Krzysztof Syroczyński,
Arkadiusz Wiśniewski,
Piotr Zwierzykowski,
Politechnika Poznańska,
Wydział Elektroniki i Telekomunikacji,
ul. Piotrowo 3A, 60-965 Poznań,
E-mail: pzwierz@et.put.poznan.pl
BADANIA SYMULACYJNE INTERFEJSU RADIOWEGO WCDMA
DLA ŁĄCZA „W GÓRĘ” I „W DÓŁ”
Streszczenie: W sieciach bezprzewodowych
korzy-stających z interfejsu radiowego WCDMA, funk-cja sterowania przyjmowaniem nowych zgłoszeń podejmuje decyzję o rozpoczęciu obsługi nowego zgłoszenie, lub o odrzuceniu zgłoszenia, w zależ-ności od aktualnego obciążenia zasobów komórki dostępowej oraz komórek sąsiednich. Nowe zgło-szenie jest odrzucane, jeśli poziom obciążenia ko-mórki założony na etapie projektowym zostanie przekroczony. W artykule przedstawiono model symulacyjny umożliwiający ocenę charakterystyk ruchowych takiego systemu z uwzględnieniem po-łączeń „w górę” i „w dół”.
1. Wprowadzenie
Uniwersalny system telekomunikacji ruchomej UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunication System) wykorzystujący interfejs radiowy WCDMA (ang. Wideband Code Division Multiple Access) to je-den ze standardów zaproponowanych dla telefonii ko-mórkowej trzeciej generacji (3G). Standard ten został przyjęty w Europie oraz niektórych krajach azjatyc-kich.
Szacowanie pojemności interfejsu radiowego WCDMA, ze względu na możliwość alokacji zaso-bów dla różnych klas ruchu złożone. Ponadto, wszy-scy użytkownicy obsługiwani przez daną komórkę ko-rzystają z tego samego kanału częstotliwościowego, a rozróżnienie transmitowanych przez nich sygnałów jest możliwe tylko i wyłącznie dzięki stosowaniu or-togonalnych kodów [1]. Jednak ze względu na zjawi-sko wielodrogowości zachodzące w kanale radiowym nie wszystkie transmitowane sygnały są względem sie-bie ortogonalne, a tym samym odsie-bierane są przez użytkowników systemu jako interferencje w istotny sposób wpływające na pojemność systemu. Dodatko-wo, wzrost interferencji powodowany jest także przez użytkowników obsługiwanych przez inne komórki sys-temu wykorzystujące ten sam kanał częstotliwościo-wy, a także przez użytkowników korzystających z są-siednich kanałów radiowych (interferencje sąsiednio-kanałowe). W celu zapewnienia odpowiedniego po-ziom usług sieci UMTS konieczne jest ograniczanie interferencji poprzez zmniejszanie liczby aktywnych użytkowników lub alokowanych przez nich zasobów. Szacuje się, że maksymalne wykorzystanie zasobów
interfejsu radiowego, bez obniżenia jakości usług bę-dzie wynosiło około 50 - 80% [3].
Tematem artykułu jest przedstawienie wyników badań symulacyjnych łącza „w górę” i „w dół” dla sys-temu komórkowego z interfejsem radiowym WCDMA. Badania zostały przeprowadzone w oparciu o znane metody symulacji systemów ze skończoną i nieskoń-czoną liczbą źródeł ruchu oferowanych wiązce peł-nodostępnej [5, 6]. Prezentowana metoda badań sy-mulacyjnych może zostać wykorzystana do oszacowa-nia pojemności sieci 3G na etapie jej projektowaoszacowa-nia i, dzięki uwzględnieniu zarówno skończonej jak nie-skończonej liczby użytkowników, może się przyczynić do ograniczenia kosztów budowy infrastruktury sie-ciowej.
Artykuł podzielono na 5 rozdziałów. W rozdziale 2 przedstawiono podstawowe zależności opisujące ob-ciążenie łącza radiowego „w górę” dla interfejsu radio-wego WCDMA. Rozdział 3 prezentuje model symu-lowanego systemu i zastosowany algorytm symulacji. Wyniki symulacji dla systemu składającego się z sied-miu komórek przedstawiono w rozdziale 4. Rozdział 5 zawiera podsumowanie.
