S-38.116 Teletietotekniikka
Jaakko Tiainen
36354J
jtiainen@cc.hut.fi
1. Lyhenne- ja termiluettelo 2. Johdanto 3. GSM-verkon suunnitteluprosessi 3.1 Verkon mitoitus 3.2 Peittoalueen suunnittelu 3.3 Kapasiteetin suunnittelu 3.4 Taajuussuunnitelu 3.5 Parametrien suunnittelu 3.6 GSM-verkkosuunnitelma 4. Yhteenveto 5. Kijallisuusviitteet
GSM Global System for Mobile communications
BSS Base Station Subsystem
TRX TRansceiver
Tämän dokumentin tarkoitus on antaa yleiskuva GSM-verkon suunnittelusta. Joiltakin osin tätä esitystä voidaan soveltaa minkä tahansa radioverkon suunnitteluun riippumatta systeemistä.
Verkkosuunnittelu on optimointiprosessi, joka tarvitsee tietoa verkon elementeistä, systeemin ominaisuuksista, suunnitteluympäristöstä, palvelualueen topografiasta, liikenteen jakaumasta ja arvioidusta tilaajamäärän kasvusta.
Verkkosuunnittelussa eri alueilla on erinlaiset päämäärät. Maaseudulla pyritään saamaan aikaan laaja peittoalue suurilla lähetytehoilla ja korkekeill antennikorkeuksilla. Kaupunkialueella pyritään saamaan aikaan korkea kapasiteetti pienillä soluilla käytttäen matalia lähetystehoja ja alhaisia antennikorkeuksia.
Tässä dokumentissa keskitytään lähinnä radioverkon suunnitteluun, mutta siirtoverkon suunnittelu on myös olennainen osa GSM-verkkosuunnittelua.
3. GSM-verkon suunnitteluprosessi
Verkkosuunnittelun tarkoitus on saavuttaa haluttu peittoalue, maksimoida verkon kapasiteetti käytössä olevalla taajuuskaistalla, täyttää palvelun laadulle annetut vaatimukset ja minimoida verkon kustannukset.
Suunnitteluprosessi voidaan jakaa seuraaviin päävaiheisiin:
· verkon mitoitus
· peittoalueen suunnittelu
· kapasiteetin suunnittelu
· taajuussuunnittelu
· parametrien suunnittelu
kuva 1, Suunnitteluprosessi.
3.1 Verkon mitoitus
Verkon mitoitus (Network Dimensioning) on tavallisesti ensimmäinen vaihe
GSM-verkon suunnittelussa. Tämän vaiheen päätarkoitus on
antaa yleiskuva verkosta. Tarkoitus on arvioida
välttämättömät laitevaatimukset, joilla saavutetaan
vaaditut kapasiteetti-, peitto- ja laatuvaatimukset. Vaatimuksissa on otettava
huomioon arvioitu tilaajamäärän kasvu. Verkon koon
määrittäminen on perusta kaikille muille suunnitteluvaiheille.
Verkon mitoituksen toiminteet ovat tukiasemien paikkojen ja sulujen määrän arviointi, keskimääräisten solukokojen laskeminen, teho budjettin laskeminen ja alustava arvaus taajuuksien uudelleen käytöstä.
Jotta voidaan taata hyvä palvelun laatu kummassakin suunnassa (uplink ja downlink), tukiaseman ja matkavietimen tehot täytyy tasapainnottaa solun rajalla eli lasketaan tehobudjetti. Solukoko lasketaan yleensä yksinkertaisilla etenemismalleilla (Okumura-Hata, Juul-Nyholm, Walfish-Ikegami). Koska muutamat vaiheet ovat sekä teho budjetin ja solukoon laskemisessa samanlaisia, tehdään nämä laskennat yleensä samaan aikaan.
Soluverkko voidaan ajatella muodostuvan kuusikulmioista, jotka moudostavat säännöllisen verkon. Tälläistä verkoa voidaan käyttä apuna arvioitaessa taajuuksien uudelleen käyttöä.
Verkon mitoituksen syötteet:
· tilaajien lukumäärä
· liikenne tilaajaa kohden
· tilaajamäärän kasvuennuste
· suunniteltu peittoalue
· taajuuskaista
· sallittu kutsuesto
· aluetyypit
· sisäpeitto
· ym.
