípad· zde uvaºujeme jen o jednom UE, které se bude p°ipojovat do sít¥. Dále nás bude zajímat, jakou bude mít UE spektrální efektivitu v daném míst¥ nedaleko PeNB. Nejprve si zm¥°íme spektrální efektivitu pouze pro makrovrstvu. Následn¥ zapneme i pikovrstvu a pozorujeme, jak se zm¥ní úrove¬ SINR a celková p°enosová rychlost

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 52 pro ty RB, které pouºívají nebo nepouºívají metodu ABS. V tomto p°ípad¥ op¥t uvaºujeme 50 RB v rámci ²í°ky pásma. Rozd¥lení RB jsme stanovili následovn¥: UE bude vyuºívat 20%, 50% nebo 70% RB alokovaných pro UE, u který eNodeB pouºije ABS. Ostatní RB ABS mít nebudou a tedy budou interferovat. Na sad¥ obrázk· 5.18 si pak m·ºeme prohlédnout úrovn¥ SINR v závislosti na tom, zda-li u daných RB pouºijeme ABS. Hodnoty jsou simulovány pro UE ve vzdálenosti 60 metr· od PeNB. Z výsledk· je patrné, ºe £ím více RB vy£leníme pro pouºití UE v pikovrstv¥, tím více

12

12

10

10

8

8 SINR [dBm]

SINR [dBm]

se nám zvý²í spektrální efektivita.

6 4

6 4

2

2

0

0

−2 0

10

20 30 Pocet RB

40

50

(a) 20% RB s ABS

−2 0

10

20 30 Pocet RB

40

50

(b) 50% RB s ABS

12 10

SINR [dBm]

8 6 4 2 0 −2 0

10

20 30 Pocet RB

40

50

(c) 70% RB s ABS Obrázek 5.18: Rozdíly úrovn¥ SINR pro UE ve vzdáenosti 60 metr· od PeNB v závislosti na pouºití metody ABS V tabulce 5.6 si pak m·ºeme prohlédnout vypo£tenou spektrální efektivitu v r·zných

KAPITOLA 5. POTLAENÍ MEZI-BUKOVÉ INTERFERENCE METODOU ABS 53 p°ípadech. Údaj v závorce udává vzdálenost UE od PeNB. CP eN B (30m)

CP eN B (60m)

CeN B (60m)

[bit/sec/Hz]

[bit/sec/Hz]

[bit/sec/Hz]

RB20%

1.2926

0.7706

0.3212

RB50%

2.7101

1.4042

0.3231

RB70%

4.0514

1.9865

0.3426

Tabulka 5.6: Spektrální efektivita UE v r·zných p°ípadech Zde si m·ºeme názorn¥ pov²imnout, jaký dopad má pro UE zvý²ení p°id¥lených RB, které budou metodou tém¥° prázdných subrámc· významn¥ p°ispívat k zvý²ení SINR. V p°ípad¥ ºe pouºijeme místo 20% RB v pásmu 70% RB budeme mít UE ve vzdálenosti 30 metr· od PeNB zhruba 3x v¥t²í spektrální efektivitu. Ve vzdálenosti 60 metr· pak p°ibliºn¥ 2x v¥t²í. Na druhou stranu je ov²em nutné zmínit, ºe £ím více budeme omezovat radiové zdroje eNodeB, tím budeme i více omezovat UE p°ipojené k makrovrstv¥. A to proto, ºe mají k dispozici mén¥ RB. Naopak mají vy²²í p°enosovou rychlostí z d·vodu lep²ího pom¥ru SINR. Protoºe vzdálen¥j²í UE se díky ABS subrámc·m nestávají ob¥tí interferencí od eNodeB a mohou se p°ipojit k PeNB.