2. Obciążenie interfejsu radiowego WCDMA dla łącza „w górę”
Interfejs radiowy WCDMA umożliwia uzyskiwa-nie dużych przepływności. Jednocześuzyskiwa-nie jego pojem-ność jest ograniczona dopuszczalnym poziomem mocy interferencji w kanale częstotliwościowym. W każdym systemie komórkowym z rozpraszaniem widma sygna-łów pojemność interfejsu radiowego jest ograniczona na skutek występowania kilku typów zakłóceń [2]:
• wspólnokanałowych interferencji własnych komórki
- pochodzących od współużytkowników kanału czę-stotliwościowego z obszaru danej komórki,
• wspólnokanałowych interferencji zewnętrznych
ko-mórki - pochodzących od współużytkowników kanału częstotliwościowego z obszaru komórek sąsiednich,
• interferencji sąsiedniokanałowych - pochodzących z
sąsiednich kanałów częstotliwościowych tego samego operatora lub innych operatorów telefonii komórko-wej,
• wszelkich zakłóceń i interferencji pochodzących z
2006
Poznańskie Warsztaty TelekomunikacyjneTabela. 1. Przykładowe wartości Eb/N0, νj i Lj dla różnych klas ruchu i współczynnika obciążenia
Klasa usług (j) Rozmowa Wideotelefonia Dane Dane
W [Mchip/s] 3.84
Rj [kb/s] 12.2 64 144 384
νj 0.67 1 1 1
(Eb/N0)j [db] 4 2 1.5 1
Lj 0.0053 0.0257 0.0503 0.1118
innych systemów i źródeł, zarówno szerokopasmo-wych jak i wąskopasmoszerokopasmo-wych.
W interfejsie radiowym WCDMA prawidłowy odbiór sygnału w odbiorniku jest możliwy tylko wów-czas, gdy stosunek energii przypadającej na jeden bit Eb do gęstości widmowej szumu N0 jest odpowiedni
[4]. Zbyt mała wartość Eb/N0 spowoduje, że
odbior-nik nie będzie mógł zdekodować odebranego sygnału, natomiast zbyt duża wartość energii przypadającej na jeden bit w stosunku do szumów będzie postrzegana jako zakłócenie dla innych użytkowników tego samego kanału radiowego. Stosunek Eb/N0 dla j -tego
użyt-kownika można zapisać w postaci następującej zależ-ności [3]: µ Eb N0 ¶ j = W νjRj Pj Itotal− Pj , (1)
gdzie: Pj – moc odbierana przez użytkownika klasy
j , W – prędkość czipowa sygnału rozpraszającego, vj – współczynnik aktywności użytkownika klasy j,
Rj– prędkość bitowa sygnału danych dla użytkownika
klasy j , Itotal – całkowita moc odbieranego sygnału
w stacji bazowej z uwzględnieniem szumu termiczne-go. Zatem średnią moc sygnału użytkownika klasy j można wyrazić zależnością:
Pj= LjItotal, (2)
gdzie Ljjest współczynnikiem obciążenia wnoszonym
przez użytkownika klasy j: Lj = Ã 1 + W (Eb N0)jRjνj !−1 . (3)
Tabela 1 przedstawia przykładowe wartości Eb/N0
dla różnych klas ruchu i odpowiadające im wartości współczynnika obciążenia Lj.
Na podstawie znanych współczynników obciąże-nia pojedynczych użytkowników Lj, można określić
całkowite obciążenie dla łącza „w górę”: ηU L =
XM
j=1NjLj, (4)
gdzie M jest liczbą klas ruchu (usług), a Njjest liczbą
abonentów klasy j. Powyższa zależność jest prawdzi-wa dla systemu składającego się z pojedynczej mórki. W rzeczywistości należy uwzględnić wiele ko-mórek, w których generowany ruch wpływa na pojem-ność interfejsu radiowego innych komórek. Tak więc, wzór (4) powinien zostać uzupełniony o element, któ-ry uwzględnia interferencje pochodzące od innych ko-mórek. W tym celu wprowadzona zostaje zmienna i,
która jest definiowana jako stosunek interferencji od innych komórek do interferencji własnych komórki: ηU L= (1 + i)
XM
j=1NjLj. (5)
Wraz ze wzrostem obciążenia łącza radiowego wzra-sta poziom szumu generowanego w systemie. Wzrost szumu definiowany jest następująco:
∆nr= Itotal/PN = (1 − ηU L)−1, (6)
gdzie PN jest szumem termicznym.
