Krzysztof Syroczyński,
Arkadiusz Wiśniewski,
Piotr Zwierzykowski,
Politechnika Poznańska,
2006
Wydział Elektroniki i Telekomunikacji,
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
ul. Piotrowo 3A, 60-965 Poznań,
Poznań7- 8grudnia 2006
E-mail: [e-mail]
BADANIA SYMULACYJNE INTERFEJSU RADIOWEGO WCDMA
DLA A

CZA  W GÓR
 I  W DÓA

Streszczenie: W sieciach bezprzewodowych korzy- interfejsu radiowego, bez obniżenia jakości usług bę-
stających z interfejsu radiowego WCDMA, funk-
dzie wynosiło około 50 - 80% [3].
cja sterowania przyjmowaniem nowych zgłoszeń
Tematem artykułu jest przedstawienie wyników
podejmuje decyzję o rozpoczęciu obsługi nowego
badań symulacyjnych łącza  w górę i  w dół dla sys-
zgłoszenie, lub o odrzuceniu zgłoszenia, w zależ-
temu komórkowego z interfejsem radiowym WCDMA.
ności od aktualnego obciążenia zasobów komórki
dostępowej oraz komórek sąsiednich. Nowe zgło- Badania zostały przeprowadzone w oparciu o znane
szenie jest odrzucane, jeśli poziom obciążenia ko-
metody symulacji systemów ze skończoną i nieskoń-
mórki założony na etapie projektowym zostanie
czoną liczbą z
ródeł ruchu oferowanych wiązce peł-
przekroczony. W artykule przedstawiono model
nodostępnej [5, 6]. Prezentowana metoda badań sy-
symulacyjny umożliwiający ocenę charakterystyk
mulacyjnych może zostać wykorzystana do oszacowa-
ruchowych takiego systemu z uwzględnieniem po-
łączeń  w górę i  w dół . nia pojemności sieci 3G na etapie jej projektowania
i, dzięki uwzględnieniu zarówno skończonej jak nie-
skończonej liczby użytkowników, może się przyczynić
1. Wprowadzenie
do ograniczenia kosztów budowy infrastruktury sie-
ciowej.
Uniwersalny system telekomunikacji ruchomej
Artykuł podzielono na 5 rozdziałów. W rozdziale
UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunication
2 przedstawiono podstawowe zależności opisujące ob-
System) wykorzystujący interfejs radiowy WCDMA
ciążenie łącza radiowego  w górę dla interfejsu radio-
(ang. Wideband Code Division Multiple Access) to je-
wego WCDMA. Rozdział 3 prezentuje model symu-
den ze standardów zaproponowanych dla telefonii ko-
lowanego systemu i zastosowany algorytm symulacji.
mórkowej trzeciej generacji (3G). Standard ten został
Wyniki symulacji dla systemu składającego się z sied-
przyjęty w Europie oraz niektórych krajach azjatyc-
miu komórek przedstawiono w rozdziale 4. Rozdział
kich.
5 zawiera podsumowanie.
Szacowanie pojemności interfejsu radiowego
WCDMA, ze względu na możliwość alokacji zaso-
2. Obciążenie interfejsu radiowego WCDMA
bów dla różnych klas ruchu złożone. Ponadto, wszy-
dla łącza  w górę
scy użytkownicy obsługiwani przez daną komórkę ko-
rzystają z tego samego kanału częstotliwościowego,
Interfejs radiowy WCDMA umożliwia uzyskiwa-
a rozróżnienie transmitowanych przez nich sygnałów
nie dużych przepływności. Jednocześnie jego pojem-
jest możliwe tylko i wyłącznie dzięki stosowaniu or-
ność jest ograniczona dopuszczalnym poziomem mocy
togonalnych kodów [1]. Jednak ze względu na zjawi-
interferencji w kanale częstotliwościowym. W każdym
sko wielodrogowości zachodzące w kanale radiowym
systemie komórkowym z rozpraszaniem widma sygna-
nie wszystkie transmitowane sygnały są względem sie-
łów pojemność interfejsu radiowego jest ograniczona
bie ortogonalne, a tym samym odbierane są przez
na skutek występowania kilku typów zakłóceń [2]:
użytkowników systemu jako interferencje w istotny
sposób wpływające na pojemność systemu. Dodatko- " wspólnokanałowych interferencji własnych komórki
