GSM-HÜCRE PLANLAMA YÖNTEMI OGR. GOR. AHMET KIRDAR DOC. DR. ASKIN DEMIRKOL Sakarya Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü Esentepe, Sakarya akirdar@sakarya.edu.tr askind@sakarya.edu.tr Özet: Bu bildiri üç bölümden oluşur ilk bölüm GSMın genel özelliklerini ve mimari yapısnıi sunar, İşletim ve Destek Sistem OSS, Anahtarlama sistem SS, Baz İstasyon sistem BSS; özellikle BSS sistemde bulunan TRX sayisi ve Taşıyıcı frekansların kullanması; ikinci bölüm Hücre planlama yöntemi ve alti adet adimlarini sirasi ile sunar, Trafik ve Kapsama Alanı Analizi, Nominal Hücresel Planlama, Incelemeler, Sistem Dizaynı, Uygulama, Sistem Ayarı, ucuncu bolum, Trafik ve nufus matmetik hesaplama yontemini sunar. Planlama yönteminden sonra pratik hesaplama yapilir, 20,000 nüfuslu bir şehrin kaç Baz istasyonu ve kac adet taşıyıcı frekansı kullanması gerekir. Erlang B-Table kullanarek, Trafik 25Em (0.025)E her abone icin. Abstract; This report divided to three parts. First part designed to provide an overview of the GSM system. GSM network is divided into three major systems: Switching System (SS), Operation and Support System (OSS). Base Station System (BSS), It will address BSS components, functions and features. It will also cover some of the basics about TRX (Transceiver unit), Carrier fraquencies. Second part designed to provide an introduction to cell planning Process. Explains briefly the major steps in cell planning process and what elements they contain. Traffic and Coverage Analysis, Nominal Cell Plan, Surveys, System Design, Implementation, System Tuning. Third part;calculations, Traffic and Coverage, Cellplanning for the 20.000 subscribers. Calculating number of number of Sector and TRXin each BTS (Base Stations), Carriers frequency needed in this area, using Erlang B- table with Traffic: 25 me (0.025) E per subscriber, with Gos (%2). 1- GSM İN GENEL ÖZELLİKLERİ GSM Ağ Donanımı Her hücre sistemi kendine özel bir donanıma sahiptir ve donanımın her parçası bulunduğu hücreye özgü özelliklere sahiptir Ağdaki temel sistemler: İşletim ve Destek Sistem (Operation and Support System OSS). Anahtarlama sistem (Switching System SS). Baz Istasyon sistem (Base Station System BSS). Sistem Şekil 1de gösterilmiştir.
Şekil 1. GSM Sistem modeli 1.1 İşletim ve Destek Sistemi (OSS) GSM sistemi yönetimi için OSS aşağıdaki materyallerle birlikte kullanılır. Hücresel ağ yönetimi (Celluler network administration). Ağ işletim desteği (Network operation support). 1.2 Anahtarlama Sistemi (Switching System SS) Mobil Servis Anahtarma Merkezi (MSC) Ziyaretçi Konum Kaydı (VLR) MSC Çıkışı (MSC) Emniyet Merkezi (AUC) Ekipman Kimlik Kaydı (EIR) Interworking Bölgesel Kaydedici(ILR) Kısa Mesaj Servisi-MSC Çıkışı(SMS-GMSC) MSC (SMS-IWMSC) ve Data Transmisyon Arayüzü (DTI)
Şekil 2. Anahtarlama sistemi SS 1.3 Baz İstasyon Sistemi (BSS) Baz istasyon sistemi iki ana kısımdan oluşur. Baz istasyon Kontrolü (Base Station Controller BSC). Baz Alıcı-Verici İstasyonu (Base Transceiver Station BTS).
