Dördüncü Nesil (LTE) Haberleşme Sistemlerinde Kapasite ve Kapsama Analizi Ahmet Çalışkan, Yıldız Teknik Üniversitesi, l1407057@std.yildiz.edu.tr Betül Altınok, Turkcell İletişim Hizmetleri A.Ş., betul.altinok@turkcell.com.tr Aktül Kavas, Yıldız Teknik Üniversitesi, kavas@yildiz.edu.tr Günümüzde teknolojinin gelişmesiyle birlikte cep telefonları üzerinden gerçek zamanlı oyun, televizyon, internet ve akışkan video gibi yüksek veri hızları gerektiren uygulamalara olan talep hızla artmıştır. Artan talebi karşılamak üzere 3GPP (3. Nesil Ortaklık Projesi) tarafından LTE (uzun vadeli evrim) standartları geliştirilmiştir. Bugün itibariyle uzun vadeli evrim hücresel telsiz şebeke teknolojisinde gelinen son standart olup dünya üzerinde 14 ülkede 19 adet uzun vadeli evrim hizmeti veren şebeke mevcuttur. [1] Bu çalışmada, uzun vadeli evrim şebekesi boyutlandırması için teknolojik özelliklerinin tanımlanmasının ardından, kapasite ve kapsama hesaplamaları için model ve metotlar tanımlanıp ve hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Dördüncü nesil, LTE, kapsama, kapasite, uzun vadeli evrim, link hesaplamaları, sistem hesaplamaları 1. Giriş LTE haberleşmesi, standartları 3GPP (3. nesil ortaklık projesi) tarafından tanımlanmış olan tümüyle IP tabanlı haberleşme alt yapısına sahip dördüncü nesil haberleşme teknolojisidir. Aşağı linkte 100Mbps ve yukarı linkte 50Mbps veri hızlarını 10ms lik gecikmelerle gerçekleştirmektedir. Kullanılan ölçeklenebilir bant genişlikleri 1.4MHz den 20MHz e kadar değişkenlik gösterir. Dördüncü nesil ve üçüncü nesil şebeke yapıları karşılaştırıldığında, üçüncü nesil haberleşme sistemlerinde yer alan RNC (radyo şebeke denetleyicisi) fonksiyonları LTE de geliştirilmiş baz istasyonu(enode B) birimi içinde yer almakta yine üçüncü nesil sistemlerde yer alan SGSN(GPRS servis birimi) & GGSN(GPRS ağ geçit birimi) düğümleri yerine LTE de agw (erişim ağ geçit birimi) birimi bulunmaktadır. Şekil 1den de görüleceği üzere kullanılan santral birimlerinin azlığı şebeke mimarisini basitleştirmekte ve maliyeti düşürmektedir. Şekil 1 Üçüncü nesil ve dördüncü nesil şebeke mimarileri Dördüncü nesil haberleşme sistemlerinin geniş bant kullanması, kapasite ve iletim hızları açısından kendisinden önceki sistemlere göre çok yetenekli olmasını sağlar. Düşük maliyet, küresel standartlaşma, kişisel ve özel şebekeler, her yerde aynı anda bulunan ve kullanıcıya özel olarak tanımlanmış servisler,
haberleşme-bilgisayar ve içerik sağlayan teknolojilerin yakınsaması, tümüyle IP haberleşmesi dördüncü nesil haberleşme sistemlerini farklı kılan özelliklerdir. Tablo 1. LTE Teknolojisinin Özellikleri Maksimum veri hızı (20MHz'lik bant genişliği için) Abone hareket hızı Kontrol katmanı gecikmesi Kullanıcı katmanı gecikmesi Kontrol katmanı kapasitesi (5MHz'lik bant genişliği için) Hücre kapsaması Kullanılabilir bant genişlikleri Aşağı link : 100Mbps Yukarı link: 50Mbps 0 ile 15km/saat gibi düşük hızlardan 500km/saat kadar yüksek hızları desteklemektedir < 100ms < 5ms Hücre başına 200 kullanıcıdan daha büyük 1-30 km en fazla kullanılan büyüklük olup hücre kapsaması 100km'ye kadar desteklenmektedir. 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz Bu çalışmada, ülkemizde henüz lisans sözleşmesi yapılmamış olan deneme uygulamaları süren LTE (uzun vadeli evrim) standardında çalışacak haberleşme sistemleri için kapasite ve kapsama analizi gerçekleştirilmiştir. 