Fırat Üniversitesi-Elazığ WCDMA HABERLEŞMESİNDE PASİF DAĞITILMIŞ ANTEN SİSTEMLERİ KULLANILARAK BİNA İÇİ HÜCRE PLANLAMA Ferhat Yumuşak 1, Aktül Kavas 1, Betül Altınok 2 1 Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Yıldız Teknik Üniversitesi ferhatyumusak@gmail.com, kavas@yildiz.edu.tr 2 Turkcell İletişim Hizmetleri A.Ş. betul.altinok@turkcell.com.tr ÖZET WCDMA haberleşme sistemlerinde bina içi kapsama, özellikle plazalar, havalimanları, otobüs ve tren terminalleri, kongre ve sergi salonları, hastaneler, oteller ve alışveriş merkezleri gibi bina içindeki kullanıcı sayılarının yoğun olduğu alanlarda büyük önem taşımaktadır. Abone sayılarının yoğun olduğu bu hücrelerde makro ağın yükünün azaltılması bina içi hücre planlamasıyla gerçekleştirilmektedir. Bu çalışmada WCDMA haberleşme sistemlerinde bina içi hücre planlaması yapılarak hücre kapsaması ve kapasite analizi gerçekleştirilmiştir. Bina içi hücre planlaması değişik konfigürasyonlarda pasif dağıtılmış anten sistemi ile modellenmiş ve benzetim sonuçları ses ve veri haberleşmesi için maksimum yüke göre hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: WCDMA, bina içi hücre planlama, WCDMA kapsama, WCDMA kapasite, dağıtılmış anten sistemleri 1. GİRİŞ Günümüzde ikinci nesil haberleşme sistemlerinin haberleşme ihtiyaçlarımızı karşılamalarına rağmen zengin içeriklerle gerçek zamanlı uygulamalarla daha yüksek hızlarda haberleşme ihtiyacını üçüncü nesil haberleşme sistemleri sağlamaktadır. Ülkemizde WCDMA standardında hizmet veren üçüncü nesil haberleşme sistemleri görüntülü konuşma, yüksek hızlarda veri haberleşmesi, mobil televizyon hizmetlerini abonelere yüksek hızlarda sunmaktadır. Abone beklentilerini karşılayabilecek veri hızlarının sağlanabilmesinde bina içi kapsamanın rolü büyüktür. Bina içi hücre planlaması yapılarak kapsamanın iyileştirilmesi, servis kalitesinin artırılması, kapasite ihtiyacının karşılanması ve yüksek veri hızlarına ulaşılabilmesi ile mevcut makro ağın yükünün azaltılması sağlanmaktadır [1], [2], [3]. Bina içi kapsama çözümleri ile baz istasyonu kapasitesi verimli olarak kullanılmakta ve maliyetler düşürülebilmektedir. Tasarlanan sistem sonraki teknolojilere uygulanabilir olduğu sürece sistemde iyileştirmeler yapılarak yeni teknolojiler ile çalışma sağlanabilmektedir. Bu çalışmada pasif dağıtılmış anten sistemleri kullanılarak WCDMA haberleşmesi için bina içi hücre planlaması yapılmıştır. Giriş bölümünün ardından dağıtılmış anten sistemleri ve pasif DAS yapısı ikinci bölümde anlatılmış, bina içi kapsama senaryosu üçüncü bölümde hesaplama parametreleriyle verilmiş ve hesaplama sonuçları dördüncü bölümde yorumlanmıştır. 2. DAĞITILMIŞ ANTEN SİSTEMLERİ (DAS) Yüksek hızlı haberleşmede bina içi kapsamanın yeterli ve sürekli olması için baz istasyonundan çıkan sinyalin kapsanacak alanda sürekli ve eşit dağılımlı olacak şekilde bina içinde dağıtılması gerekmektedir. Dağıtılmış anten sistemleri, birbirinden bağımsız antenler kullanılarak bina içi kapsamada yaygın olarak kullanılan ve en verimli çözüm sağlayan yöntemdir [1], [3]. Dağıtılmış anten sistemleri, koaksiyel kablolar, güç dağıtıcı ve güç bölücü gibi pasif elemanların kullanımı ile gerçekleştirildiğinde pasif DAS; optik fiber ve IT kabloları kullanılarak tasarlandığında aktif DAS; hem pasif hem aktif elemanların