wo, wzrost interferencji powodowany jest także przez - pochodzących od współużytkowników kanału czę-
użytkowników obsługiwanych przez inne komórki sys- stotliwościowego z obszaru danej komórki,
temu wykorzystujące ten sam kanał częstotliwościo- " wspólnokanałowych interferencji zewnętrznych ko-
wy, a także przez użytkowników korzystających z są- mórki - pochodzących od współużytkowników kanału
siednich kanałów radiowych (interferencje sąsiednio- częstotliwościowego z obszaru komórek sąsiednich,
kanałowe). W celu zapewnienia odpowiedniego po- " interferencji sąsiedniokanałowych - pochodzących z
ziom usług sieci UMTS konieczne jest ograniczanie sąsiednich kanałów częstotliwościowych tego samego
interferencji poprzez zmniejszanie liczby aktywnych operatora lub innych operatorów telefonii komórko-
użytkowników lub alokowanych przez nich zasobów. wej,
Szacuje się, że maksymalne wykorzystanie zasobów " wszelkich zakłóceń i interferencji pochodzących z
Tabela. 1. Przykładowe wartości Eb/N0, �j i Lj dla różnych klas ruchu i współczynnika obciążenia
Klasa usług (j) Rozmowa Wideotelefonia Dane Dane
W [Mchip/s] 3.84
Rj [kb/s] 12.2 64 144 384
�j 0.67 1 1 1
(Eb/N0)j [db] 4 2 1.5 1
Lj 0.0053 0.0257 0.0503 0.1118
innych systemów i z
ródeł, zarówno szerokopasmo- która jest definiowana jako stosunek interferencji od
wych jak i wąskopasmowych. innych komórek do interferencji własnych komórki:
W interfejsie radiowym WCDMA prawidłowy
M
odbiór sygnału w odbiorniku jest możliwy tylko wów- �UL = (1 + i) NjLj. (5)
j=1
czas, gdy stosunek energii przypadającej na jeden bit
Eb do gęstości widmowej szumu N0 jest odpowiedni
Wraz ze wzrostem obciążenia łącza radiowego wzra-
[4]. Zbyt mała wartość Eb/N0 spowoduje, że odbior- sta poziom szumu generowanego w systemie. Wzrost
nik nie będzie mógł zdekodować odebranego sygnału,
szumu definiowany jest następująco:
natomiast zbyt duża wartość energii przypadającej na
"nr = Itotal/PN = (1 - �UL)-1, (6)
jeden bit w stosunku do szumów będzie postrzegana
jako zakłócenie dla innych użytkowników tego samego
gdzie PN jest szumem termicznym.
kanału radiowego. Stosunek Eb/N0 dla j -tego użyt-
Gdy obciążenie łącza  w górę zbliża się do jedności,
kownika można zapisać w postaci następującej zależ-
to odpowiadający mu wzrost szumu dąży do nieskoń-
ności [3]:
czoności. Z tego względu przyjmuje się, że maksymal-
ne wykorzystanie zasobów interfejsu radiowego, bez
Eb W Pj
= , (1)
obniżania jakości usług, będzie wynosiło 50 - 80 %
N0 j �jRj Itotal - Pj
teoretycznej pojemności [4].
Zależność dla łącza  w górę jest podobna do
gdzie: Pj  moc odbierana przez użytkownika klasy
równania (5), ale w tym wypadku konieczne jest
j , W  prędkość czipowa sygnału rozpraszającego,
uwzględnienie parametru ortogonalności ąj, w celu
vj  współczynnik aktywności użytkownika klasy j,
uwzględnienia wpływu kodów OVSF (Orthogonal Va-
Rj  prędkość bitowa sygnału danych dla użytkownika
riable Spreading Factor). Kody WCDMA OVSF są
klasy j , Itotal  całkowita moc odbieranego sygnału
wykorzystywane do oddzielenie kanałów transmisyj-
w stacji bazowej z uwzględnieniem szumu termiczne-
nych pojedynczej stacji bazowej. Tak więc, obciąże-
go. Zatem średnią moc sygnału użytkownika klasy j
nie łącza  w dół może być wyznaczone na podstawie
można wyrazić zależnością:
następującej zależności [3]:
Pj = LjItotal, (2)
M
�DL = (1 - ąj + i) NjLj. (7)
j=1
gdzie Lj jest współczynnikiem obciążenia wnoszonym
przez użytkownika klasy j:
Zazwyczaj, współczynnik ortogonalności przyjmuje
wartości z przedziału od 0.4 do 0.9 [3].
