Mariusz Głąbowski, Sławomir Hanczewski, Maciej Stasiak Politechnika Poznańska Wydział Elektroniki i Telekomunikacji Katedra Sieci Telekomunikacyjnych i Komputerowych ul. Piotrowo 3a, 60-965 Poznań e-mail:(mglabows, shancz, stasiak)@et.put.poznan.pl 2006 Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7-8 grudnia 2006 ŚREDNIA PRZEPŁYWNOŚĆ OFEROWANA UŻYTKOWNIKOWI SYSTEMU UMTS-HSDPA Streszczenie: W artykule została przedstawiona metoda analityczna pozwalająca na wyznaczenie średniej przepływności oferowanej użytkownikowi w systemie UMTS poszerzonym o technologię HSDPA (ang. High-Speed Downlink Packet Access). Zastosowanie HSDPA zwiększa szybkość transmisji pomiędzy stacją bazową a terminalem użytkownika w sieciach UMTS, dzięki czemu możliwe stało się oferowanie przez operatorów systemów komórkowych nowych usług wymagających większych przepływności (np. szerokopasmowy dostęp do Internetu). 1. WSTĘP Budowa sieci telefonii trzeciej generacji (3G) ma umożliwić użytkownikom dostęp zarówno do usług głosowych, jak i do transmisji danych. Teoretyczne opracowania systemu UMTS wykazały możliwość oferowania użytkownikom sieci przpływności nawet do 2Mb/s. Jednak budowa pierwszych sieci (laboratoryjnych i komercyjnych) pokazała, że osiągnięcie maksymalnej zakładanej szybkości transmisji nie jest możliwe. W tabeli 1 przedstawione zostały rzeczywiste i teoretyczne szybkości transmisji w sieciach GSM i UMTS [1]. Tabela 1. Rzeczywiste (A) i teoretyczne (B) szybkości transmisji w sieciach GSM i UMTS System GSM GPRS EDGE UMTS A [kb/s] 9,6 50 130 384 B [kb/s] 14,4 170 384 2048 Rozpoczęto zatem prace nad rozszerzeniem systemu UMTS - które podobnie jak GPRS i EDGE w systemach GSM - umożliwi zwiększenie szybkości transmisji w sieciach UMTS. Zaproponowane w ramach 3GPP 1 rozwiązanie HSDPA umożliwia nawet kilkukrotne zwiększenie szybkości transmisji w kierunku od stacji bazowej do terminala użytkownika (łącze 1 3rd Generation Partnership Project - wspólny projekt organizacji standaryzujących mający na celu rozwój systemów komórkowych trzeciej generacji w dół, ang. downlink). Niemalże jednocześnie rozpoczęto prace nad metodą zwiększenia szybkości na łączy w górę - HSUPA High-Speed Uplink Packet Access (planuje się, że pierwsze implementacje HSUPA w komercyjnych sieciach powinny pojawić się w przyszłym roku). Usługi związane z HSDPA zostały udostępnione już w 2005 roku i obecnie cieszą się dużą popularnością. W tym roku ten sposób przesyłania danych w sieciach UMTS pojawił się również w Polsce. Sieci UMTS-HSDPA określane są często mianem telefonii 3,5G. W rozdziale drugim omówiono sposób określania pojemności systemu UMTS. Krótki opis technologii HSDPA przedstawiono w rozdziale 3. W rozdziale 4 zaproponowano metodę wyznaczania średniej przepływności dostępnej dla użytkowników HSDPA. 2. System UMTS 2.1. Twarda i miękka pojemność systemu komórkowego Pojedynczą komórkę systemu komórkowego można traktować jak wiązkę pełnodostępną o stałej lub zmiennej pojemności, w zależności od możliwego wpływu otoczenia na obciążenie interfejsu radiowego. W systemie o twardej pojemności maksymalna liczba abonentów obsługiwanych przez jedną komórkę jest jednoznacznie określona i zależy wyłącznie od liczby wykorzystanych kanałów częstotliwościowych. Przykładem takiego systemu jest system GSM. W systemach o miękkiej