GRUPPO TELECOM ITALIA Conferenza AEIT Bologna, 28 ottobre 2008 – Università degli studi di...

GRUPPO TELECOM ITALIAConferenza AEITBologna, 28 ottobre 2008 – Università degli studi di Bologna – Facoltà di Ingegneria

| PIERGIORGIO FARAON | Technology - Network.Operation Area Nord Est

Progettazione della copertura UMTS/HSDPA: case study Bologna

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| PIERGIORGIO FARAON | T.N.OA NE/ NDConferenza AEIT – Università di Bologna, 28 ottobre 2008

GRUPPO TELECOM ITALIA

Progettazione della copertura 3G

Basic 3G Planning : Link Budget e pianificazione di massima

Processo di Progettazione UMTS con Simulatore Timplan

Vincoli del bando di gara UMTS

Dal Piano Lavori alle mappe di copertura, alla copertura del servizio a Bologna

Agenda

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Agenda

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Flowchart della Progettazione 3G

Link Budget

Progettazione di dettaglio al simulatore

Ottimizzazione di Rete

Requisiti di copertura

Mix di serviziPrestazioni

N° celle/sitiEquipaggiamento di

massimaDB morfologiaDB urbanizzatoDistribuzione di

traffico

Posizione dei sitiParametri Radio

Copertura e serviziPrestazioni di rete

Misure Prestazioni di Rete (drive test,

KPIs)

Tuning progetto radio e parametri di Radio

Resource Management

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La spirale dell’Ingegneria di Rete

complessitàrete

Ottimizzazione: tangenziale di Bologna

€, t

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La tecnica del link budget, applicata a qualsiasi tipo di rete cellulare terrestre, permette di stimare l’area di copertura della singola cella e, di conseguenza, il numero di celle necessarie a coprire il territorio

AREA DA COPRIRE R

Link Budget→ R

Link Budget

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Il segnale deve essere ricevuto con una potenza superiore alla sensibilità del ricevitore : Prx>=S

ma il segnale ricevuto è la potenza trasmessa meno l’attenuazione di tratta: Ptx-A>=S; quindi la Ptx>=S+A

PUE>=SBTS+LUL+MUL

PBTS>=SUE+LDL+MDL

Il tutto deve valere sia nella tratta down link (dalla stazione al terminale mobile) che in quella in up link (terminale mobile – stazione radio)

Link Budget

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Nelle prime fasi di deployment della rete UMTS, in condizioni quindi di traffico limitato, è la tratta uplink ad imporre i limiti di copertura: ciò per la limitata potenza del mobile e per la caratteristica interferenziale dell’accesso spread spectrum tipico di UMTS.

Definito il margine di interfenza si utilizza quindi il link budget della tratta uplink per stimare il raggio di cella (dmax) e conseguentemente il numero di celle necessarie a coprire una porzione di territorio

,

Successivamente si controlla che l’attenuazione massima individuata sia sostenibile anche nella tratta DL (potenza della BTS), altrimenti si dovrà aumentare il numero delle celle

Dimensionamento di massima

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A(dmax)= PUE+(GUE-LUE)-SBTS+(GBTS-LBTS)-Mint(UL)-Mtot

-

Nella tratta UL il link budget si esprime nella:

PUE>=SBTS+LUL+MUL

da cui, esplicitando le perdite ed i guadagni d’antenna, si ottiene l’attenuazione di tratta sostenibile

Link Budget UL

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-A(dmax) è l’attenuazione di tratta, funzione della distanza tra BTS e UE, calcolata a bordo cella

-GBTS,LBTS sono il guadagno di antenna e la perdita di tratta lato stazione radio base

-GUE, LUE sono il guadagno di antenna e la perdita di tratta lato terminale mobile

-PUE è la potenza massima di trasmissione del terminale mobile per il servizio considerato

-SBTS Sensibilità del ricevitore del nodo B

-Mtot Margine di interferenza

-Mint(UL) Margine di interferenza in UL

Componenti attenuazione di tratta

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Sensibilità del ricevitoreSRX = kT + NF + 10 log (R) + (Eb / N0)target + Mimp