-1
W
Lj = 1 + . (3)
Eb
3. Model systemu
( )jRj�j
N0
Przed zestawieniem nowego połączenia w inter-
Tabela 1 przedstawia przykładowe wartości Eb/N0
fejsie radiowym WCDMA system sterowania dostę-
dla różnych klas ruchu i odpowiadające im wartości
pem (ang. Admission Control) dokonuje sprawdzenia,
współczynnika obciążenia Lj.
czy nowe połączenie nie spowoduje obniżenia jako-
Na podstawie znanych współczynników obciąże-
ści lub zerwania istniejących połączeń. Funkcja kon-
nia pojedynczych użytkowników Lj, można określić
troli dostępu jest realizowana przez kontroler stacji
całkowite obciążenie dla łącza  w górę :
bazowych RNC (ang. Radio Network Controller), w
M
którym gromadzone są informacje dotyczące obciążeń
�UL = NjLj, (4)
podłączonych do kontrolera komórek [3]. System kon-
j=1
troli dostępu szacuje wzrost obciążenia łącza radiowe-
gdzie M jest liczbą klas ruchu (usług), a Nj jest liczbą
go jakie spowoduje nowe zgłoszenie, zarówno dla ko-
abonentów klasy j. Powyższa zależność jest prawdzi-
mórki dostępowej, jak i dla sąsiednich komórek. Nowe
wa dla systemu składającego się z pojedynczej ko-
zgłoszenie zostaje odrzucone wówczas, gdy przewidy-
mórki. W rzeczywistości należy uwzględnić wiele ko-
wany wzrost obciążenia przekroczy progi określone na
mórek, w których generowany ruch wpływa na pojem-
etapie projektowania radiowego [4].
ność interfejsu radiowego innych komórek. Tak więc,
A. Symulacja łącza  w górę
wzór (4) powinien zostać uzupełniony o element, któ-
ry uwzględnia interferencje pochodzące od innych ko- W badaniach przyjęto model systemu złożonego
mórek. W tym celu wprowadzona zostaje zmienna i, z siedmiu komórek z antenami dookólnymi (Fig. 1a).
gdzie: a - współczynnik kierunkowy prostej y = ax,
ą - kąt nachylenia prostej do osi OX. Na podstawie
L'p
L'j
Lp wylosowanego promienia, na którym pojawi się nowe
zgłoszenie oraz znając położenie prostej y = ax prze-
L'j L'p
L'j
cinającej ten pierścień w dwóch punktach wyznaczo-
Lj
no współrzędne tych punktów, rozwiązując uprzednio
L'j
L'j odpowiedni układ równań. W celu określenia, który
L'p
z otrzymanych punktów będzie właściwym dla nowe-
L'j
go zgłoszenia zastosowano generator liczb pseudoloso-
wych. Znając współrzędne zgłoszenia w komórce do-
stępowej dokonano wyznaczenia odległości od nowego
zgłoszenia do wszystkich sąsiednich stacji bazowych.
Za początek układu współrzędnych przyjęto zawsze
Rys. 1. Model systemu
środek komórki, w której inicjowane jest połączenie,
następnie po wykorzystaniu zależności matematycz-
W celu oszacowania czy nowe zgłoszenie klasy j może
nej określającej odległość dwóch punktów na płasz-
zostać zaakceptowane w systemie, wykorzystuje się
czyz
nie wyznaczono właściwe odległości.
wartość obciążenia Lj, generowanego przez to zgło-
C. Symulacja łącza  w dół
szenie. Założono również, że zgłoszenie generujące ob-
ciążenie Lj w komórce dostępowej, generuje dodatko-
W czasie symulacji łącza  w dół , każda spośród
we obciążenie w komórkach sąsiednich oznaczone Lj siedmiu komórek rozważana jest oddzielanie. Zakła-
damy, że jedynym obciążeniem łącza jest ruch wno-
(Lj d" Lj). Z uwagi na założenie, że każda komórka
szony do komórki przez zgłoszenia poszczególnych
systemu może być komórką dostępową, ruch w sys-
klas ruchu (Lj). Założenie takie wynika z synchro-
temie w każdej komórce zmienia się w sposób ciągły
nicznej transmisji w łączu  w dół z użyciem ortogo-
zgodnie z globalnym zegarem wyznaczającym aktual-
nalnych kodów OVSF. Możliwe interferencje dla łącza
ny czas w systemie.