birlikte kullanılmasıyla tasarlandığında ise hibrit DAS olarak tanımlanır. DAS sistemleri tek bir operatöre hizmet verebileceği gibi, havaalanları, otobüs terminalleri ve alışveriş merkezleri gibi bina içi alanların kapsanması sırasında birden fazla operatöre de aynı anda hizmet verebilir. Yine DAS sistemleri kullanılarak aynı kapsama alanında birden fazla frekansta (GSM ve WCDMA haberleşme hizmeti gibi) hizmet verilebilmektedir. Tasarımda kullanılacak sistem seçilirken makro şebeke ile sinyal yalıtımının sağlanması, kapsamanın homojen ve sürekli olması, yukarı te en az gürültü yükü ve kayıp olacak şekilde sinyal gücü elde edilmesi, antenlerden en iyi aşağı gücünün elde edilmesi parametrelerine göre seçim yapılmalıdır. 2.1. Pasif DAS Sistemleri Pasif DAS sistemleri, mobil servisler için bina içi kapsamasında en çok kullanılan sistemlerdir. Söz konusu sistemler kullanılarak yüksek veri hızlarına ulaşmak sistemde oluşan kayıpların fazla olması dolayısıyla ancak küçük kapsama alanlarında mümkün olmaktadır. Bu sistemlerde performansa doğrudan etki eden en önemli parametre sistemde oluşan kayıpların fazlalığıdır. Bu kayıplar sonucunda verici gücü düşmekte ve WCDMA sistemindeki baz istasyonu gürültü şekli artmaktadır. Pasif DAS tasarımında önemli olan nokta sistem içerisinde yer alan her bir antene gelen sinyal için maksimum kaybın, dolayısıyla o hücre için bütçesinin doğru olarak hesaplanabilmesidir. Kayıpların hesaplanmasında tasarımı yapılan binanın yapısal özellikleri göz önünde 92
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 bulundurulmalı, koaksiyel kabloların montajı konusundaki kısıtlamalar da dikkate alınmalıdır [1], [4]. 3. BİNA İÇİ KAPSAMA SENARYOSU WCDMA 12.2 kbps ses ve 384 kbps veri haberleşmesi için pasif DAS kullanılan bina içi kapsama senaryosunda çalışma frekansımız 2100 MHz dir. Sistemin kurulacağı bina üç katlı ve yoğun ofislerin bulunduğu ortam olarak modellenmiştir. Baz istasyonu sinyal gücü birinci ve ikinci katlara birer adet güç dağıtıcısı kullanılarak iletilmektedir. Katlara iletilen güç kat içerisinde güç bölücü kullanılarak antenlere ulaşmaktadır. Katlarda kullanılan koaksiyel kablo uzunlukları 5m, güç dağıtıcılardan güç bölücülere olan uzaklık 30m, güç bölücülerden antenlere olan uzaklık 20m olarak tasarlanmıştır. Bina içi kapsamanın sağlanmasında pasif dağıtılmış anten sistemi kullanılmıştır. Sistem tek bir baz istasyonundan beslenen hücre olarak tasarlanmıştır. olarak elde edilir. Tablo 1: Farklı ortamlar için PLS katsayılar [1] Ortam türü Açık ortam, az sayıda engel Garaj, kongre merkezi Kısmen açık ortam, az-orta sayıda engel Fabrika, hava alanı, ambar Az yoğun ortam, orta-büyük sayıda engel Alışveriş merkezi, %80 kübik ve %20 beton duvarlardan oluşan ofis Kısmen yoğun ortam, ortabüyük sayıda engel %50 kübik ve %50 beton duvarlardan oluşan ofis Yoğun ortam, büyük sayıda engel Hastane, %20 kübik ve %80 beton duvarlardan oluşan ofis 900 MHz PLS 1800/2100 MHz PLS 33.7 30.1 35 32 36.1 33.1 37.6 34.8 39.4 38.1 Şekil 1: Bina içi kapsama senaryosu Maksimum hücre yarıçapı, kaybın en fazla olduğu kapsama için Şekil 1 de verilen tasarım senaryosu koşulları için hesaplanmıştır. Kayıp hesaplamalarında yol kayıp eğim modeli kullanılmıştır [1]. Yol kayıp eğim modeli (PLS) farklı ortam ve frekanslar için farklı zayıflama eğimlerinden oluşmaktadır. Genel model, bu farklı ortamlardan alınan çok büyük sayıdaki ölçüm sonuçlarının deneysel analizine dayanmaktadır. PLS, farklı ortamlardaki ölçüm sonuçlarından türetilmiştir. Ortama göre doğru PLS sabitinin kullanılması önem taşımaktadır. PLS değerlerine dayanarak model, yol kaybı[db] = serbest uzay kaybı(1m)+plsxlog(uzaklık,m) (1) şeklindedir. 