Il valore di sensibilità da introdurre nel link budget dipende dalla cifra di rumore del ricevitore: l’inserimento di un amplificatore a basso rumore subito dopo l’antenna di ricezione permette di abbassare la cifra di rumore del ricevitore e di pre-compensare le perdite delle calate di antenna

raggio di cella senza TMA

raggio di cella con TMA

raggio di cella con

TMA criogenici

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Sensibilità del ricevitoreSRX = kT + NF + 10 log (R) + (Eb / N0)target + Mimp

Caratterizza la sensibilità il tipo di servizio considerato: bit rate R e (Eb/N0 )target In particolare il punto di lavoro Eb/No viene ottenuto mediante simulazioni di link e dipende dal tipo di canale radio/scenario di riferimento, dalla velocità dell’utente, dal tipo di RAB mapping utilizzato e dalle caretteristiche del ricevitore.

servizio R (kbit/s) Eb/No (dB)voce 12,2 5

Data CS 144 1,5Data PS 384 1

Effetto della velocità e del Power Control su Eb/No

1,0 10,0 100,0 1000,0

velocità del mobile (km/h)

Eb

/No

Da “WCDMA for UMTS”, H.Holma, A.Toskala

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Mtot: Margine totale di tratta

MTOT = Mshad +MMCM + MTPC - GSHO +Lbody + LIN

Mshad: Margine shadowing per garantire la outage voluta a bordo cella, per l’UMTS 95% come da bando di gara, compensando le fluttuazioni lente del segnale dipendenti dal tipo di ambiente considerato (Urbano denso Urbano, Suburbano, Rurale)

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MMCM: Margine di Compress Mode per garantire la possibilità di misure tra UMTS e GSM (solo per gestori dual mode: “3” non considera questo margine).

Disponendo la stazione radio, così come il terminale, di un unico ricevitore, si deve interrompere il flusso UMTS per creare una finestra temporale ove misurare il GSM: il tutto avviene raddoppiando il rate di trasmissione con Eb/No costante e quindi con raddoppio della potenza (tipico valore di Margine di Compress Mode 3dB)

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Mtpc: Margine di power control o fast fading per compensare gli effetti delle fluttuazioni veloci (normalmente 2-5 dB). La presenza del fast power control permette di definire un Eb/No meno stringente

GSHO: Guadagno di Soft Handover dovuto alla ricombinazione dei segnali in dowlink (rake receiver); in Uplink è presente solo nei casi di Softer Handover, altrimenti si seleziona in RNC il segnale con migliore BER/BLER.


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Mbody loss: Margine per compensare le alterazioni di adattamento/assorbimento/ polarizzazione/diagramma di radiazione, dovute alla vicinanza dell’antenna al corpo umano; tipicamente si utilizzano 3 dB per servizio voce (0 per i dati) (cfr “WCDMA for UMTS”, H.Holma, A.Toskala)

MIN: Margine per la penetrazione incar o indoor: tiene conto degli effetti medi dovuti alla penetrazione del segnale radio all’interno di una macchina o di un edificio; dipende chiaramente dal tipo di ambiente propagativo e dalla frequenza.Valori di riferimento per ambiente urbano sono tipicamente di 8 dB per in car e di 15 dB per indoor (cfr “WCDMA for UMTS”, H.Holma, A.Toskala). Telecom Italia ha condotto una massiccia campagna di misura per caratterizzare statisticamente la penetrazione indoor in funzione del piano.


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Il margine di interferenza tiene conto della probabile presenza di altri segnali che si propagano nello stesso mezzo e che quindi creano interferenza.

Ipotizzato un certo scenario di traffico, si può valutare la capacità della singola cella nella tratta UL, quindi il fattore di carico ed infine il margine di interferenza

Margine interferenza in UpLink

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Attenuazione di tratta e raggio di cella

A(dmax)=L0 +m log(d) d=Log-1[(A(d) -L0)/m)]

dove d rappresenta la distanza base-mobile espressa in km, mentre L0 ed m sono parametri dipendenti dall’ambiente considerato nonché dalla frequenza.