Şekil 3. Baz istasyon sistemi BSS Baz istasyon Kontrolü (Base Station Controller BSC). Baz istasyon kontrolörü BSS nin merkez noktasıdır. BSC radyo ağlarını yönetir ve aşağıdaki özellikleri takip eder: Mobil istasyon bağlantısını alma ve bırakma Radyo ağ idaresi Konuşma kodlaması ve oran adaptasyonu Trafik yoğunluğu BTS nin iletim yönetimi BTS nin uzaktan kumanda edilmesi BSC, radyo haberleşme ağında daha fazla İhtiyaç duyulan haberleşme gereksinimi gidermek amacıyla tasarlanmıştır. BSC, MSC' de bulunan radyo bağlantılı fonksiyonların bir çoğunun ayrı bir yerdeki noktada toplanması ile oluşturulmuştur. Böylece MSC' nin telefon ile bağlantılı fonksiyonlarının ve servislerinin üzerine konsantre olması,bağımsız olarak geliştirilebilmesi sağlanmıştır. Baz Alıcı-Verici İstasyonu (Base Transceiver Station BTS). BTS bir hücrede istenen bütün radyo ve iletim ara yüz ekipmanlarını içerir. Her BTS bir veya daha fazla frekans çiftini kullanır. Bir frekans sinyalleri mobil istasyona iletir, biri mobil istasyonda sinyalleri alır. Bu nedenle en azından bir verici ve alıcı kullanılmalıdır.
Farklı GSM Ağları GSM 900/800 ve GSM 1900 için farklı frekans bantları kullanılır. Bazı ülkelerde bir tek operatör bütün frekanslar için yetkiliyken bazı ülkelerde ise operatörler ihale usulü frekansları paylaşır Network tipi Frekans Bandı UL/DL Uygulama GSM 900 890-915/935-960 MHz GSM 900 GSM 1800 1710-1785/1805-1880 MHz GSM 1800 GSM 1900 1850-1910/1930-1990 MHz GSM 1900 Şekil 4. GSM Ağı İçin Frekans Bandı GSM 900 ve GSM 1800 GSM ve DCS birbirinden çok küçük farklarla ayrılan iki hücresel mobil telefon sistemidir. Bu sistemler arasındaki en belirgin farklılaşma kullanım bantlarında ortaya çıkmaktadır. DCS, 1710-1880 MHZ bandında çalışmaktadır ve sistem kanal sayısı 375'tir. 900MHz bandında 124 kanaldan oluşan bir bant ayrılmıştır. Alıcı-verici ünitesi (TRU=TRX) 8 zaman slotlu bilginin hava arayüzlerinde işlenmesi için gerekli verici ve alıcı devresinden oluşur. TRU verici ve alıcının test edilmesinde kullanılan RF ölçüm devrelerini içermektedir. Hava arayüzü (Air Interface) Hava arayüzü, BTS ve MS arasındaki trafik ve sinyalleme bilgisini almak ve tekrar iletmek için Zaman Bölmeli Çoğullama (TDMA) tekniğini kullanır. TDMA tekniği her bir taşıyıcıyı 8 zaman slotuna ayırmak içinkullanılır. Bu zaman slotları kullanıcılara tahsis edildikten sonra, aynı taşıyıcıyla aynı anda 8 konuşmanın gerçekleşmesine izin verir.
