GSM ve WCDMA haberleşme sistemlerinin boyutlandırılması Aktül KAVAS 1, Gizem TELÇEKEN 1, Ferhat YUMUŞAK 2 1 Yıldız Teknik Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü Esenler, Đstanbul aktul.kavas@gmail.com, gizemtelceken@gmail.com, 2 Turkcell Đletişim Hizmetleri A.Ş. ferhat.yumusak@turkcell.com.tr Özet: Günümüzde hücresel haberleşme uygulamalarında yüksek hızda servis talebi olan kullanıcıların çoğunluğu bina içinde yer alan abonelerdir. Yüksek hızlarda kaliteli hizmeti sağlamak amacıyla bina içi hücre planlaması bir başka deyişle sistem boyutlandırılması önem kazanmaktadır. Bu çalışmada 2. Nesil (GSM) ve 3. Nesil (WCDMA) haberleşme sistemleri için bina içi hücre planlaması amaçlanmıştır. Yüksek hızda ve kalitede haberleşme servislerinin sağlanması için R99 ile tanımlanan radyo erişim hizmetlerine göre (RAB) trafik, kapasite ve kapsama hesaplamaları yapılmıştır. Kapsama ve kapasite hesaplarıyla elde edilen teorik sonuçlar ve sahada alınan ölçüm sonuçları karşılaştırılıp değerlendirilmiş, teorik hesap sonucuna göre uygun şekilde bina içi kapsamanın dağıtılmış anten sistemleri üzerinden tasarımı yapılmıştır. Abstract: Today in cellular communication the majority of users who demand high-speed services are subscribers who are located inside buildings. Indoor cell planning is significant in order to ensure quality services at high speeds. In this study, indoor radio planning for 2G and 3G systems is aimed. In order to provide high speed and quality of services, capacity and coverage calculations which are defined as RABs on R99 are realized. Theoretical results which are obtained from coverage and capacity calculations are compared with site measurements and evaluated. According to theoretical results, indoor coverage design is realized through distributed antenna systems appropriately. 1. Giriş Mobil haberleşme sistemleri kullanıcıya zamandan ve mekândan bağımsız olarak yüksek hızda hizmet sunan sistemlerdir. 2014 yılı itibariyle dünya çapında mobil aboneliği bulunan kullanıcı sayısı 7 milyarı bulmakta ve mobil-hücresel sistem kullanımı dünya nüfusunun %96 sını oluşturmaktadır [1]. Dünyada olduğu gibi ülkemizde de mobil haberleşmeye olan talep artmakta olup bu doğrultuda kullanıcının talebini karşılamak için yüksek hızda ve iyi kalitede servis sunmak gerekmektedir. Kullanıcıların büyük bir bölümünü yüksek hızda servis talebi olan bina içi kullanıcıları oluşturur. Yüksek hızlarda ve kalitede hizmet sağlamak amacıyla bina içi hücre planlaması önem kazanır. Đkinci nesil mobil haberleşme sistemlerinin artan kapasite, kalite ve yüksek hızda servis ihtiyaçlarını destekleyememesi ile frekans spektrumunu daha verimli bir şeklide kullanma ihtiyacı gibi nedenler üçüncü nesil haberleşme sistemlerine olan ihtiyacı doğurmuştur. R99 da UMTS küresel standart olarak kabul edilip WCDMA radyo erişim teknolojisini kullanarak frekans spektrumu kullanımı açısından verimlilik sağlanmıştır. Üçüncü nesil haberleşme sistemlerine geçiş ile abonelere çoklu ortam haberleşmesi, yüksek kalitede fotoğraf ve video hizmeti, özel ağlara ve kamu ağlarına erişim ve yüksek hızda veri iletimi gibi hizmetler sunulmaktadır [2]. UMTS in gelişimiyle birlikte R5 ve R6 da HSPA (Yüksek hızda paket erişim) evrimi gerçekleşmiştir. HSPA ile birlikte paket anahtarlamalı uygulamalar geliştirilmiştir. WCDMA radyo planlaması gürültü ve güç kontrolü ile doğrudan ilgilidir. Hassas güç kontrolü ile UL (yukarı link) ve DL (aşağı link) de iletilen sinyallerin alıcıda aynı güç seviyesinde ulaşması sağlanarak hedeflenen sinyal seviyesinde tutulması gerekir. Bu çalışmada ikinci bölümde bina içi hücre planlamanın öneminden ve planlamada kullanılan elemanlardan, üçüncü bölümde senaryoya göre belirlenen hedefler için GSM ve WCDMA trafik, kapasite ve kapsama hesapları yapılarak sistem boyutlandırmasından bahsedilmiş olup dördüncü bölümde teorik sonuçların ölçüm sonuçları ile karşılaştırılması yapılarak sonuç bölümü sunulmuştur.
