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Progettazione della copertura UMTS/HSDPA: case study Bologna. Agenda. Basic 3G Planning : Link Budget e pianificazione di massima Processo di Progettazione UMTS con Simulatore Timplan Vincoli del bando di gara UMTS

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Presentation Transcript
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Agenda

  • 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
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Agenda

  • 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
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Flowchart della Progettazione 3G

Link Budget

Requisiti di copertura

Mix di servizi

Prestazioni

N° celle/siti

Equipaggiamento di massima

DB morfologia

DB urbanizzato

Distribuzione di traffico

Progettazione di dettaglio

al simulatore

Posizione dei siti

Parametri Radio

Copertura e servizi

Prestazioni di rete

Misure Prestazioni di Rete (drive test, KPIs)

Ottimizzazione di Rete

Tuning progetto radio e parametri di Radio Resource Management

la spirale dell ingegneria di rete

Ottimizzazione: tangenziale di Bologna

La spirale dell’Ingegneria di Rete

€, t

complessità

rete

QUALITA' E PERFORMANCE:

parametri di cella

COPERTURA:

Stazioni Radio

Rete

Accesso

Radio

CAPACITA':

Channel Elements

ADEGUAMENTO DI RETE:

Tilt/Riorientamento

EVOLUZIONE TECNOLOGICA:

Edge/HSDPA: HW & SW integration

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R

Link Budget

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

Link Budget→ R

AREA DA COPRIRE

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Link Budget

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

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

PUE>=SBTS+LUL+MUL

PBTS>=SUE+LDL+MDL

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Dimensionamento di massima

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

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Link Budget UL

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

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

-

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Componenti attenuazione di tratta

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

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

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

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

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

  • SBTSSensibilità del ricevitore del nodo B
  • MtotMargine di interferenza

-Mint(UL)Margine di interferenza in UL

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Sensibilità del ricevitore

SRX = 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 ricevitore

SRX = 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.

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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Mtot: Margine totale di tratta

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

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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Mtot: Margine totale di tratta

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

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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Mtot: Margine totale di tratta

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

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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Margine interferenza in UpLink

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

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Attenuazione di tratta e raggio di cella

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

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

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)

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Link Budget UL

raggio di cella max

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

A(dmax)

f (classe del terminale)

f (ambiente di propagazione)

f (Noise Figure ricevitore,

velocità di trasmissione,

Eb/No richiesto per il servizio)

f (scenario di traffico)

f (ambiente di propagazione, caratteristiche dell’accesso,

tipo di penetrazione incar/indoor)

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Link Budget UL

Calcolo attenuazione di tratta, raggio di cella in ambiente urbano e per tipo di servizio

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Link Budget UL: case study Bologna

Numero di siti necessari in funzione dell’ambiente di propagazione

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Agenda

  • 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
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Flowchart della Progettazione 3G

Link Budget

Requisiti di copertura

Mix di servizi

Prestazioni

N° celle/siti

Equipaggiamento di massima

DB morfologia

DB urbanizzato

Distribuzione di traffico

Progettazione di dettaglio

al simulatore

Posizione dei siti

Parametri Radio

Copertura e servizi

Prestazioni di rete

Misure Prestazioni di Rete (drive test, KPIs)

Ottimizzazione di Rete

Tuning progetto radio e parametri di Radio Resource Management

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Progettazione di dettaglio al simulatore

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 simulatore

TIMPLAN 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,…)

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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 misura

Oltre 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 Server

Definizione 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

calcolo della copertura e best server
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 elevatotra 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.

analisi in assenza di traffico soft handover e pollution
Analisi in assenza di traffico: Soft Handover e Pollution

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

analisi in presenza di traffico cell breathing
Analisi in presenza di traffico: cell breathing

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

Rete scarica

Rete mediamente carica

Rete molto carica

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Agenda

  • 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
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Delibera AGCOM: bando di gara UMTS

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 nbande 2X60MHz 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 licenza

Capoluoghi di Regione entro 30 mesi dal 01/01/2002

Capoluoghi di Provincia entro 60 mesi dal 01/01/02

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Uplink

1980

1945

1955

1970

1935

1920

MHz

MHz

2110

2170

2125

2135

2145

2160

Downlink

Licenze UMTS: Frequenze acquisite (aprile 2000)

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Licenze UMTS: requisiti di copertura e servizio

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

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Licenze UMTS: requisiti di copertura e servizio

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%

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Licenze UMTS: requisiti di copertura e link budget

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

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Agenda

  • 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
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Il piano di copertura TIM 2002-2007: action point

►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 puntuali

la riconfigurazione di impianti esistenti

le aree di ricerca dei nuovi impianti(cerchi di

raggio max=150m che indicano le zone di interesse)

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Il futuro non è poi a così lungo termine

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