Verkon mitoittaminen voidaan aloitaa, kun tiedetään kuusi ensinmäistä syötettä. Normaalisti nämä saadaan operaatorilta, mutta joitakin oletusarvoja voidaan myös käyttää.
Verkon mitoitusvaiheen aikana myös tehdään alustava arvio siirtoverkosta. Siirtoverkko moudostuu siirtolaiteista ja siirtoteistä.
Verkon mitoitusvaiheen tuloksena saadaan alustava kuvaus verkosta. Tämä sisältää karkean arvion tarvittavista laitteista, ja alustavat peittoalue- ja taajuussuunnitelmat. Tämän pohjalta voidaan myös arvioida verkon kustannukset. Verkon mitoituksen jälkeen voidaan aloittaa tarkemmat taloussuunnitelmat ja tukiasemien ja antennien paikkojen hankinta.
Peittoaluesuunnittelun tarkoitus on täyttää peittoaluevaatimukset. Peittoaluevaatimus määritellään siten, että kentänvoimakkuuden tulee ylittää annettu raja-arvo riitävän monessa paikassa tietyllä alueella (esim. 90% alueesta).
Peittoaluesuunnitelussa käytetään apuna suunnitteluohjelmistoja, jotka perustuvat digitaalisen kartan käyttöön. Suunnittelussa pyritään ennustamaan kentänvoimakuus radioaallon etenemismallijen avulla. Digitaalinen kartta sisältää tietoa topografiasta, aluetyypeistä, teistä, rakennuksista, ja teleliikenteen tiheydestä. Kartta esitetään yleensä rasterimoudossa (tiet esitetään vektoreina). Suunnitelman tarkkuus on riippuvainen kartan tarkkuudesta (riittävä tarkuus on 5 - 25 m).
Lp = A + B * lg(Fc) - 13.82 * lg(Hb) - a(Hm) + [44.9 - 6.55 * lg(Hb)] * lg(R)Lp = path loss
Fc = frequency [Mhz]
Hb = BS effective antenna height [m], range 30-200
Hm = MS antenna height [m], range 1-10
R = distance [km], range 1-20
a(Hm) = correction factor for MS antenna height; for small city
A = 69.55, 150...1000 Mhz
46.3, 1500...2000 Mhz
B = 26.16, 150...1000 Mhz
33.9 1500...2000 Mhz
Kuva 2, Okumura-Hata kaava.
Etenemismallin valinta vaikuttaa paljon saatuun peittoalue-ennusteeseen. Mikään yksi malli ei anna tarpeeksi hyvää tulosta kaikissa etenemisypäristöissä. Tästä johtuen suunnitelmassa käytetään useampia eri malleja ymppäristön mukaan. Perusetenemismallit on johdettu mittaustuloksista ja niitä voidaan säätää erinlaisten parametrien avulla ympäristöön sopivaksi, katso kuva 2. Tälläiset mallit ennustavat vain kesimääräisen kentän voimakkuuden, mutta eivät nopeita vaihteluja tämän keskimääräisen tason ympärillä. Tämä vaihtelu otetaan yleensä huomioon ylimääräisenä vaimennus parametrina (fading margins). Pienissä eli mikrosoluissa käytetään determistisiä malleja, jotka ottavat paremmin huomioon ypäröivät rakennukset ja ympäristön ominaisuudet.
Mittaustuloksia käytetään etenemismallien säätöön ja niiden tarkistamiseksi. Peittoaluesuunnitelma voi perustua pelkästään mittauksiin, jos ennusteet ovat hunoja tietyllä alueella.
Kapasiteettisuunnitelman tarkoitus taata verkon kyky käsitellä teleliikenteen aihettama kuorma. Tarkoitus on laskea tarvittava taajuuksien määrä (montako TRX:ää tarvitaan) jokaisessa solussa.
Taajuuksien maksimi määrä sulua kohden saadaan taajuskaistasta ja taajuuksien udelleenkäyttö mallista. Solun kapasiteetti voidaan laskea annetusta kutsuestosta ja liikennekanavien määrästä käyttäen Erlang-B kaavaa tai taulokkoa. Systeemin kapasiteetti saadaan laskemalla yhteen kaikkien solujen kapasitetti.
Kapasiteettisuunnitelman tuloksena saadaan taajuuksien lukumäärä soluakohden. Tämä on perusta taajuussuunnittelulle ja siirtoverkon suunnittelulle.