2. Bina Đçi Hücre Planlaması Hücresel haberleşme sistemlerinde kullanıcıların %80 i bina içinden servis alan kullanıcılardır [3]. Bina içi alanlar makro şebekeden kapsandığı zaman yüksek link kayıpları, zayıflama etkileri ve yüksek girişim meydana gelmektedir. Dolayısıyla bina içi hücre planlama makro şebekenin yükünü azaltarak şebeke açısından verimlilik sağlamak amacıyla uygulanır. Planlamadaki zorluk, gerekli olan bütün parametreleri birleştirip maliyet açısından şebekeye en uygun çözümü sağlayarak mümkün olan en iyi kalitede şebekeyi tasarlamak ve yatırımı en karlı biçimde gerçekleştirmektir. Hücre planlamasının temel gereklilikleri kapsama, kapasite ve servis kalitesini birlikte sağlamaktır. Kapsamadaki önemli parametreler kapsanacak olan alanın büyüklüğü, verici gücü, anten kazancı, alıcı hassasiyeti, zayıflamalar ve sinyal yayılım parametreleridir. Kapasite planlamasındaki önemli parametreler ise hizmet alacak abone sayısı, abone profili, kanal sayısı, şebekenin en yoğun olduğu saat bilgisi ve sunulacak olan servis çeşitleridir. Ek olarak WCDMA de kapsama ve kapasite yakından ilişkili olduğundan hücrenin nefes alması dikkate alınarak kapsama alanları, hücrenin maksimum yükü kabul edecek şekilde planlanmasını gerektirir. Kalite hedefleri ise bloke olma olasılığı, kapsama olasılığı ve aktarma gibi faktörlere bağlıdır. Boyutlandırma sonucunda gerekli kapsama ve kapasite için servis kalitesini karşılayan şebeke eleman sayısı ve konfigürasyonu elde edilir. 3. Bina Đçi Kapsama Senaryosu Bina içi planlamanın yapıldığı yer Đstanbul-Topkapı daki bir otel binası olup GSM ve UMTS sistemleri için pasif dağıtılmış anten sistemi (DAS) üzerinden bodrum kat, zemin kat ve zemin asma katı olmak üzere üç kat kapsamında inceleme yapılmıştır. Zemin katta bulunan giriş alanı aktarma alanı olarak tanımlanıp kullanıcıların kesintisiz şekilde bina içine giriş çıkış yapabilmesi sağlanmıştır. Bina içi planlamanın yapılacağı alanın makro şebekeden gelen sinyal yalıtımının sağlanması dikkate alınmıştır. Kapsama hesaplamaları sonucunda bulunan yol kayıp değerleri sınırlayıcı olan link yönüne göre ve sınırlayıcı servis çeşidine göre belirlenip yayılım modeli aracılığıyla hücre yarıçapı hesaplanmıştır. Kapsanacak alanın büyüklüğü, binadaki kısıtlamalar ve çevresel koşullar da göz önüne alınarak gerekli olan anten tipi ve sayısı belirlenmiş, elde edilen sonuçlara göre bina içi DAS şeması çıkarılarak kapsama sağlanmıştır. Kapasite ve trafik tarafında ise hedef kullanıcı sayısı 1000 abone olacak şekilde GSM de konuşma hizmetleri, UMTS de R99 taşıyıcı servisleri (RAB) göz önüne alınmıştır. WCDMA de kapsama ve kapasite yakından ilişki olup taşıyıcı servis hücrenin kapsama alanını etkilemektedir. Bina içi hücre planlamasında