Simulace fyzické vrstvy pro HeNB Pro úplnost se je²t¥ podívejme na výsledky simulací pro HeNB. Na obrázcích 5.19 m·ºeme vid¥t jaký je rozdíl v úrovních SINR v p°ípad¥ pouºívaní metody ABS. V p°ípad¥ ºe ji nepouºijeme trpí HeNB interferencemi které citeln¥ redukují její signál a UE se pak místy p°ipojuje rad¥ji k eNodeB nebo PeNB, neº k HeNB. To má za následek degradaci úrovn¥ SINR i spektrální efektivity. Jak lze o£ekávat, celková spektrální efektivita v okolí HeNB citeln¥ nar·stá, jak lze vypozorovat z výsledk· simulací v tabulce 5.7 pro UE nacházejí se v okolí HeNB. CHeN B (10m)

CHeN B (25m)

CHeN B (40m)

[bit/sec/Hz]

[bit/sec/Hz]

[bit/sec/Hz]

RB20%

4.1476

2.9209

1.6316

RB50%

8.0360

6.5538

3.1702

RB70%

11.6084

9.9794

4.5508

Tabulka 5.7: Spektrální efektivita UE v r·zných p°ípadech Na vý²e uvedených výsledcích je moºno porovnat rozdíly mezi jednotlivými p°enosovými rychlostmi v závislosti na po£tu RB. Je z°ejmé, ºe je nutno volit kompromis mezi moºnou maximální spektrální efektivitou a po£tem alokovaných subrámc·.

25

25

20

20 SINR [dBm]

SINR [dBm]


15

10

10

5

5

0 0

15

10

20 30 Pocet RB

40

50

(a) 20% RB s ABS

0 0

10

20 30 Pocet RB

40

50

(b) 50% RB s ABS

25

SINR [dBm]

20

15

10

5

0 0

10

20 30 Pocet RB

40

50

(c) 70% RB s ABS Obrázek 5.19: Rozdíly úrovn¥ SINR pro UE nacházejícího se v sousední místnosti ve vzdálenosti 40 metr· od HeNB v závislosti na pouºití metody ABS M·ºeme se tedy vyvodit záv¥r, ºe v p°ípad¥ femtovrstvy lze alokovat men²í po£et ABS subrámc· neº u PeNB, abychom dosáhli dobré p°enosové rychlosti. Jinak °e£eno i s men²ím po£tem subrámc· s ABS lze dosáhnou v¥t²ích p°enosových rychlostí neº v p°ípad¥ PeNB.

Kapitola 6

Záv¥r V této práci jsem se pokusil vystihnout základní problematiku mezibu¬kové interference a její rozdíly u mobilních sítí 3GPP LTE a LTE-A . V kapitole 2 jsem popsal základní vlastnosti LTEA z hlediska fyzické vrstvy radiové sít¥, její odli²nosti oproti p°edchozí verzi LTE. Zam¥°il jsem se p°edev²ím na popis heterogenních sítí, které díky své nové koncepci a uspo°ádání zp·sobují mezibu¬kové interference na r·zných vrstvách (i mezi sebou navzájem). Tento problém jsem popisoval v kapitole 3, kde uvádím základní problematiku a koordinaci mezibu¬kové interference (ICIC). Denoval jsem jeden z moºných p°ístup· k °e²ení pomocí metody tém¥° prázdných subrámc·. V následující kapitole 4 jsem popsal vytvo°ený simulátor radiového rozhraní LTE, jehoº modely jsou zázorn¥ny na obrázcích 4.1 a 4.2. Na navrºených prost°edích mobilní sít¥ jsem simuloval potla£ení mezibu¬kových iterferencí pro UE v závislosti na vyuºívaní jednotlivých vrstev heterogenní sít¥. V kapitole 5 jsem prezentoval výsledky dosaºené v simulátoru podle parametr· uvedených v kapitole 4. Z globálního pohledu se p°i vyuºití makrovrstvy a pikovrstvy sít¥ nejeví ºádný podstatný rozdíl pro UE. Rozdíl nastává tehdy, poku¤ se UE nachází na okrajích makrobun¥k, kde je pot°eba posílit signál pomocí PeNB. Samotné PeNB by totiº bez ABS trp¥li degradací signálu v d·sledku interferencí mnohem siln¥j²ího vysíla£e eNodeB. Tyto rozdíly jsou nejlépe patrné na obrázku 5.9, kde hodnoty SINR mezi subrámci, které vyuºívají a subrámci které nevyuºívají ABS dosahují hodnot 8 aº 9 dBm. Coº odpovídá rozdílu spektrální efektivity o 4.5 bit/sec/Hz. P°i na²ich simulacích jsem také dosp¥l k záv¥ru, ºe je nezbytné dobré plánování umíst¥ní PeNB. Zjistil jsem, ºe PeNB které umístíme p°ímo na rozhraní bun¥k dokáºe obslouºit a vylep²it pom¥r SINR více uºivatel·. neº ty PeNB které kopírovaly interferen£ní rozhraní markobun¥k. Následn¥ jsem se zam¥°il na to, jak se projeví pouºití metody ABS, pokud do hetero-