Şekil 5. 8 Kanali TRX, TDMA Kavrami Şekil 6. 2Mbps PCM kablosunun 32 kanali (E1) için A-bis arayüzü
2- GSM HÜCRESEL PLANLAMA YÖNTEMI Hücresel Planlama İşlem Sırası Hücresel planlama hangi bölgeler için hangi haberleşme ekipmanlarının kullanılacağını, ekipmanların nasıl konfigüre edileceğini anlatan aktiviteler olarak tanımlanmıştır. İnterferanstan kaçınamak ve kapsanan alandan emin olmak için hücresel ağlar belirli bir plan dâhilinde gerçekleştirilir. Asagi Şekilde işlemler sırasıyla gösterilmiştir. Şekil 7. Hücre planlama süreci 2.1 Trafik ve Kapsama Alanı Analizi (Traffic and Coverage Analysis) Hücre planlama yönteminin 1. basamağı kapsama alanı analizi ve bölgedeki trafik yoğunluğunun incelenmesidir. Bu analiz sonucunda bölgenin coğrafi yapısı ve ihtiyaç olunan kapasite hakkında bilgi elde edilir. Elde edilen bilgi türleri:
Maliyet Kapasite Kapsama alanı Servis derecesi(gos-grade of Service) Uygun frekanslar Konuşma kalite içeriği Sistem gelişim kapasitesi şeklindedir. Trafik talebi(sisteme ne kadar konuşmacının katılacağı ve ne kadar trafik oluşacağı) hücresel ağ mühendisliğinin temelini oluşturur. Trafik talebinin coğrafi dağılımı demografik bilginin kullanımıyla tahmin edilebilir. Örneğin: Nüfus dağılımı Araba kullanım dağılımı Giriş seviye dağılımı Alan kullanım bilgisi Telefon kullanıcı istatistikleri Abone isteği, arama talebi ve mobil istasyon ücreti gibi diğer faktörler 2.2 Nominal Hücresel Planlama (Nominal Cell Plan) Trafik ve kapsama alanı analizinden elde edilen bilgiler düzenlendiğinde nominal bir hücre planı oluşur. Nominal hücre planı; bir harita üzerindeki hücresel modele benzeyen ağın grafiksel temsilidir. Nominal hücre planlama ilk hücresel planlama yöntemidir ve hücresel planlama formlarının temelini oluşturur. Nominal hücresel planlama genellikle bir veya iki kapsama alanı tahminiyle birlikte planlamada kullanılır. 2.3 İncelemeler (Surveys) Nominal hücresel planlama yapıldıktan sonra interferans ve kapsama alanı tahminlerini doğrulamak için radyo ölçümleri kullanılır. Radyo ekipmanlarının yerleştirileceği yerler tespit edilir. Bir hücresel ağ planlanacağı zaman seçilen yerin uygun yer olup olmadığına dikkat edilmesi gerekir. 2.4 Sistem Dizaynı (System Design) Planlama işlemleriyle optimize ettiğimiz güvenilir tahminleri kullanarak RBS ekipmanları, BSC ve MSC nin yerleştirileceği yerler belirlenir. Plan bu son haliyle uygulamaya geçilir. Bu plan daha sonra sistem yüklemesi sırasında kullanılır. Ayrıca bütün hücre parametrelerini içeren hücre tasarım bilgisi(cdd-cell Design Data) her hücre için tanımlanır.