 w dół i moc wykorzystywana przez Common Pilot
Na podstawie wartości parametrów Lj przedsta-
Channel (około 10% całkowitej mocy stacji bazowej)
wionych w tabeli 1 przyjęto, ze PJP jest równe 0, 0001
jest brana pod uwagę w maksymalne pojemności sys-
całkowitego współczynnika obciążenia łącza. W za-
temu, która jest wykorzystywana w symulacji [4]. Na
modelowanym systemie w momencie żądania obsłu-
tym etapie rozwoju symulatora nie rozważa się jeszcze
gi przez nowe zgłoszenie następuje sprawdzenie, czy
zjawiska  miękkiego przełączania .
obciążenie wnoszone przez nowe zgłoszenie nie spo-
woduje przekroczenia granicznej wartości pojemności
4. Wyniki badań
łącza zarówno w komórce, w której pojawiło się żąda-
nie, jak i w komórkach sąsiednich. W przypadku bra-
Badania zostały przeprowadzone dla użytkowni-
ku zasobów do obsługi zgłoszenia jest ono tracone, w
ków żądających zbioru usług (tabela 1). Przyjęto na-
przeciwnym razie następuje realizacja zgłoszenia z za-
stępujące założenia:
pewnieniem odpowiednich parametrów jakościowych.
" zgłoszenie poszczególnej klasy żąda L1 = 53, L2 =
257, L3 = 503 i L4 = 1118 PJP,
B. Efekt interferencji międzykomórkowej " usługi, żądane są w określonych proporcjach (a1L1 :
a2L2 : a3L3 : a4L4 = 1 : 1 : 1 : 1),
Uwzględnienie modelu tłumienia Okumury-Haty
" maksymalna teoretyczna pojemność dla łącza  w
przy wyznaczaniu obciążenia wprowadzanego do ko-
górę wynosi 10000 PJP,
mórek sąsiednich nałożyło konieczność precyzyjnego
" maksymalne dopuszczalne obciążenie łącza w górę
wyznaczania współrzędnych kaz
dego zgłoszenia za-
�UL, wynosi 80% maksymalnej teoretycznej pojemno-
równo w odniesieniu do komórki dostępowej jak i całe-
ści (zakłada się V = 8000 PJP dla każdej komórki),
go systemu. Do przeanalizowania sposobu wyznacza-
" maksymalne dopuszczalne obciążenia dla łącza  w
nia współrzędnych zgłoszenia żądającego obsługi wy-
dół �DL, wynosi 60% teoretycznej pojemności.
korzystany zostanie rysunek 2 przedstawiający geo-
Rysunki 3 i 4 przedstawiają średnią wartość
metryczny aspekt rozwiązania. W oparciu o przedsta-
prawdopodobieństwa blokady nowych zgłoszeń róż-
wiony schemat dokonano wyznaczenia współrzędnych
nych klas ruchu jako funkcję natężenia ruchu na jed-
każdego zgłoszenia, korzystając z odpowiednich me-
nostkę pasma w systemie.