55

KAPITOLA 6. ZÁVR

56

genní sít¥ p°i°adíme femtobu¬ky. Z výsledk· jsem vypozoroval, ºe v budovách rozmíst¥ných v simulátoru na rozhraní bun¥k blízko základnových stanic i jinde je patrné, jak HeNB p°ispívají k vylep²ení úrovn¥ SINR v objektech. Dosahují mnohem lep²í spektrální efektivity neº v p°ípad¥ eNodeB a PeNB, jejichº signál obtíºn¥ proniká do budov. V p°ípad¥ pouºití metod ABS dosahují HeNB °ádov¥ lep²ích výsledk· spektrální efektivity a jsou schopny obslouºit aº t°i-£tvrtiny UE v budovách (pokud se na n¥ mohou p°ipojit). Jejich nevýhodou je to, ºe budou zp·sobovat vznik mrtvých zón pro UE, které k nim nemohou mít p°ístup (CSG). V na²ich simulacích se toto £íslo pohybovalo okolo 10% u makro a piko vrstvy sít¥. Nejvíce se rozdíl projeví mezi tím, zda v síti pouºívám metodu tém¥° prázdných subrámc· projevil na okrajích bun¥k. Tomuto jevu jsem se v¥noval v kapitole 5.4. Zjistil jsme, ºe v p°ípad¥ kdy metodu ABS nevyuºíváme dochází na okraji bun¥k k takové degradaci úrovn¥ signálu, ºe ani s pouºitím PeNB nejsme schopni zajistit dostate£ný signál pro UE. Je tedy nezbytné práv¥ v takových podmínkách zajistit alespo¬ minimální úrove¬ signálu práv¥ s pouºitím ABS pro PeNB. Také jsme ukázali, ºe v p°ípad¥ vhodného rozmíst¥ní pikobun¥k lze dosáhnou toho, ºe aº £tvrtina uºivatel· pohybujících se na rozhraní se p°ipojí k PeNB. Navíc jim metoda ABS poskytne aº ²est-krát lep²í spektrální efektivitu neº pokud bychom se spoléhali pouze na vrstvu makrobun¥k. V poslední £ásti jsme se v kapitole 5.5 zabýval otázkou, jak se projeví na p°enosové rychlosti vliv r·zného rozloºení subrámc· v pásmu LTE pokud budeme, nebo nebudeme vyuºívat ABS. Ukázali jsme, ºe se vzr·stajícím po£tem p°id¥lených RB pro pikovrstvu vzr·stá i spektrální efektivita UE. Pro UE v blízkosti PeNB aº dvojnásobn¥, respektive £ty°násobn¥ v p°ípad¥, ºe pouºijeme 50%, respektive 70% v²ech dostupných RB pro uºivatele PeNB v·£i 20% vytíºení. Mnohem v¥t²í rozdíly pak lze pozorovat pro uºivatele pouºívající v budovách HeNB. Názorn¥ jsme tak ukázali, jak se zvý²í spektrální efektivita u pikobun¥k a femtobun¥k v závislosti na mnoºství pouºitých ABS. Z vý²e uvedených záv¥r· plyne, ºe v na²ich simulacích nejzásadn¥j²í rozdíly pri koordinaci mezivrstvových interferencí se projevily u femtobun¥k. V budoucí práci by bylo jist¥ velmi zajímavé blíºe studovat potla£ení interferencí u femtobun¥k v budovách a jejím t¥sném okolí. Dále hloub¥ji ukázat jaký vliv má metoda ABS na vznik mrtvých zón a jak tyto zóny budou ovliv¬ovat okolní uºivatele. Zajímavé by také bylo sledovat chování HeNB v t¥sném okolí vysíla£· eNodeB. Uv¥domíme-li si, ºe femtobu¬ky mohou být zákazníky mobilních operátor· rozmíst¥ny tém¥° kdekoli, je zde potenciál ke vzniku interferen£ních scéná°· které mohou femtobu¬ky bez ABS tém¥° "oslepit". Dal²ím zajímavým tématem by jist¥ bylo studovat studovat chování ABS pro PeNB, které pouºívají metodu zvý²ení dosahu bu¬ky pomocí pozitivního biasu. Tato metoda je známá jako Cell Range Expansion.