2.5 Uygulama (Implementation) En son sistem tasarımını ve hücresel planlamayı takip ederek sistem yüklemesi, hizmete sokulumu ve test edimi gerçekleştirilir. 2.6 Sistem Ayarı (System Tuning) Sistem yüklendikten sonra taleplerin ne kadar verimli karşılanabileceği konusunda bir sonuca varılır. Buna sistem ayarı denir ve içeriği şöyledir: En son yapılan hücre planının doğru uygulanıp uygulanmadığı test edilir. Müşteri şikâyetleri göz önünde bulundurulur. Kabul edilebilir bir ağ performansının olup olmadığı test edilir. İhtiyaç olması halinde parametreler değiştirilir ve başka ölçümler kullanılır. Trafik ve kullanıcı sayısının artması durumunda eski ayarlar gözden geçirilir. Sonuçta sistem yeni dâhil olan kullanıcıları ve artan trafiği kaldırılabilecek noktaya getirilir. Bu noktaya gelindiğinde bir trafik ve kapsama alanı analizi yerine getirilir ve hücresel planlama halkası tekrar başlatılır. Trafik ve Kanal Hacmi (Traffic and channel Dimensioning) Hücresel sistem kapasitesi farklı faktörlere bağlıdır. Bunlar arasında; Veri ve/veya ses için kanal sayısı Kullanıcıların sistemde karşılaştığı servisin derecesi (Grade of service Gos) Trafik teorisi faydalı tahminler içerir. Örneğin; bir hücre için istenen kanal sayısı. Bu tahminler; seçilen sisteme ve kullanıcıların varsayılan veya gerçek davranışlarına bağlıdır. Trafik nedir? Trafik kanalların kullanımına bağlıdır, bir kanalin kullanma suresi bir dilim zamaninda süresi,veya (bir saatteki arama sayisi). Trafik Erlang la (E) ölçülür. Örneğin; eğer bir kullanıcı telefondaysa surekli bir saat bir Erlang (E) oluşturur bir saatte. Bir hücrenin taşıyabileceği trafik miktarı kullanılabilir olan trafik kanalına ve kabul edilebilir tıkanıklık miktarına bağlıdır. Bu GoS(Grade of Service-Servis Derecesi) kullanıcı davranışına bağlı olan değişim bu soruya verilecek olan cevabı yanıtlar. Bir Danimarka trafik teorisyeni tarafından Erlangın bulunduğu B-tablosu baz alınarak projeler oluşturulur. Bu kabuller: Erlang B-tablosu trafiğin istediği trafik kanallarının sayısıyla (GoS) bağlantılıdır. Bu ilişki asagi Şekil de tablolanmıştır. Bir hücrenin iki TRX sahip olduğunu farz edersek, ve her TRX 8 kanal var, ilk TRXin iki kanali kontrol kanalidir (BCCH ve SDCCH). B Tablo kullanarak.
Eğer kullanıcı başına ortalama trafik açısından bir tahmin yapılırsa ortalama trafiğin 15-20 me olduğunu göstermiştiryani sabit deger (0.025)E. 2 TRX, 2 8-2=14 trafik kanalı ve %2 lik bir GoS u kabul edebilirse istenilen trafik A=8.2003 E olur. A=8.2 / 0.025=328, 2 adet TRX 328 kisiye hizmet verir. 3 TRX, 3x8-2=22 trafik kanalı ve %2 lik bir GoS u kabul edebilirse istenilen trafik A=14.896 E olur. A=14.896 / 0.025=596, 3 adet TRX 596 kisiye hizmet verir. Şekil 8. Erlang B-tablo parçası (yokari yetay Gos, sag dikey trefik kanal)
3-20,000 NÜFUSLU BİR ŞEHRİN HÜCRE PLANLAMASI Hesaplama; 20,000 Nufuslu bu sehirde kac baz istasyonu BTS, TRX, Tasyici Frekansi kullanmasi gerekir. Bu şehrin nüfus yoğunluğu üç bölgeye ayrıldığı varsayılmıştır, Bölgeler A, B ve C şeklindedir. A bölgesi 2,000 abonesi olan bir bölgedir. B bölgesi 8,000 abonesi olan bir bölgedir. C bölgesi 10,000 abonesi olan bir bölgedir. Bölge A, B ve C hücre planlama hesabı: 2 Kanal (BCCH, SDCCH) her hucre de Kontrol Kanalidir, kalantrafik (kunusma) kanalidir, B-Tablo ye gore Gos=2%. Her TRX de 8 Kanal (Time slots) var. 2 TRX=(2x8)-2=14 Trafik (kunusma) Kanali. B-tablosuna göre (GRADE OF SERVIC Gos=2%) 14 kanalın bir hucre de ERLANG, Acell=8.2003E Bir abone ERLANG sabit deger, Asub=0.025E Acell=8.2003E Asub=0.025E=328 kişidir. 