Gdy obciążenie łącza „w górę” zbliża się do jedności, to odpowiadający mu wzrost szumu dąży do nieskoń-czoności. Z tego względu przyjmuje się, że maksymal-ne wykorzystanie zasobów interfejsu radiowego, bez obniżania jakości usług, będzie wynosiło 50 - 80 % teoretycznej pojemności [4].
Zależność dla łącza „w górę” jest podobna do równania (5), ale w tym wypadku konieczne jest uwzględnienie parametru ortogonalności αj, w celu
uwzględnienia wpływu kodów OVSF (Orthogonal Va-riable Spreading Factor). Kody WCDMA OVSF są wykorzystywane do oddzielenie kanałów transmisyj-nych pojedynczej stacji bazowej. Tak więc, obciąże-nie łącza „w dół” może być wyznaczone na podstawie następującej zależności [3]:
ηDL= (1 − αj+ i)
XM
j=1NjLj. (7)
Zazwyczaj, współczynnik ortogonalności przyjmuje wartości z przedziału od 0.4 do 0.9 [3].
3. Model systemu
Przed zestawieniem nowego połączenia w inter-fejsie radiowym WCDMA system sterowania dostę-pem (ang. Admission Control) dokonuje sprawdzenia, czy nowe połączenie nie spowoduje obniżenia jako-ści lub zerwania istniejących połączeń. Funkcja kon-troli dostępu jest realizowana przez kontroler stacji bazowych RNC (ang. Radio Network Controller ), w którym gromadzone są informacje dotyczące obciążeń podłączonych do kontrolera komórek [3]. System kon-troli dostępu szacuje wzrost obciążenia łącza radiowe-go jakie spowoduje nowe zgłoszenie, zarówno dla ko-mórki dostępowej, jak i dla sąsiednich komórek. Nowe zgłoszenie zostaje odrzucone wówczas, gdy przewidy-wany wzrost obciążenia przekroczy progi określone na etapie projektowania radiowego [4].
A. Symulacja łącza „w górę”
W badaniach przyjęto model systemu złożonego z siedmiu komórek z antenami dookólnymi (Fig. 1a).
' j L j L p L ' j L ' j L ' p L ' p L ' j L ' j L ' j L ' p L
Rys. 1. Model systemu
W celu oszacowania czy nowe zgłoszenie klasy j może zostać zaakceptowane w systemie, wykorzystuje się wartość obciążenia Lj, generowanego przez to
zgło-szenie. Założono również, że zgłoszenie generujące ob-ciążenie Lj w komórce dostępowej, generuje
dodatko-we obciążenie w komórkach sąsiednich oznaczone L0j
(L0j ≤ Lj). Z uwagi na założenie, że każda komórka
systemu może być komórką dostępową, ruch w sys-temie w każdej komórce zmienia się w sposób ciągły zgodnie z globalnym zegarem wyznaczającym aktual-ny czas w systemie.
Na podstawie wartości parametrów Lj
przedsta-wionych w tabeli 1 przyjęto, ze PJP jest równe 0, 0001 całkowitego współczynnika obciążenia łącza. W za-modelowanym systemie w momencie żądania obsłu-gi przez nowe zgłoszenie następuje sprawdzenie, czy obciążenie wnoszone przez nowe zgłoszenie nie spo-woduje przekroczenia granicznej wartości pojemności łącza zarówno w komórce, w której pojawiło się żąda-nie, jak i w komórkach sąsiednich. W przypadku bra-ku zasobów do obsługi zgłoszenia jest ono tracone, w przeciwnym razie następuje realizacja zgłoszenia z za-pewnieniem odpowiednich parametrów jakościowych.