Applicando Okumura Hata in ambiente urbano a 1950 MHz si ottiene

A(d) = 137.4+ 35.2 Log(d)


Definiti tutti i termini della attenuzione di tratta, si può esplicitare questa in funzione della distanza tra SRB e mobile tramite la

formula di Okumura Hata

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Link Budget UL

PUE+(GUE-LUE)-SBTS+(GBTS-LBTS)-Mint(UL)-Mtot =

f (ambiente di propagazione, caratteristiche dell’accesso,

tipo di penetrazione incar/indoor)

f (Noise Figure ricevitore, velocità di trasmissione,

Eb/No richiesto per il servizio)

f (scenario di traffico)

f (classe del terminale)

A(dmax)

f (ambiente di propagazione)

raggio di cella max

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Link Budget ULCalcolo attenuazione di tratta, raggio di cella in ambiente urbano e per tipo

di servizio

Voce CS 12.2 kbit/sDati CS 64 kbit/sDati Cs 144 kbit/sDati PS 384 kbit/s

Attenuazione di tratta massima - ambiente urbano

(dB)131128125123

Raggio di cella (m)658541457411

raggio di cella 411

distanza intersito 616

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Link Budget UL: case study BolognaNumero di siti necessari in funzione dell’ambiente di propagazione

BOLOGNA celle siti UMTS siti GSMUrbano denso 153Urbano 135Sun Urbano 30Area vegetata 2

107 46

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Agenda

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Flowchart della Progettazione 3G

Link Budget


Ottimizzazione di Rete

Requisiti di copertura

Mix di serviziPrestazioni

N° celle/sitiEquipaggiamento di

massimaDB morfologiaDB urbanizzatoDistribuzione di

traffico

Posizione dei sitiParametri Radio

Copertura e serviziPrestazioni di rete

Misure Prestazioni di Rete (drive test,

KPIs)

Tuning progetto radio e parametri di Radio

Resource Management

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Tale tipo di progettazione è svolta attraverso un tool di simulazione. TIMPLAN è un tool proprietario sviluppato nei laboratori TiLab

Risultati tipici della fase di progettazione di dettaglio sono:Selezione e posizionamento dei siti;Configurazione dei parametri radioelettrici;Previsione delle coperture elettromagnetiche (per macrocelle e microcelle);Prestazioni di massima della rete.

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Progettazione di dettaglio al simulatoreTIMPLAN include un Geographic Information System (GIS) ed un database proprietario, completamente integrati all’interno del tool di pianificazione.

Tale database comprende dati raster (Morfologia, Altimetria del terreno, densità di edificato) e vettoriali (strade, contorno edifici, ferrovie,…) Sorgente EM

(Stazione RadioBase)

Caratteristiche radioelettriche

Posizione geografica (x,y,z)

Ambiente di propagazione

Caratteristicheterritoriali

(Cartografia/raster

GIS + DB Tilab)

Modello

di

Propagazione

Area di copertura

Valor medio

Media locale

Valore puntuale

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Modelli di propagazione macrocellulari

Componenti del modello di propagazione: 1. Curva base di trasmissione: originale TILAB in funzione di

frequenza, distanza, altezza terminale mobile, altezza efficace

2. Effetto della diffrazione da ostacoli multipli: approccio Huyghens-Fresnel multischermo opportunamente customizzato

3. Effetto dell’urbanizzato e morfologia: algoritmo originale TILAB

Ogni componente del modello è sottoposta a calibrazione mediante campagne di misura dedicate

Il modello nel suo complesso è sottoposto a validazione mediante estensive campagne di misuraOltre ai motori macrocellulari citati, operanti tipicamente alle

risoluzione di 50-250m, è disponibile in TIMPLAN un modello di propagazione per ambienti urbani con dati ad alta risoluzione (≤ 10m)

