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

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

Flowchart della Progettazione 3G Requisiti di copertura Mix di servizi Prestazioni Link Budget 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 COPERTURA: Stazioni Radio QUALITA' E PERFORMANCE: parametri di cella Rete Accesso Radio CAPACITA': Channel Elements ADEGUAMENTO DI RETE: Tilt/Riorientamento EVOLUZIONE TECNOLOGICA: Edge/HSDPA: HW & SW integration

Link Budget AREA DA COPRIRE 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 Link Budget→ R AREA DA COPRIRE R

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

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

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

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,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

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

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

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)

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)

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.

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.

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

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)

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)

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

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

Agenda Processo di Progettazione UMTS con Simulatore Timplan 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

Flowchart della Progettazione 3G Requisiti di copertura Mix di servizi Prestazioni Link Budget 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

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.

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,…)

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)

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 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.

Calcolo della copertura e Best Server

Analisi in assenza di traffico: mappa di Ec/Io Progettazione UMTS con simulatore TIMPLAN Analisi in assenza di traffico: mappa di Ec/Io

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 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

Analisi in presenza di traffico

Analisi in presenza di traffico: outage DL/UL

Analisi al variare del traffico: tratta UL, potenza DCH

Agenda Vincoli del bando di gara UMTS 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

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

Licenze UMTS: Frequenze acquisite (aprile 2000) 2110 2125 2170 2135 2145 2160 1920 1935 1980 1945 1955 1970 MHz Uplink Downlink

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

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%

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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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)

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

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

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

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

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

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

Copertura UMTS del centro di Bologna al 31/12/2004

Copertura UMTS del centro di Bologna al 31/12/2005

Copertura UMTS del centro di Bologna al 31/12/2006

ma il futuro non è poi così a lungo termine

Ericsson LTE demo system Milan, October 2008 courtesy by

Il futuro non è poi a così lungo termine ed il futuro è sempre più “mobile” e “broadband”