1 metredeki serbest uzay kaybı 2100 MHz frekansında, PL1m = 32.44 + 20log(2100) + 20log(0.001) = 38.884dB (2) Şekil 2: PLS yoğun ofis ortamı için yol kaybı ve serbest uzay kaybı WCDMA haberleşmesinde 12.2 kbps ses ve 384 kbps veri haberleşme hizmeti için modellenen sisteme ait giriş parametreleri Tablo 2 ve Tablo 3 de verilmektedir. 93
Fırat Üniversitesi-Elazığ Tablo 2: WCDMA ses haberleşmesi (12.2 kbps) için sistem parametreleri Parametre Değer Frekans 2100 MHz Çip hızı 3.84 Mcps Bit iletim hızı 12.2 kbps Aktivite faktörü 0.5 E b /N 0 5 db 7 db Vücut kaybı - 3 db Baz istasyonu verici gücü - 33 dbm Baz istasyonu anten kazancı - 2 dbi Mobil cihaz verici gücü 21 dbm - Mobil cihaz anten kazancı 0 dbi - Gürültü şekli 5 db 8 db Girişim 3.01 db 6.02 db Hızlı sönümleme 3 db - Log-normal sönümleme 10 db 10dB Çok yollu sönümleme 6 db 6 db Isıl gürültü yoğunluğu -174 dbm/hz Tablo 3: WCDMA veri haberleşmesi (384 kbps) için sistem parametreleri Parametre Değer Frekans 2100 MHz Çip hızı 3.84 Mcps Bit iletim hızı 384 kbps Aktivite faktörü 1 E b /N 0 3 db 7 db Vücut kaybı - - Baz istasyonu verici gücü - 33 dbm Baz istasyonu anten kazancı - 2 dbi Mobil cihaz verici gücü 24 dbm - Mobil cihaz anten kazancı 0 dbi - Gürültü şekli 5 db 8 db Girişim 3.01 db 6.02 db Hızlı sönümleme 4 db - Log-normal sönümleme 10 db 10dB Çok yollu sönümleme 6 db 6 db Isıl gürültü yoğunluğu -174 dbm/hz Tablo 4: Koaksiyel kablo zayıflama değerleri [1] Frekans/100 m başına kayıp [db] Kablo tipi 900 MHz 1800 MHz 2100 MHz 1/2 inch 7 10 11 7/8 inch 4 6 6.5 Tablo 5: Güç bölücü kaybı [1] Kayıp [db] Güç bölücü 5 Tablo 6: Güç dağıtıcı kayıpları [1] 1-2 portundaki 1-3 portundaki kayıp kayıp [db] [db] 0.1/15 0.1 15.1 ve yukarı teki maksimum yol kayıpları karşılaştırıldığında sistemin yukarı te sınırlı olduğu görülmektedir. Bu nedenle hücre yarıçapı hesaplanırken yukarı teki maksimum yol kaybı esas alınmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda elde edilen maksimum yol kayıpları, AMR 12.2 kbps ses hizmeti: 94.117 db 384 kbps veri hizmeti: 86.147 db olarak bulunmuştur. Link bütçesi hesaplandıktan sonra bina içi DAS anteni servis yarıçapı, yarıçap (m) = 10 (APL PL1m)/PLS (3) ile hesaplanmıştır [1]. Eşitlikte, APL maksimum yol kaybını (db), PL1m 1 metredeki serbest uzay kaybını (db), PLS ise yol kayıp eğim modeli katsayısını göstermektedir. Maksimum yol kayıplarına göre anten servis yarıçapı (yoğun ofis ortamı, PLS = 38.1), AMR 12.2 kbps ses hizmeti: 28m 384 kbps veri hizmeti: 18m olarak bulunmuştur. Tablo 7: Kapsama alanı ve anten sayıları Bina ölçüleri: Uzunluk 60m, Genişlik 50m, Yükseklik 5m, 3000m 2 12.2 kbps ses hizmeti 384 kbps veri hizmeti Kapsama yarıçapı Kapsama alanı Anten sayısı 28m 2463m 2 2 18m 1017m 2 3 Pasif DAS sisteminde kullanılan koaksiyel kablo, güç bölücü ve güç dağıtıcılara ait zayıflatma ve kayıp değerleri Tablo 4, Tablo 5 ve Tablo 6 da verilmiştir. 94