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Flowchart della progettazione con simulatore e delle prestazioni del progetto: analisi con e senza traffico

Calcolo Coperture e Best ServerDefinizione delle matrici di traffico

Verifica copertura RSCP, Ec/Io, Soft Handover Pollution

Calcolo aree di servizio (cell breath) carico in UL, potenza in UL, Ec/Io, SH

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Calcolo della copertura e Best Server

In ogni pixel del territorio si definisce cella best server la cella la cui copertura presenta il livello di campo più elevato tra tutte le coperture delle celle che appartengono a tale livello.

Per come e’ calcolata, il concetto di cella Best Server puo’ essere legata a quello di cella servente, anche se e’ più appropriato intendere la cella best server individuata dalle simulazioni come quella a cui si aggancerebbe un mobile spostandosi sul territorio in idle mode (la cell selection/reselection avviene in genere in base ai livelli di campo misurati).

In connected mode invece intervengono meccanismi di isteresi degli handover che fanno si che la cella servente non sia sempre quella ricevuta con il valore di campo più elevato.

In generale, i tool di pianificazione come TIMPLAN sono di tipo statico e non possono simulare meccanismi dinamici come le isteresi degli handover in connessione.

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Calcolo della copertura e Best Server

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Analisi in assenza di traffico: mappa di Ec/Io

Progettazione UMTS con simulatore TIMPLAN

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Si individuano il numero di CPICH contemporaneamente ricevuti all’interno della soglia di macrodiversità (candidate set)

Analisi in assenza di traffico: Soft Handover e Pollution

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Analisi in presenza di traffico: cell breathing

Rete scarica

Rete molto carica

Rete mediamente carica

Distribuzione sul territorio coperto di un mix di traffico relative caratteristiche radio: (Eb/N0 ;bit rate) ;SAF (Service Activity Factor), tipo di connesione)

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Analisi in presenza di traffico

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Analisi in presenza di traffico: outage DL/UL

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Analisi al variare del traffico: tratta UL, potenza DCH

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Agenda

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Il regolamento per la procedura del rilascio delle licenze per i sistemi mobili di terza generazione è descritto nella “Delibera 410/99 dell’Autorità per le Garanzie nelle COMunicazioni”

A partire dal 01/01/2002 sono state rese disponibili le nbande2X60MHz FDD DA 1920MHz A 1980MHz

DA 2110MHz A 2170MHz 35MHz TDD DA 1900MHz A 1920MHz

DA 2010MHz A 2025MHz ogni competitor ha potuto scegliere la tecnologia ritenuta più idonea

Vengono imposti dei vincoli di copertura ai titolari di licenzaCapoluoghi di Regione entro 30 mesi dal 01/01/2002Capoluoghi di Provincia entro 60 mesi dal 01/01/02

Delibera AGCOM: bando di gara UMTS

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2110 2125 21702135 2145 2160

1920 1935 19801945 1955 1970

MHz

MHz

Uplink

Downlink

Licenze UMTS: Frequenze acquisite (aprile 2000)

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i limiti di copertura sono definiti nel:“disciplinare di gara approvato con deliberazione del comitato dei

ministri del 25/07/2000”

partizionata l’area di osservazione in “pixel” di 1km2 questo e’ inteso coperto da un operatore se sono soddisfatte le seguenti condizioni da “a” a “k”

a il pixel appartiene ad una cella della rete dell’operatore

b tutti gli utenti in chiamata nel pixel sono impegnati in connessioni del tipo cbr (constant bit rate) bi-direzionali simmetriche a 144kbps e si muovono a 3kmh all’interno di edifici nel pixel

c il rapporto tra n°utenti e n°residenti nel pixel e’ >= 3%

d il traffico offerto da ogni utente nel pixel e’ >=5mErlang

Licenze UMTS: requisiti di copertura e servizio

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e l’ambiente di propagazione assunto nel pixel e’ realistico