kapsama pasif DAS (Dağıtılmış anten sistemleri) üzerinden yapılarak MCM (Çok noktaya yayın matrisi), hibrit ve çift bant birleştiricileri, güç bölücüler ve düzgün olmayan güç bölücüler, kablo hatları, 12 tane yönsüz ve 2 tane yönlü anten elemanları kullanılarak yapılmıştır. Pasif DAS sisteminde en kötü durum göz önüne alındığında GSM ve UMTS de oluşan kayıplar 32dB dir. Burada hesaplanan kayıp link bütçe hesaplarında kullanılmıştır. 3.1 GSM Boyutlandırma GSM abone trafik profiline, GoS değerine ve abone sayısına, şebekenin en yoğun olduğu saatteki konuşma talebi sıklığına bağlı olarak kapasite ihtiyacını sağlamak için gerekli kanal sayısı bulunmuştur. GSM trafik hesabı yapılırken operatörün GoS değeri % 0,5 alınmıştır. Tablo 1 de GSM abone trafik profili, buna bağlı olarak hesaplanan kanal sayısı ve kullanıcı sayısı ile GSM DL ve UL için kullanılan link bütçe parametreleri gösterilmiştir. Tablo 1 de gösterilen link bütçe parametrelerine göre GSM DL ve UL deki izin verilebilir yol kayıp değerleri bulunmuştur. 3.2 WCDMA Boyutlandırma R99 UMTS servislerine göre trafik hesaplamaları yapılmıştır. AMR konuşma ve devre anahtarlamalı trafik hesabı için meşgul saatte abone konuşma süresi, konuşma talebi sıklığı, GoS, kullanıcı sayısı ve ağırlık faktörü gibi parametreler dikkate alınmıştır. Tablo 2 de WCDMA de AMR12.2kbps, CS64kbps ve PS64kbps haberleşmeleri için gerekli parametreler gösterilmiş, abone başına düşen ortalama trafik ve veri miktarları hesaplanmıştır. Tablo 3 te UL ve DL de sunulan RAB ve çoklu RAB çeşitlerine göre yapılan kapasite hesapları sonucu hücre yükü %100 de iken destekleyeceği maksimum kullanıcı sayısını ifade eden M Kutup değerleri ve %60 hedef yükteki kullanıcı sayıları hesaplanmıştır [4]. WCDMA da UL gürültü sınırlı, DL güç sınırlıdır. WCDMA trafik ve kapasite hesapları sonucu UL ve DL de hücrenin destekleyeceği yükler Tablo 4 te gösterildiği gibi hesaplanmıştır. WCDMA sisteminde hücre yükü ne
kadar fazla olursa hücredeki gürültü de o kadar fazla olur. Yük ile gürültü arasındaki ilişki logaritmik olup denklem (1) ile ifade edilmektedir. Yükün % 70 i aşmaması şartı kabul edilerek Tablo 4 te gösterilen yük değerlerine göre haberleşme sağlanmıştır. Gürültü artışı = -10log (1-yük) (1) Tablo 5 te WCDMA UL link bütçesinde kullanılan parametrelere göre hesaplanan yol kayıp değerleri gösterilmiştir. Ayrıca DL de abonelerin hücre seçimi açısından önemli olan ve sinyal seviyesinin ölçüldüğü CPICH (Ortak Pilot Kanal) kanalındaki link bütçe hesabı için gerekli parametreler ile bu parametrelere göre hesaplanan kayıp değeri Tablo 5 te gösterilmiştir. Şekil 1 UL (Sol) ve DL (Sağ) UMTS servisleri yük-rx seviye değişimini göstermektedir. Şekil 2 yukarı linkte servis yarıçapının yüke göre