Literatura [1] 3GPP Technical Specication 36.931 LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access

(E-UTRA); Radio Frequency (RF) requirements for LTE Pico Node B (Release 10), Version 10.0.0, 2011, http : //www.3gpp.org/f tp/Specs/html − inf o/36931.htm [2] 3GPP Technical Specication 36.942 LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access

(E-UTRA); Radio Frequency (RF) system scenarios (Release 10), Version 10.3.0, 2012, http : //www.3gpp.org/f tp/Specs/html − inf o/36942.htm [3] 3GPP Technical Specication 36.300 Evolved Universal Terrestrial Radio Access

(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (Release 10), Version 10.8.0, 2012, On-line: http : //www.3gpp.org/f tp/Specs/html − inf o/36300.htm [4] 3GPP Technical Specication 36.814 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-

UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Further advancements for E-UTRA physical layer aspects (Release 9), Version 9.0.0, 2010, Online: http : //www.3gpp.org/f tp/Specs/html − inf o/36814.htm [5] 3GPP Technical Specication 36.214 Evolved Universal Terrestrial Radio Access

(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Physical layer; Measurements (Release 10), Version 10.1.0, 2011, On-line: http : //www.3gpp.org/f tp/Specs/html − inf o/36214.htm [6] 3GPP Technical Specication 25.892 Feasibility Study for Orthogonal Frequency Division

Multiplexing (OFDM) for UTRAN enhancement (Release 6), Version 6.0.0, 2004,On-line: http : //www.3gpp.org/f tp/Specs/html − inf o/25892.htm [7] 3GPP Technical Specication 36.913 LTE; Requirements for further advancements for

Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)(LTE-Advanced) (Release 10), Version 10.0.0, 2011,On-line: http : //www.3gpp.org/f tp/Specs/html − inf o/36913.htm

57

LITERATURA

58

[8] 3GPP Technical Specication Group RAN WG1, Relay RSRP Reporting Range # 3, Technical Report R4-102610. 28 June 2010. [9] 3GPP Technical Specication Group RAN WG1, Relay RSRQ Reporting Range # 47bis, Technical Report R4-081419. 16 June 2008. [10] 3GPP Technical Specication Group RAN WG1, LS on LTE performance verication

work, Technical Report R4-0072580. 11 May 2007. [11] ITU-R Document IMT-ADV/1-E BACKGROUND ON IMT-ADVANCED, 7 March 2008,On-line: http : //www.itu.int/md/R07 − IM T.ADV − C − 0001/en [12] KRATOCHVÍL, Luká². Femtobu¬ky pro mobilní sít¥ Long Term Evolution. Praha, 2010. Bakalá°ská práce. VUT v Praze, FEL, Katedra Elektromagnetického pole. Vedoucí práce Ing. Jaroslav Holi², Ph.D. [13] Lopez-Perez D.; Guvenc I.; de la Roche, G.; Kountouris, M.; Quek, T.Q.S.; Jie Zhang