2 TRX bir saatte bir hucre de (328) aboneye hizmet verir, 3 hucre de ise (328x3)=984 kişidir. A Bölgede nüfusu 2000 olduğundan ihtiyaç duyulan baz istasyonu (BTS) sayısı 2000 (328x3) 2 BTS Baz Istasyonu olur. B bölgesinin hücre planlama hesabı: B bölgesinin hücre planlama hesabı: 2 Kanal her hucre de Kontrol Kanalidir, kalantrafik (kunusma) kanalidir Her TRX de 8 Kanal (Time slots) var. 3 TRX=(3x8)-2=22 Trafik (kunusma) Kanali. B-tablosuna göre, (GRADE OF SERVIC Gos=%2) 22 kanalın bir hucre de ERLANG, Acell=14.896E Bir abone ERLANG sabit deger, Asub=0.025E Acell=14.896E Asub=0.025E=595 kişidir. 3 TRX bir saatte bir hucre de 595 aboneye hizmet verir, 3 hucre de ise (595x3)=1785 kişidir. B Bölgede nüfusu 8000 olduğundan ihtiyaç duyulan baz istasyonu (BTS) sayısı 8000 (595x3) 5 BTS Baz Istasyonu olur. C bölgesinin hücre planlama hesabı: 2 Kanal her hucre de Kontrol Kanalidir, kalantrafik (kunusma) kanalidir Her TRX de 8 Kanal (Time slots) var. 4 TRX=(4x8)-2=30 Trafik (kunusma) Kanali. B-tablosuna göre (GRADE OF SERVIC Gos=%2) 30 kanalın bir hucre de ERLANG, Acell=21.932E Bir abone ERLANG sabit deger, Asub=0.025E
Acell=21.932E Asub=0.025E=877 kişidir. 4 TRX bir saatte bir hucre de 877 aboneye hizmet verir, 3 hucre de ise (877x3)=2631 kişidir. C Bölgede nüfusu 10,000 olduğundan ihtiyaç duyulan baz istasyonu (BTS) sayısı 10000 (877x3) 4 BTS Baz Istasyonu olur. BOLGE TASYICI FREKANS TRX SAYISI TRAFIK KANAL ERLANG E ABONE SAYISI A(cell2/2/2) 2 2 16-2=14 8.2003 0.025 328 B(cell3/3/3) 3 3 24-2=22 14.896 0.025 595 C(cell4/4/4) 4 4 32-2=30 21.932 0.025 877 Şekil 9. TRX DEGITIMI 2.000 Abone A Bolge : BTS Sayisi (cell 2/2/2) = 2.000/(328x3) 2 BTS A Bolge 8.000 Abone B Bolge: BTS Sayisi (cell 3/3/3) = 8.000/(595x3) 5 BTS B Bolge 10.000 Abone C Bolge: BTS Sayisi (cell 4/4/4) = 10.000/(877x3) 4 BTS C Bolge TOPLAM; TRX, BTS, TASYICI FREKANS. A,B VE C Bolgeler BTS=A+B+C=2+5+4=11 BTS TRX=A+B+C=(cell 2/2/2)+ (cell 3/3/3)+ (cell 4/4/4)=27 TRX Tasyici Frekans Sayisi=27 T Frekans HUCRE GRUPLARI TASYICI FREKANS A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Şekil 10. 3/9 cluster Hücre Planındaki 27 Frekans
Şekil 11. 4 BTS 4/12 cluster Şekil 12. 3 BTS 3/9 cluster
Şekil 13. GSM 900 için 124 Tasyici Frekanslari (ARFCN) CH MSTx BTSTx CH MSTX BTSTx CH MSTX BTSTx Up Link Down Up Link Down Link Up Link Down Link 1 890.000 935.000 43 898.400 943.400 85 906.600 951.800 2 890.200 935.200 44 898.600 943.600 86 907.000 952.000 3 890.400 935.400 45 898.800 943.800 87 907.200 952.200 4 890.600 935.600 46 899.000 944.000 88 907.400 952.400 5 890.800 935.800 47 899.200 944.200 89 907.600 952.600 6 891.000 936.000 48 899.400 