Taajussuunnittelun tarkoitus on lisätä taajuskaistan tehokasta käyttöä siten, että häiriöt verkossa pysyvät tietyn tason alapuolella. Verkon määritysvaiheen taajuussuunnitelma tarkennetaan peittoalue- ja kapasiteettisuunnitelman avulla.
Suunniteluprosessi perustuu verkon häiriöanalyysiin. Häiriöanalyysissä lasketaan C/I-suhde (Carrier-to-Interference), eli verrataan palvelevan kanavan ja häiritsevän kanavan kentänvoimakkuuksin suhdetta. Häiriöalueet sadaan peittoaluesuunnitelmasta. Häiriösuhteelle on määtitelty tietyt minimi arvot (GSM Rec. 05.05):
· cochannel interference 9 dB
· adjacent channel interference 9 dB
Soluille voidaan määritellä tiettyjä kanavanerotusvaatimuksia, esim. johtuen kompinaattorin rajoituksista tai halutaan yksinkertaistaa häriöanlyysiä viereisille kanaville (adjacent channels). Häriöanalyysin tuloksena saadaan häriömatriisi.
Taajuksien määrittäminen soluille on monimutkainen tehtävä (NP-täydellinen), jos halutaan täyttää kaikki vaatimukset. Tästä johtuen yleensä käytettään heuristisia algoritmeja, ,jotta laskenta ajat pysyisivät järkevinä.
Häriömatriisin avullla lasketaan separaatiomatriisi, joka sisältää kanavaien erotusvaatimukset jokaisella soluparille. Jos algoritmi ei tuota hyväksyttävää tulosta (häiriövaatimukset, taajuuskaista), taajuuksien määrittäminen voidaan tehdä iteratiivisesti (jokaisella uudella kieroksella löyhennetään vaatimuksia).
Jos taajuuksia ei pystytä jakamaan siten, että häiriöt pysyisivät järkevällä tasolla, joudutaan ehkä korjaamaan vekkosuunnitelmaan (suunnata antenneja paremmin, vähentää lähetystehoja, hankkia lisää taajuuskaistaa tai poistaa eniten häiritsevä solu). Jos muutokset ovat suurehkoja, joudutaan ehkä palamaan takaisin peittoaluesuunnitteluun.
Tämän vaiheen tarkoitus on optimoida verkon tehokkuus sopivilla tukiasemajärjestelmän (BSS) parametriella. Nämä ovat karkeasti yleiset, handover- ja tehon ohjaus, ja naapurisolu parametrit.
Parametrisuunnitelu aloitetaan yleensä oletusparametriesta. Parametreja voidaan säätää mittaustulesten perusteella, jotka on saatu todellisesta ympäristöstä käyttäen tetsilähettimiä. Parametrien säädössä testataan yhteyden laatua, puhelunojauksen hallintaa ja hadover- ja tehon ojausta. Myös jo olemassaolevan verkon tietoja ylläpito- ja hallintakeskukseta (OMC) voidaan käyttää hyväksi.
Systeemisimulaatori on myös hyvä aputyökalu parametrien säätöön. Etenkin silloin, kun testataan uuden systeemin tai ominaisuuden vaikutusta verkon tehokkuuteen.
Verkkosuunnitelma prosessin tuloksena saadaan:
· lista tukiasema paikoista ja verkkoelementiestä
· peittoaluemittaukset ja -ennusteet
· taajuussuunnitelma ja häiriöanalyysi
· kapasiteettilaskelmat
· BSS-paramerisuunnitelma
· siirtoverkon suunnitelma
Verkkosuunnittelu on optimointi prosessi, jossa pyritään täyttämään tietyt vaatimukset minimaalisin kustannuksin. Suunniteluprosessi käsittää karkean verkon mitoituksen, peittoaluesuunnitelun, kapasiteettisuunnitelun, tajuussuunnitelun ja GSM-parametrien suunnitelun.
Verkkosuunnitelu on jatkuva prosessi, jossa pyritään minimoimaan kustannukset ja ennustamaan tulevakehitys (uudet systeemit, tilaajien määrän kehitys).
[1] Network planning overview (NTC Celluar systems traning material)
[2] Juhani Huttunen, General radio network planning process
[3] K. Pahlavan & A. Levesque, Wireless information networks