tod analitycznych. W pierwszej kolejności losowany
Wyliczona
współrzędna
jest promień pierścienia, na którym będzie znajdowa-
Komórka modelu
ło się nowe zgłoszenie z przedziału (0, R). Kolejnym
Wylosowany kąt
etapem jest wyznaczenie współczynnika kierunkowe-
go a prostej y = ax. Do tego celu posłużono się losowo
Wylosowany
wyznaczonym kątem nachylenia ą prostej do osi OX
promień
oraz równaniem:
Rys. 2. Współrzędne zgłoszenia
a = tg ą (8)
1,E+00 1,E+00
1,E-01
1,E-01

1,E-02
1,E-02
1,E-03
1,E-04 1,E-03
0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55 0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55
nat enie ruchu na jednostk pasma nat enie ruchu na jednostk pasma
(a) R = 300 (a) R = 300
1,E+00 1,E+00
1,E-01
1,E-01

1,E-02
1,E-02
1,E-03
1,E-03
1,E-04
0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55
0,35 0,50 0,65 0,80 0,95 1,10 1,25 1,40 1,55
nat enie ruch na jednostk pasma
nat enie ruch na jednostk pasma
(b) R = 1500
(b) R = 1500
Rys. 4. Prawdopodobieństwo blokady dla skończonej
Rys. 3. Prawdopodobieństwo blokady dla skończonej
i nieskończonej liczby z
ródeł ruchu dla 4 klas ruchu
i nieskończonej liczby z
ródeł ruchu dla 2 klas ruchu
sąsiednich (Lj < Lj). Obciążenie wnoszone do komó-
Na rysunkach 3 i 4 przyjęto następujące oznaczenia:
rek sąsiednich jest zależne od tłumienia sygnału od
f&
f& - dane 1118 PJP, - dane 503 PJP, - wideotelefo-
f&
abonenta do komórki zakłócanej zgodnie z modelem
ć%
nia i ć% - mowa), przy czym symbole wypełnione ozna-
ć%
propagacyjnym Okumura-Hata. Natomiast dla łącza
czają wartości uzyskane dla skończonej liczby z
ródeł
w dół przyjęto, że obciążenie wnoszone jest do syste-
ruchu. Rysunki 3(a) i 3(b) prezentują prawdopodo-
mu tylko przez abonentów obsługiwanych przez daną
bieństwa blokady dla dwóch klas ruchu dla skończo-
komórkę.
nej (S/N = 2) i nieskończonej liczby z
ródeł ruchu w
Proponowana metoda symulacji może być wy-
przypadku komórek o promieniu 300 i 1500 metrów.
korzystana do oszacowania pojemności sieci 3G pod-
Podobne zależności dla 4 klas ruchu przedstawiono na
czas prac projektowych i optymalizacyjnych i, dzięki
rysunkach 4(a) i 4(b).
uwzględnieniu liczby abonentów obsługiwanych przez
Porównując wyniki przedstawione na rysunkach
system, może się przyczynić do optymalnego wyko-
3 i 4 można zauważyć dwie ważne zależności:
rzystania środków przeznaczonych na budowę infra-
" zwiększenie odległości pomiędzy stacjami bazowy-
struktury sieciowej.
mi (zwiększenie R) powoduje zmniejszenie prawdopo-
dobieństwa blokady,
" wzrost liczby użytkowników tej samej usługi przy SPIS LITERATURY
tym samym odciążeniu systemu powoduje większe
[1] S. Faruque. Cellular Mobile Systems Engineering. Artech
prawdopodobieństwo blokady.
House, 1996.
Wyniki symulacji pokazane na wykresach w po- [2] S. Gajewski and M. Kopciuszuk. Wpływ interferencji mię-
dzysystemowych na pojemność interfejsu radiowego WCD-
staci symboli dla każdego punktu wyznaczono 95%
MA/FDD. Krajowa Konferecja Radiofonii, Radiokomuni-
przedział ufności zgodnie z rozkładem t-Studenta .
kacji i Telewizji, 2002.
[3] H. Holma and A. Toskala. WCDMA for UMTS. Radio Ac-
Przedział ten jest jednak tak mały, że umieszczony
cess For Third Generation Mobile Communications. John
na wykresie znajdowałby się w większości przypad-
Wiley & Sons, Ltd., 2000.
ków wewnątrz symboli.
[4] J. Laiho, A. Wacker, and T. Novosad. Radio Network Plan-
ning and Optimization for UMTS. John Wiley & Sons,
Ltd., 2002.
5. Podsumowanie
[5] D. Staehle and A. Mader. An analytic approximation of the
uplink capacity in umts network with heterogeneous traffic.
Technical Report 310, University of Wurzburg, May 2003.
W artykule przedstawiono czasową metodę sy-
[6] M. Stasiak and P. Zwierzykowski. Analytical model of ATM
mulacji systemów z interfejsem radiowym WCDMA.
node with multicast switching. In Proceedings of 9th Me-
diterranean Electrotechnical Conference, volume 2, pages
W symulacji dla łącza w górę założono, że zgłoszenie
683 687, Tel-Aviv, Israel, May 1998.
generujące obciążenie Lj w komórce dostępowej, ge-
neruje odpowiednio mniejsze obciążenie w komórkach
prawdopodobie stwo blokady
prawdopodobie stwo blokady
prawdopodbie stwo blokady
prawdopodbie stwo blokady