değişimini göstermektedir. Tablo 1. GSM abone trafik profili ve GSM DL ve UL link bütçesi hesabında kullanılan parametreler Parametre Değer Parametre UL DL Konuşma Talebi Sıklığı (BHCA) 0,44 Verici/Tx Gücü 21dBm 33dBm Konuşma süresi, MHT (dakika) 3 Verici Anten Kazancı 0dBi 2dBi Bloke olma olasılığı (%) 0,5 Alıcı Anten Kazancı 2dBi 0dBi Kullanıcı sayısı 1000 Pasif DAS/ Vücut Kaybı 3dB 32dB Operatör Pazar Payı (%) 70 GSM Isıl Gürültü Gücü -121dBm -121dBm Toplam Trafik (Erlang) 15,4 Alıcı Gürültü Şekli 3dB 8dB Gerekli Kanal Sayısı (C) 26 Alıcı Duyarlılığı -79dBm -104dBm TRX Sayısı 4 Toplam Sönümleme Payı 16dB 19dB 28 Kanal/ %0,5 Gos (Erlang) 17,406 Rx Minimum Seviye -63dBm -85dBm Kullanıcı Sayısı (22mE/ %0,5 GoS) 791 Đzin Verilen Yol Kaybı 81dB 88dB Hizmet Türü Tablo 2. Devre anahtarlamalı ve paket anahtarlamalı trafik profili AMR 12,2kbps CS 64kbps Hizmet Türü PS 64kbps Konuşma Talebi Sıklığı UL+DL Kullanıcı Başına Veri 0,44 0,09 2000 Hacmi (kbit) Konuşma Süresi/MHT (dakika) 3 7,2 UL/DL Trafik oranı (%) 10 Bloke Olma Olasılığı (%) 0,5 0,5 Kullanıcı Sayısı 1000 Kullanıcı Sayısı Kullanım Oranı/Ağırlık Faktörü (%) Kullanıcı Başına trafik (me) Kullanıcı Başına ortalama Trafik (me) Servis Tipleri 1000 1000 95 10 22,0 10,8 20,90 1,08 Kullanım Oranı/Ağırlık Faktörü (%) Kullanıcı Başına Düşen Ortalama UL PS Veri (KB) Kullanıcı Başına Düşen Ortalama DL PS Veri (KB) Tablo 3. UL ve DL RAB servisler için M Kutup ve hedef yükteki kullanıcı sayıları MKutup %60 hedef yük Servis Tipleri MKutup 100 22 222 %60 hedef yük UL DL AMR 12,2kbps 63,06 37,83 AMR 12.2kbps 164,12 98,47 CS 64kbps 13,65 8,19 CS 64kpbs 22,65 13,59 PS 64kbps 14,93 8,96 PS 64kbps 24,79 14,87 AMR 12,2kbps+PS 64kbps 12,16 7,30 PS 128kbps 14,01 8,41 CS 64kbps+ PS 8kbps 13,65 8,19 PS 384kbps 5,50 3,30 AMR12.2kbps+PS64kbps 19,87 11,92 AMR12.2kbps+PS128kbps 12,49 7,50 AMR12.2kbps+PS384kbps 5,26 3,15 CS 64kbps+PS 8kbps 16,72 10,03
Tablo 4. UL ve DL de hücre yükleri UL ve DL Servisler Yük % UL AMR 12.2kbps+ CS 64kpbs+ PS 64kbps % 48,5 DL AMR 12.2kbps+ CS 64kpbs+ PS 64kbps % 62,1 DL AMR 12.2kbps+ CS 64kpbs+PS 128kbps % 56,9 DL AMR 12.2kbps+ CS 64kpbs+PS 384kbps % 51 Tablo 5. WCDMA DL/CPICH kanalı ve UL link bütçesi hesabında kullanılan parametreler Parametre UL DL/CPICH Kanal Gücü AMR 12,2 CS 64 PS 64 Verici/Tx Gücü 21dBm 33dBm Verici Anten Kazancı 0dBi 2dBi 2dBi 2dBi Alıcı Anten Kazancı 2dBi 0dBi Pasif DAS/ Vücut Kaybı 32dB 32dB Alıcı Duyarlılığı -85,4dBm -80,6dBm -81,1dBm -109dBm Rx Minimum Seviye -75,6dBm -70,8dBm -71,3dBm -82,2dBm Đzin Verilen Yol Kaybı 93,58dB 91,73dB 92,23dB 85,25dB -55-75 -60 AMR 12.2kbps CS 64kbps PS 64kbps -80-85 AMR 12.2kbps CS 64kbps PS 64kbps PS 128kbps PS 384kbps Rx Seviye [dbm] -65-70 Rx Seviye [dbm] -90-95 -75-100 -80 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Yük -105 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Yük Şekil 1. UL (Sol) ve DL (Sağ) UMTS servisleri için yük-rx seviye değişimi 0.7 0.6 AMR 12.2kbps CS 64kbps PS 64kbps 0.5 0.4 Yük 0.3 0.2 0.1 0 50 60 70 80 90 100 110 120 130 servis yarıçapı [m] Şekil 2. UL servisleri için uzaklık-yük dağılımı