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 Şekil 3: ve yukarı veri hızlarına göre DAS anteni servis yarıçapı Şekil 6: AMR 12.2 kbps ses hizmeti aşağı ve yukarı yüke göre maksimum yol kaybı Şekil 4: Ses ve veri hizmetleri için aşağı yüküne göre DAS anteni servis yarıçapı Şekil 7: 384 kbps veri hizmeti aşağı ve yukarı yüke göre maksimum yol kaybı Şekil 5: Ses ve veri hizmetleri için yukarı yüküne göre DAS anteni servis yarıçapı Şekil 8: Baz istasyonu verici gücüne göre aşağı %75 yükte DAS anteni servis yarıçapı 95
Fırat Üniversitesi-Elazığ WCDMA haberleşme sistemlerinde 384 kbps veri haberleşme servisi için yukarı ve aşağı veri hızlarına göre DAS anteni servis yarıçapı Şekil 3 de, yüküne göre ses ve veri hizmetleri için DAS anteni servis yarıçapı Şekil 4 ve 5 de verilmektedir. 12.2 kbps ses servisi ve 384 kbps veri servisi için yüke bağlı olarak maksimum yol kaybı Şekil 6 ve 7 de verilmektedir. Baz istasyonu verici gücüne bağlı olarak aşağı yükü %75 alındığında DAS anteni servis yarıçapının değişimi Şekil 8 de verilmektedir. 4. SONUÇLAR WCDMA haberleşmesinde 12.2 kbps lık ses hizmeti için aşağı te %75, yukarı te %50 hedef yük kabulü altında maksimum yol kaybı aşağı te 101.106 db, yukarı te 94.117 db bulunmuştur. 384 kbps lık veri hizmeti için aşağı te aynı yük kabulleri altında maksimum yol kaybı aşağı te 89.136 db, yukarı te 86.147 db bulunmuştur. Link bütçesi yukarı te sınırlı olduğundan aşağı te elde edilen anten servis yarıçapı daha büyük olmaktadır. te %75 hedef yük için ses hizmeti anten servis yarıçapı 43m, veri hizmeti servis yarıçapı 21m dir. te ise %50 hedef yük için ses hizmeti anten servis yarıçapı 28m iken veri hizmeti servis yarıçapı 18m dir. Veri hizmeti anten servis yarıçapı, işlem kazancının azalmasından dolayı daha düşük olmaktadır. Hücredeki yük azaldıkça girişim nın azalması sonucu anten servis yarıçapı artmaktadır. Şekil 6 ve 7 ses ve veri hizmeti için yüke göre maksimum yol kaybını göstermektedir. ve yukarı te yük arttıkça girişim nın artması sonucu maksimum yol kaybı azalmaktadır. Bunun sonucunda ise anten servis yarıçapı azalmaktadır. Şekil 8, baz istasyonu verici gücüne göre %75 yükte DAS anteni servis yarıçapını göstermektedir. Sistem tasarımında baz istasyonu çıkış gücü 33 dbm olarak alınmıştır. Baz istasyonu çıkış gücünün artırılması sonucunda eşdeğer izotropik ışıma gücü (EIRP) artacağından anten servis yarıçapı artış göstermektedir. Tablo 8: AMR 12.2 kbps ses hizmeti Maksimum yol kaybı [db] 94.117 101.106 Bina içi DAS anteni servis yarıçapı [m] 28 43 Yapılan hesaplamalar sonucunda bina içi anten kapsama yarıçapları ses ve veri hizmetleri için Şekil 9, 10 ve 11 de verilmektedir. Şekil 9: Tek numaralı katlarda anten yerleşimi Şekil 10: Çift numaralı katta anten yerleşimi Tablo 9: 384 kbps veri hizmeti Maksimum yol kaybı [db] 86.147 89.136 Bina içi DAS anteni servis yarıçapı [m] 18 21 Şekil 11: Üst üste görünüm 96
Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu 2011 5. KAYNAKLAR [1] M. Tolstrup, Indoor Radio Planning A Practical Guide for GSM, DCS, UMTS and HSPA, John Wiley & Sons, 2008. [2] H. Holma, A. Toskala, WCDMA for UMTS-HSPA Evolution and LTE, John Wiley & Sons, 2010. [3] M. Rahnema, UMTS Network Planning, Optimization and Inter-operation with GSM, John Wiley & Sons, 2008. [4] Ericsson Indoor Planning Guidelines, Ericsson Radio Systems AB, 2002. 97