2. LTE de Kapsama Hesaplamaları LTE şebekesinde abonenin, sunulan hizmetleri kesintisiz olarak alabilmesi şebeke kapsamasına bağlıdır. Bu nedenle kapsama hesaplamaları hücre planlamasında önemli bir yere sahiptir. Bu çalışmada kentsel alan mikro hücre için aşağı link kapsama hesaplamaları Genişletilmiş Hata, Walfish-Ikegami ve 3GPP TS 36.942 olmak üzere üç farklı yol kayıp modeli baz alınarak gerçekleştirilmiştir. Kapsama hesabında kullanılan alıcı güç ifadesi: [5] [7] RX PWR = TX PWR Max(P L G TX G RX, MCL) (1) olup, RX PWR kullanıcı cihazına gelen sinyali, TX PWR baz istasyonunun çıkış gücünü, G TX baz istasyonu anten kazancını, G RX kullanıcı cihazı anten kazancını, MCL minimum bağlaşım kaybını ve P L yol kaybını temsil etmektedir. Hesaplamalarda kullanılan LTE sistem parametreleri tablo 2 de verilmektedir. Tablo 2. LTE haberleşmesi için kullanılan parametreler Parametre Baz istasyonu anten kazancı (G TX ) Baz istasyonu çıkış gücü (TX PWR ) Baz istasyonu gürültü faktörü (F) Kullanıcı cihazı anten kazancı (G RX ) Minimum bağlaşım kaybı (MCL) Makro hücre baz istasyonu yüksekliği (Hb) Mikro hücre baz istasyonu yüksekliği (Dhb) Değer 15dBi 43dBm 5dB 0dBi 70dB 45m 15m Kullanıcı cihazı anten yüksekliği (Hm) 1.5m
LTE çalışma frekansları olan 900 MHz, 1800 MHz, 2000 MHz frekanslarında alıcı gücünün mesafeye bağlı değişimi şekil 2, 3 ve 4 te verilmektedir. Şekil 2. 900 MHz Mikro Hücre Kentsel Alan Şekil 3. 18000 MHz Mikro Hücre Kentsel Alan Şekil 4. 2000 MHz Mikro Hücre Kentsel Alan 3. LTE Kapasite ve Bant Verimliliği Hesaplamaları LTE haberleşmesi çok girişli çok çıkışlı (MIMO) kanal yapısına sahiptir. MIMO teknolojisi ile uyarlanabilir değişken hızlı kodlama (Adaptive Multirate Coding) kullanıldığında LTE yüksek veri hızlarını destekler. Bu çalışmada aşağı linkte (Baz istasyonundan aboneye doğru olan link) kanal kapasitesi, bant verimliliği normalize edilmiş Shannon kapasite ifadesi kullanılarak hesaplanmıştır.[6] C k = ɳ BW q=1 log 2 1 + α k,q β k,q ɳ SNR S N (2) C = ɳ BW K q k=1 q=1 log 2 1 + α k,q β k,q ɳ SNR S N (3) İfadesinde = yatay sönümlemeli alt kanal sayısını α k,q = değişik güç kazançlarına sahip alt kanalları (eigen değişkeni) temsil eder. β k,q = (k,q) uncu alt kanal güç yerleşimini ɳ BW = sistem bant genişliği verimliliğini ɳ SNR = sistem S/N verimliliğini
LTE kapasite hesaplamalarında kanal iki taraflı gürültü güç spektral yoğunluğuna ( N 0 /2) sahip ek beyaz Gauss gürültüsü (AWGN) ile modellenmiştir. Haberleşmede kullanılan modülasyon performansı sembol hata olasılıkları, P(e), ile tanımlanmış, farklı sembol sayısına, M, sahip modülasyon türleri arasında karşılaştırma yapabilmek için bit hata olasılıkları, P b (e) ve bit hata oranı, BER, hesaplanmıştır. Modülasyon performansını değerlendirmede üç önemli parametre olan bit hata olasılığı, P b (e), bit enerjisinin gürültü güç yoğunluğuna oranı ε b / N 0 ve bant verimliliği R b /B w incelenmiştir. Bu parametrelerin ilki iletim güvenilirliğini, ikincisi güç harcamasına bağlı verimliliği ve üçüncüsü de modülasyonun frekans bandının verimli kullanılmasının göstergesidir. LTE de kullanılan modülasyon türleri PSK (M=4), 16-AM (M=16) ve 64-AM dir (M=64). Verilen modülasyon türlerinin hata olasılık fonksiyonu, P(e), ise [10] P e erfc 2erfc ε b N 0 log 2 M sin π M 3 log 2 M ε b 2 M 1 N 0, M PSK, M AM (4) dir. Bu ifadede ε b bir bitin enerjisini tanımlar. Bir sembolün taşıdığı enerji ε = ε b log 2 M olarak tanımlanır. Buna göre, S, ortama sembol gücü, S = ε b log 2 M T = ε b R b (5) olarak ifade edilir. Rb bit iletim hızıdır. R b = log 2 M T (6) LTE de bant verimliliği birim frekans başına bit hızı olarak tanımlanır. Kullanılan kodlama şeması, yüksek hızlı paket erişim teknolojisinde kullanılan kodlama şeması ile aynıdır. Her modülasyon türü için hedeflenen bit hata oranına, P b,target, bağlı olarak kodlama kazancı, G MSC, hesaplanır. [5] Kullanılan