f non esiste interferenza causata dal altri operatori nello stesso pixel a causa dello stesso o di altri sistemi di comunicazione

g i tentativi di instaurazione della connessione nel pixel sono per tipologie come al punto “b” con una probabilita’ di blocco <=0,02

h quando la durata media della connessione e’ pari a 3 minuti la probabilita’ di caduta e’ <=0,01

i sia in UL che in DL per le tipologie di connessione di cui al punto “b” BER<=10-5

j le connessioni di cui al punto “b” sono “real time”

k per le connessioni di cui al punto “b” la disponibilita’ è >=95%

Licenze UMTS: requisiti di copertura e servizio

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infine, ai fini del soddisfacimento dei vincoli di copertura le condizioni simultanee che devono essere soddisfatte sono:

nell’insieme dei pixel “coperti” risiede almeno il 95% della popolazione dell’area geografica presa in esame

almeno il 30% dei pixel dell’area geografica presa in esame risultano coperti

facendo ricorso ad un link-budget tutti questi vincoli possono essere trasformati in livelli di campo elettrico minimi che devono essere garantiti (ovvero le attenuazioni massime) per soddisfare le richieste del bando di gara

Licenze UMTS: requisiti di copertura e link budget

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Agenda

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►riconfigurazione di tutti i siti esistenti (seguendo la priorita’ cdr cdp rdt) per aggiungere il sistema umts a fianco degli esistenti tacs, gsm900 e gsm1800

►realizzazione massiva di nuovi impianti (seguendo la priorita’ cdr cdp rdt) per raggiungere nei tempi imposti i limiti prefissati integrando la copertura insufficiente offerta dai siti esistenti

In Emilia Romagna tutto il processo e’ stato affrontato nel rispetto della “Legge Regionale 30/2000” che impone la presentazione di un piano di lavori annuale entro il 30/09 di ogni anno. nel piano devono essere evidenziati:

i siti puntualila riconfigurazione di impianti esistentile aree di ricerca dei nuovi impianti(cerchi di raggio max=150m che indicano le zone di interesse)

Il piano di copertura TIM 2002-2007: action point

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DEFINIZIONE DEL PIANO LAVORI ANNUALECopertura UMTS del Comune di Bologna al 31/12/2002

OUTDOOR

OUT OF COVERAGE

IN CAR

URBAN INDOOR

SITI TIM

OUTDOOR

OUT OF COVERAGE

IN CAR

URBAN INDOOR

SITI TIM

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DEFINIZIONE DEL PIANO LAVORI ANNUALEPiano Lavori sul Comune di Bologna al 30/09/2002

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Copertura UMTS del Comune di Bologna al 31/12/2003

OUTDOOR

OUT OF COVERAGE

IN CAR

URBAN INDOOR

SITI TIM 2002

SITI TIM 2003

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Copertura UMTS del centro di Bologna al 31/12/2002

OUTDOOR

OUT OF COVERAGE

IN CAR

URBAN INDOOR

SITI TIM

OUTDOOR

OUT OF COVERAGE

IN CAR

URBAN INDOOR

SITI TIM

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DEFINIZIONE DEL PIANO LAVORI ANNUALEPiano Lavori sul centro di Bologna al 30/09/2002

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OUTDOOR

OUT OF COVERAGE

IN CAR

URBAN INDOOR

SITI TIM 2002

SITI TIM 2003


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OUTDOOR

OUT OF COVERAGE

IN CAR

URBAN INDOOR

SITI TIM 2002

SITI TIM 2003

SITI TIM 2004

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OUTDOOR

OUT OF COVERAGE

IN CAR

URBAN INDOOR

SITI TIM 2002SITI TIM 2002



SITI TIM 2005

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OUTDOOR

OUT OF COVERAGE

IN CAR

URBAN INDOOR






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ma il futuro non è poi così a lungo termine

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Ericsson LTE demo systemMilan, October 2008

courtesy by

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Il futuro non è poi a così lungo termine

ed il futuro è sempre più “mobile” e “broadband”

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