944.400 90 907.800 952.800 7 891.200 936.200 49 899.600 944.600 91 908.000 953.000 8 891.400 936.400 50 899.800 944.800 92 908.200 953.200 9 891.600 936.600 51 900.000 945.000 93 908.400 953.400 10 891.800 936.800 52 900.200 945.200 94 908.600 953.600 11 892.000 937.000 53 900.400 945.400 95 908.800 953.800 12 892.200 937.200 54 900.600 945.600 96 909.000 954.000 13 892.400 937.400 55 900.800 945.600 97 909.200 954.200 14 892.600 937.600 56 901.000 946.000 98 909.400 954.400 15 892.800 937.800 57 901200 946.200 99 909.600 954.600 16 893.000 938.000 58 901.400 946.400 100 909.800 954.800 17 893.200 938.200 59 901.600 946.600 101 910.000 955.000 18 893.400 938.400 60 901.800 946.800 102 910.200 955.200 19 893.600 938.600 61 902.000 947.000 103 910.400 955.400 20 893.600 938.800 62 902.200 947.200 104 910.600 955.600 21 694.000 939.000 63 902.400 947.400 105 910.800 955.800 22 894.200 939200 64 902.600 947.600 106 911.000 956.000 23 894.400 939.400 65 902.800 947.800 107 911.200 956.200 24 694.600 939.600 66 903.000 948.000 108 911.400 956.400 25 894.800 939.800 67 903.200 948.200 109 911.600 956.600 26 895.000 940.000 68 903.400 948.400 110 911.800 956.800 27 895.200 940.200 69 903.600 948.600 111 912.000 957.000 28 895-400 940.400 70 903.800 948.800 112 912.200 957.200 29 895.600 940.600 71 904.000 949.000 113 912.400 957.400 30 895.800 940.800 72 904.200 949.200 114 912.600 957.600 31 696.000 S41.000 73 904.400 949.400 115 912.800 957.800 32 896.200 941200 74 904.600 949.600 116 913.000 958.000 33 696.400 S41.400 75 904.800 949.800 117 913.200 958.200 34 896.600 941.600 76 905.000 950.000 118 913.400 958.400 35 896.800 941.600 77 905.200 950.200 119 913.600 958.600 36 897.000 942.000 78 905.400 950.400 120 913.800 958.800 37 897.200 942.200 79 905.600 950.600 121 914.000 959.000 38 897.400 942.400 80 905.800 950.800 122 914.200 959.200 39 897.600 942.600 81 906.000 951.000 123 914.400 959.400 40 897.800 942.800 82 906.200 951.200 124 914.600 959.600 41 898.000 943.000 83 906.400 951.400 125 914.800 959,800 42 898.200 943.200 84 906.600 951.600 126 915.000 960.000
KAYNAKLAR [1]. GSM Cell Planning Principles, Ericson Radio Systems AB, STOCKHOLM, Sewden 1997. [2]. GSM RBS 2000 Basics, Ericson Radio System AB, STOCKHOLM, Sewden 1998. [3]. GSM Cell Planning Workshop, Ericson Radio System AB, STOCKHOLM, Sewden 1999. [4]. Radio Network Tuning, Ericson Radio System AB, STOCKHOLM, Sewden 1998. [5]. GSM AXE Overview, Ericson Radio System AB, STOCKHOLM, Sewden 1999. [6]. Ahmet KIRDAR, Cell planning, Master Thesis, Near East University, KKTC, Lefkosa, 2002. [7]. Beyda. William J, Data communications, Prentice Hall International Editions, 1993. [8]. Calhoun G, Digital Cellular Radio, Artech House, 1988. [9]. Jack Quin, Digital Data Communications. Prentice Hall International Editions, 1995. [10]. Fakhreddin Mamedov, Telecommunications, Near East University, KKTC, Lefkosa, 2000.