Enhanced intercell interference coordination challenges in heterogeneous networks. IEEE Wireless Communications magazine, Volume: 18, Issue: 3, 2010. [14] S. Sesia, I. Touk and M. Baker LTE - The UMTS Long Term Evolution: From Theory

to Practice. 2. vyd. John Wiley & Sons Ltd., 2011. ISBN 978-0-470-66025-6. [15] Parkvall S.; Dahlman E.; Furuskär A.; Jading Y.; Olsson M.; Wänstedt S. Zangi K.

LTE-Advanced Evolving LTE towards IMT-Advanced. Ericsson Research. IEEE 68th Vehicular Technology Conference, 2008. Strana 15. [16] Erik Dahlman, Stefan Parkvall a Johan Sköld. 4G: LTE/LTE-Advanced for Mobile

Broadband . 1. vyd. Academic Press, 21 Mar 2011. ISBN 978-0-123-85489-6. 456 stran. [17] Yong Soo Cho, Jaekwon Kim, Won Young Yang a Chung G. Kang. MIMO-OFDM

Wireless Communications with MATLAB. 1. vyd. Wiley-IEEE Press, íjen 2010. ISBN 978-0-470-82561-7. 431 stran. [18] Agilent Technologies, Inc. 3GPP Long Ther Evolution: System Overview, Product De-

velopment,and Test Challenges, 8 September 2009, 5989-8139EN. [19] Alexandra Oborina, Martti Moisio a Visa Koivunen, Performance of Mobile MIMO

OFDM Systems With Application to UTRAN LTE Downlink. IEEE Transaction on wireless comunications, Vol. 11, No. 8, August 2012. [20] Lars Lindbom, Robert Love, Sandeep Krishnamurthy, Chunhai Yao, Nobuhiko Miki a Vikram Chandrasekhar, Enhanced Inter-cell Interference Coordination for Heterogeneous

LITERATURA

59

Networks in LTE-Advanced: A Survey. Cornell University Library, 6 December 2011, Online: http : //arxiv.org/abs/1112.1344. [21] Adnan Basir, ICIC and eICIC, 11 June 2008, On-line: http : //4g − lte −

world.blogspot.cz/2012/06/icic − and − eicic.html [22] JDS Uniphase Corporation, LTE PHY Layer Measurement Guide, 2011, On-line: http :

//www.jdsu.com/P roductLiterature/LT E _P HY _Layer_M easurement_Guide.pdf [23] Fernando Pérez Fontán, Perfecto Mariño Espiñeira. Modelling the Wireless Propagation

Channel: A simulation approach with Matlab. 1. vyd. John Wiley & Sons Ltd., Srpen 2008. ISBN 978-0-470-72785-0. [24] Branka Vucetic, Jinhong Yuan. Space-Time Coding. 1. vyd. John Wiley & Sons Ltd., Duben 2003. ISBN 978-0-470-84757-2. [25] Markus Rupp, Sebastian Caban, Christian Mehlfuhrer, Martin Wrulich. Evaluation of

HSDPA and LTE: From Testbed Measurements to System Level Performance, 1. vyd. John Wiley & Sons Ltd., Prosinec 2011. ISBN: 978-0-470-71192-7.

Koncepce mobilních sítí tvrté generace (LTE) v heterogenním uspo ádání

Recommend Documents