Tablo 6. Katlara göre 2G ve 3G için sinyal seviyesi ve kalitesi dağılımı [5] 2G 3G Ölçümler Değerler Bodrum Katı Zemin Kat Zemin Asma Kat Sinyal Seviyesi -95dBm ve -84dBm arası % 2,5 % 3,4 % 0,5-84dBm ve -81dBm arası % 10 % 3,7 % 0,3-81dBm üstü % 87,6 % 92,9 % 99,2 0 - < 4 RxQual % 99,4 % 99,3 % 99,7 Sinyal Kalitesi >=4 - < 6 RxQual % 0,4 % 0 % 0,3 >= 6 - < 7 RxQual % 0,2 % 0,7 % 0-98dBm ve -88dBm arası % 1,3 % 1,7 % 2,2 Sinyal Seviyesi -88dBm ve -85dBm arası % 3,4 % 9 % 14,4-85dBm üstü % 95,3 % 89,4 % 83,4 >= -13dB ve < -10dB % 7,5 % 3,4 % 10,3 Sinyal Kalitesi >= -10dB ve < -8dB % 26,6 % 18,9 % 38-8dB üstü % 65,4 % 77,6 % 51,7 4. Sonuç GSM trafik hesabında Tablo 1 de gösterildiği gibi 4 TRx e ihtiyaç duyulmuştur. Sonuç olarak hedef kullanıcı sayısının % 13 ün den daha fazla aboneye (791 abone) hizmet verilir. Link bütçe hesabına göre GSM de sınırlayıcı yön UL olup hedef sinyal seviyesi olan alıcı duyarlılığı -79dBm ve Keenan-Motley yayılım modeline göre servis yarıçapı 117 metre olarak hesaplanmıştır. WCDMA de sunulan servis çeşitleri ve R99 da tanımlanmış çoklu RAB hizmetlerine için M Kutup değerleri ile %60 hedef yükte hizmet alacak abone sayıları bulunup Tablo 3 te gösterilmiştir. AMR 12.2kbps, CS 64kbps ve PS 64kbps servisleri UL de sınırlıdır. AMR 12.2kbps servisi için UL hedef yükteki (%60) abone sayısı 37, CS 64kbps ve PS 64kbps servisleri için 8, çoklu RAB hizmetleri için 7 ve 8 abone olacak şekilde elde edilmiştir. Tablo 4 te hesaplanan hücre yükü değerlerine göre % 70 yukarı link yükünü aşmamak koşulu ile haberleşme sağlanmıştır. Şekil 1 de görüldüğü üzere hücre yükünün artışına bağlı olarak girişimin artması alıcı duyarlılığının dolayısıyla Rx seviyesinin yükselmesiyle sonuçlanır. Yüzde 60 hedef yük değerleri dikkate alındığında UL sınırlayıcı yöndür. WCDMA de yapılan link bütçe hesaplarına göre UL de sınırlayıcı kabul edilen PS 64kbps servisine göre alıcı duyarlılığı yani hedef sinyal seviyesi -81.1dBm olarak hesaplanmıştır. Đzin verilen yol kaybı 92.23dB ve Keenan-Motley yayılım modeli kullanılarak servis yarıçapı 65 metre bulunmuştur. Şekil 2 ye göre UL gürültü sınırlı olduğundan hücredeki yükün artması toplam gürültü miktarını arttırır. Rx sinyal seviyesi yükseleceğinden izin verilen yol kaybının (APL) azalmasıyla birlikte servis yarıçapı dolayısıyla kapsama alanı daralır. Sonuç olarak hücre yarıçapı yükle yakından ilişkilidir. WCDMA