B. Efekt interferencji międzykomórkowej Uwzględnienie modelu tłumienia Okumury-Haty przy wyznaczaniu obciążenia wprowadzanego do ko-mórek sąsiednich nałożyło konieczność precyzyjnego wyznaczania współrzędnych kaźdego zgłoszenia za-równo w odniesieniu do komórki dostępowej jak i całe-go systemu. Do przeanalizowania sposobu wyznacza-nia współrzędnych zgłoszewyznacza-nia żądającego obsługi wy-korzystany zostanie rysunek 2 przedstawiający geo-metryczny aspekt rozwiązania. W oparciu o przedsta-wiony schemat dokonano wyznaczenia współrzędnych każdego zgłoszenia, korzystając z odpowiednich me-tod analitycznych. W pierwszej kolejności losowany jest promień pierścienia, na którym będzie znajdowa-ło się nowe zgznajdowa-łoszenie z przedziału (0, R). Kolejnym etapem jest wyznaczenie współczynnika kierunkowe-go a prostej y = ax. Do tekierunkowe-go celu posłużono się losowo wyznaczonym kątem nachylenia α prostej do osi OX oraz równaniem:
a = tg α (8)
gdzie: a - współczynnik kierunkowy prostej y = ax, α - kąt nachylenia prostej do osi OX. Na podstawie wylosowanego promienia, na którym pojawi się nowe zgłoszenie oraz znając położenie prostej y = ax prze-cinającej ten pierścień w dwóch punktach wyznaczo-no współrzędne tych punktów, rozwiązując uprzednio odpowiedni układ równań. W celu określenia, który z otrzymanych punktów będzie właściwym dla nowe-go zgłoszenia zastosowano generator liczb pseudoloso-wych. Znając współrzędne zgłoszenia w komórce do-stępowej dokonano wyznaczenia odległości od nowego zgłoszenia do wszystkich sąsiednich stacji bazowych. Za początek układu współrzędnych przyjęto zawsze środek komórki, w której inicjowane jest połączenie, następnie po wykorzystaniu zależności matematycz-nej określającej odległość dwóch punktów na płasz-czyźnie wyznaczono właściwe odległości.
C. Symulacja łącza „w dół”
W czasie symulacji łącza „w dół”, każda spośród siedmiu komórek rozważana jest oddzielanie. Zakła-damy, że jedynym obciążeniem łącza jest ruch wno-szony do komórki przez zgłoszenia poszczególnych klas ruchu (Lj). Założenie takie wynika z
synchro-nicznej transmisji w łączu „w dół” z użyciem ortogo-nalnych kodów OVSF. Możliwe interferencje dla łącza „w dół” i moc wykorzystywana przez Common Pilot Channel (około 10% całkowitej mocy stacji bazowej) jest brana pod uwagę w maksymalne pojemności sys-temu, która jest wykorzystywana w symulacji [4]. Na tym etapie rozwoju symulatora nie rozważa się jeszcze zjawiska „miękkiego przełączania”.
4. Wyniki badań
Badania zostały przeprowadzone dla użytkowni-ków żądających zbioru usług (tabela 1). Przyjęto na-stępujące założenia:
• zgłoszenie poszczególnej klasy żąda L1 = 53, L2 =
257, L3= 503 i L4= 1118 PJP,
• usługi, żądane są w określonych proporcjach (a1L1:
a2L2: a3L3: a4L4= 1 : 1 : 1 : 1),
• maksymalna teoretyczna pojemność dla łącza „w
górę” wynosi 10000 PJP,
• maksymalne dopuszczalne obciążenie łącza w górę
ηU L, wynosi 80% maksymalnej teoretycznej
pojemno-ści (zakłada się V = 8000 PJP dla każdej komórki),
• maksymalne dopuszczalne obciążenia dla łącza „w
dół” ηDL, wynosi 60% teoretycznej pojemności.
Rysunki 3 i 4 przedstawiają średnią wartość prawdopodobieństwa blokady nowych zgłoszeń róż-nych klas ruchu jako funkcję natężenia ruchu na jed-nostkę pasma w systemie.