modülasyon türüne göre bant verimliliği performansı, kod kazancı G MCS, kod hızı(k/n), sembol başına bit sayısı ve denklem (7) de tanımlanan hata olasılık fonksiyonundan elde edilir. R b B = min 3 log 2 M n k G MSC P b,target S N 2 M 1 erfc 1 P b,target log 2 M 2 2, k n log 2 M (7) Tablo 3 te verilen parametreler ve hedeflenen bit hata oranı, BER, 10-3 için bant verimliliği performansı sonuçları şekil 4 te verilmiştir. Şekil 5 te çizdirilmiş olan bant verimliliği grafiği 1x1 SISO (tek girişli tek çıkışlı) anten yapısına göre hesaplanmıştır. MIMO kanal kapasitesi ise, nt verici nr alıcı anten yapısı ve Rayleigh sönümlü kanalları ile modellenip paralel kanallardaki güçler water-filling algoritması ile hesaplanarak (şekil 6) çizdirilmiştir. Bu koşullar altında MIMO, 2x2 anten yapısı ile %70, 2x3 ve 3x2 anten yapısı ile %100, 4x4 anten yapısı ile %205 oranında kazanç sağlamaktadır. [9]
Tablo 3. LTE Aşağı link parametreleri Modülasyon Kod Hızı (k/n) 1 PSK 1/8 2 PSK 1/5 3 PSK 1/4 4 PSK 1/3 5 PSK 1/2 6 PSK 2/3 7 PSK 4/5 8 16-AM 1/2 9 16-AM 2/3 10 16-AM 4/5 11 64-AM 2/3 12 64-AM 3/4 13 64-AM 4/5 Şekil 5. Bant verimliliği Şekil 6. MIMO Kapasitesi 4. Sonuçlar Kaliteli haberleşme için alıcı sinyal duyarlılığının -110 dbm alındığı haberleşme koşullarında 900MHz de hücre yarıçapı 2000m mertebesinde, 1800 MHz de 1000m mertebesinde ve 2000MHz de ise 800m mertebesinde elde edilmiştir. Hesaplamalarda kullanılan Genişletilmiş Hata, Walfish-Ikegami ve 3GPP TS 36.942 modellerinin birbirleriyle uyumlu sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Şekil 2,3,4. Şekil 5 de değişik modülasyon ve kodlama türlerine göre bant verimliliği, işaret gürültü oranının 18 db değeri için incelendiğinde 64AM 4/5 kodlamada hertz başına bant verimliliği 4.8 bps olarak elde edilmiştir. Yüksek veri hızlarında haberleşebilmek için işaret gürültü oranının 10dB den daha yüksek olması gerektiği gözlenmiştir. Şekil 6 da MIMO 2x2 ve 4x4 anten yapılarında kazancın anten sayısıyla orantılı olarak arttığı gözlenmiştir.
Sonuç olarak gerçek zamanlı yüksek hızlı haberleşme sağlayan LTE teknolojizi mobil TV gibi yüksek veri hızı gerektiren uygulamalarda alternatifsiz olarak gözükmekte ve gelecekte DVB-H teknolojisine rakip olarak gösterilmektedir. 5. Kaynaklar [1] 4G Americas Global 3G Status HSPA / HSPA+ / LTE 24 Mart 2011. [2] H. Holma, A. Toskala LTE for UMTS OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access John Wiley & Sons, 2009 [3] M. Baker, I. Toufik, S. Sesia LTE, The UMTS Long Term Evolution from Theory to Practice John Wiley & Sons, 2010 [4] F. Khan LTE for 4G Mobile Broadband, Air Interface Technologies and Performance Cambridge University Press, 2009 [5] 3GPP TR 36.942 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Frequency (RF) system scenarios Release 8, 2009 [6] P. Vieira, P. ueluz, A. Rodrigues LTE Spectral Efficiency using Spatial Multiplexing MIMO for Macro-cells IEEE 978-1-4244-4242-3, 2008 [7] Kavas A., Cellular Mobile Radio System Design Using Path Loss Calculations 3rd International Conference on Electrical and Electronics Engineering, Bursa-Turkey,2003 pp-290-293,vol.electronic ISBN:975-395-667-3. [8] Zhang L. Network Capacity, Coverage Estimation and Frequency Planning of 3GPP Long Term Evolution Master Thesis, Linköpings Institute of Technology, 2010 [9] H. Ramezani MIMO Rayleigh fading Channel Capacity Matlab Central, http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/12491-mimo-rayleigh-fading-channel-capacity [10] S. Benedetto, E. Biglieri Principles of Digital Transmission with Wireless Applications Kluwer Academic, Plenum Publishers, New York, 1999.