de kapasite kapsama alanını etkiler. Bu olay hücrenin nefes alması olarak adlandırılır. Sahada alınan ölçümlere göre her bir katta 2G ve 3G için sinyal seviye ve kalite seviyelerinin yüzdelik dağılımları Tablo 6 da gösterilmiştir. GSM için hedef kapsama seviyesi olan alıcı duyarlılığı -79dBm bulunmuştur. Ölçüm sonuçlarına göre yaklaşık olarak bodrum katında %88, zemin katta % 93, zemin asma katında %99 oranında hedef kapsama seviyesi sağlanmıştır. GSM için hedef sinyal kalitesi RxQual parametresiyle tanımlanır. 0 en iyi kalite ve 7 en düşük kalite olmak üzere RxQual seviyesi 4 ten yüksek olduğunda kullanıcı tarafında ses kalitesi düşük olarak algılanır. Buna göre hedef kalite seviyesi 0 ile 4 RxQual arasındadır. Ölçüm sonuçlarına göre bodrum katında %99.4, zemin katta % 99.3, zemin asma katında %99.7 oranında hedef kalite seviyesi sağlanmıştır. WCDMA için hedef kapsama seviyesi -85dBm bulunmuştur. Ölçüm sonuçlarına göre bodrum katında %95.3, zemin katta % 89.4, zemin asma katında %83.4 oranında hedef kapsama seviyesi sağlanmıştır. Bodrum katı yer altında olduğundan makro şebekeyle yalıtımı iyi sağlanmış olup diğer katlara göre kapsama oranı daha yüksektir. Yukarılara doğru çıkıldıkça makro şebekeden gelen zayıflatıcı etkiler nedeniyle diğer katlarda bu oran düşmüştür. 3G sinyal kalitesi CPICH de ölçülen E c/n 0 parametresine (CPICH deki çip başına düşen enerji yoğunluğunun gürültü yoğunluğuna oranı) göre değerlendirilir. Hedef E c/n 0-8dB olarak alınmıştır. Ölçüm sonuçlarına göre bodrum katında %65.4, zemin katta % 77.6, zemin asma katında %51.7 oranında hedef kalite seviyesi sağlanmıştır. Binadaki çevresel faktörlerden dolayı oluşan zayıflatıcı etkiler, hücre yükü ve makro şebekeden gelen gürültü ve girişim etkileri göz önüne alındığında 3G sinyal kalitesinde düşüş gözlenmiştir. Sonuç olarak yapılan teorik hesaplamalar sonucu bulunan hedef değerler ölçüm sonuçlarıyla karşılaştırıldığında hedeflenen seviyeler sağlanarak bina içi hücre planlaması gerçekleştirilmiştir.
Kaynaklar [1]. International Telecommunication Union, the World in 2014 ICT Facts and Figures, ICT Indicators Statistics, Geneva, Switzerland, 2014. [2]. Holma H. ve Toskala A., WCDMA for UMTS Radio Access for Third Generation Mobile Communications, Third Edition, John Wiley & Sons, Chichester, 2004. [3]. Tolstrup M., Indoor Radio Planning A Practical Guide for GSM, DCS, UMTS and HSPA, First Edition, John Wiley & Sons, Chichester, 2008. [4]. Yumuşak F., 2. Nesil ve 3. Nesil Mobil Haberleşme Sistemleri için Metro Đstasyonu Hücre Planlaması. Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Đstanbul, 2012. [5]. Telçeken G., 2G/3G Bina Đçi Hücre Planlama. Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü, Đstanbul, 2014.