Komórka modelu Wyliczona współrzędna Wylosowany kąt Wylosowany promień
1,E-04 1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00 0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55 nat
enie ruchu na jednostk pasma
p ra w d o p o d o b ie st w o b lo k a d y (a) R = 300 1,E-04 1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00 0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55 nat
enie ruch na jednostk pasma
p ra w d o p o d b ie st w o b lo k a d y (b) R = 1500
Rys. 3. Prawdopodobieństwo blokady dla skończonej i nieskończonej liczby źródeł ruchu dla 2 klas ruchu Na rysunkach 3 i 4 przyjęto następujące oznaczenia: ♦♦♦ - dane 1118 PJP, ¤¤¤ - dane 503 PJP, MMM - wideotelefo-nia i ◦◦◦ - mowa), przy czym symbole wypełnione ozna-czają wartości uzyskane dla skończonej liczby źródeł ruchu. Rysunki 3(a) i 3(b) prezentują prawdopodo-bieństwa blokady dla dwóch klas ruchu dla skończo-nej (S/N = 2) i nieskończoskończo-nej liczby źródeł ruchu w przypadku komórek o promieniu 300 i 1500 metrów. Podobne zależności dla 4 klas ruchu przedstawiono na rysunkach 4(a) i 4(b).
Porównując wyniki przedstawione na rysunkach 3 i 4 można zauważyć dwie ważne zależności:
• zwiększenie odległości pomiędzy stacjami
bazowy-mi (zwiększenie R) powoduje zmniejszenie prawdopo-dobieństwa blokady,
• wzrost liczby użytkowników tej samej usługi przy
tym samym odciążeniu systemu powoduje większe prawdopodobieństwo blokady.
Wyniki symulacji pokazane na wykresach w po-staci symboli dla każdego punktu wyznaczono 95% przedział ufności zgodnie z rozkładem t-Studenta . Przedział ten jest jednak tak mały, że umieszczony na wykresie znajdowałby się w większości przypad-ków wewnątrz symboli.
5. Podsumowanie
W artykule przedstawiono czasową metodę sy-mulacji systemów z interfejsem radiowym WCDMA. W symulacji dla łącza w górę założono, że zgłoszenie generujące obciążenie Lj w komórce dostępowej,
ge-neruje odpowiednio mniejsze obciążenie w komórkach
1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00 0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55 nat
enie ruchu na jednostk pasma
p ra w d o p o d o b ie st w o b lo k a d y (a) R = 300 1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00 0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55 nat
enie ruch na jednostk pasma
p ra w d o p o d b ie st w o b lo k a d y (b) R = 1500
Rys. 4. Prawdopodobieństwo blokady dla skończonej i nieskończonej liczby źródeł ruchu dla 4 klas ruchu sąsiednich (L0j < Lj). Obciążenie wnoszone do
komó-rek sąsiednich jest zależne od tłumienia sygnału od abonenta do komórki zakłócanej zgodnie z modelem propagacyjnym Okumura-Hata. Natomiast dla łącza w dół przyjęto, że obciążenie wnoszone jest do syste-mu tylko przez abonentów obsługiwanych przez daną komórkę.
Proponowana metoda symulacji może być wy-korzystana do oszacowania pojemności sieci 3G pod-czas prac projektowych i optymalizacyjnych i, dzięki uwzględnieniu liczby abonentów obsługiwanych przez system, może się przyczynić do optymalnego wyko-rzystania środków przeznaczonych na budowę infra-struktury sieciowej.
SPIS LITERATURY
[1] S. Faruque. Cellular Mobile Systems Engineering. Artech House, 1996.
[2] S. Gajewski and M. Kopciuszuk. Wpływ interferencji mię-dzysystemowych na pojemność interfejsu radiowego WCD-MA/FDD. Krajowa Konferecja Radiofonii, Radiokomuni-kacji i Telewizji, 2002.
[3] H. Holma and A. Toskala. WCDMA for UMTS. Radio Ac-cess For Third Generation Mobile Communications. John Wiley & Sons, Ltd., 2000.
[4] J. Laiho, A. Wacker, and T. Novosad. Radio Network Plan-ning and Optimization for UMTS. John Wiley & Sons, Ltd., 2002.
[5] D. Staehle and A. Mader. An analytic approximation of the uplink capacity in umts network with heterogeneous traffic. Technical Report 310, University of Wurzburg, May 2003. [6] M. Stasiak and P. Zwierzykowski. Analytical model of ATM
node with multicast switching. In Proceedings of 9th Me-diterranean Electrotechnical Conference, volume 2, pages 683–687, Tel-Aviv, Israel, May 1998.