pojemności pojemność pojedynczej komórki nie jest stała i zmienia się w zależności od wpływów zewnętrznych, których istotnym elementem jest stopień obciążenia komórek sąsiednich. Ideę zależności pojemności systemu od obciążeń komórek sąsiednich zilustrowano na rys. 1, na którym przedstawiono komórkę dostępową 2 i dwie komórki sąsiednie (w postaci walcowatych naczyń). Obciążenie komórki odwzorowywuje wysokość wypełnienia naczynia. Na rysunku 1a) stosunkowo niewielkie obciążenie 2 Pojęcie komórki dostępowej zostało wprowadzone w modelach analitycznych systemów GSM i UMTS i oznacza komórkę z której zasobów w danej chwili korzysta abonent
a) b) Vmax Vmax Komórka dostępowa Rys. 1. Ilustracja zjawiska miękkiej pojemności komórek sąsiednich pozwala na utrzymanie dużej dopuszczalnej pojemności komórki dostępowej. Z kolei wzrost obciążenia w komórkach sąsiednich powoduje zmniejszenie dopuszczalnej pojemności komórki dostępowej (rys. 1b). Do systemów o miękkiej pojemności zalicza się system UMTS. W systemach z miękką pojemnością, dostępna przepływność systemu może się zmieniać od teoretycznej przepływności maksymalnej za miarę której możemy uznać przepływność idealnej komórki izolowanej, nie narażonej na wpływy zewnętrzne do pewnej pojemności minimalnej, kiedy wpływ obciążeń komórek sąsiednich jest największy. 2.2. Alokacja zasobów w interfejsie radiowym WCDMA Wykorzystywany w systemie UMTS interfejs radiowy WCDMA (ang. Wideband Code Division Multiple Access) posiada dużą teoretyczną przepływność izolowanego interfejsu. Jednocześnie, dostępna przepływność jest ograniczona dopuszczalnym poziomem mocy interferencji w kanale częstotliwościowym. W każdym systemie komórkowym z rozpraszaniem widma sygnałów, pojemność interfejsu radiowego jest ograniczona na skutek występowania kilku typów zakłóceń [2]: wspólnokanałowych interferencji własnych komórki pochodzących od współużytkowników kanału częstotliwościowego z obszaru danej komórki, wspólnokanałowych interferencji zewnętrznych komórki pochodzących od współużytkowników kanału częstotliwościowego z obszaru komórek sąsiednich, interferencji sąsiedniokanałowych pochodzących z sąsiednich kanałów częstotliwościowych tego samego operatora lub innych operatorów telefonii komórkowej, wszelkich zakłóceń i interferencji pochodzących z innych systemów i źródeł, zarówno szerokopasmowych jak i wąskopasmowych. Podsumowując, w interfejsie radiowym WCDMA wraz ze wzrostem obciążenia (ruchu) wzrasta szum generowany przez innych użytkowników obsługiwanych przez tę samą komórkę lub przez inne komórki. W celu zapewnienia odpowiedniego poziom usług, konieczne jest ograniczanie liczby alokowanych zasobów przez aktywne źródła ruchu. Szacuje się, że maksymalne wykorzystanie zasobów interfejsu radiowego, bez obniżenia jakości usług, będzie wynosiło około 50 80% [3]. Z tego też względu miękka pojemność interfejsu radiowego WCDMA jest określana mianem pojemności ograniczonej szumowo (ang. noise limited). Z uwagi na wielusługowy charakter sieci UMTS, interfejs radiowy obsługuje kilka klas ruchu, z których każda do obsługi zgłoszenia żąda różnej przepływności i tym samym, w różnym stopniu obciąża interfejs. Współczynnik obciążenia szumowego dla jednego źródła ruchu klasy i można określić na podstawie następującego wzoru: L i = 1 1 + ( W. (1) Eb R i ν i N 0 )i We wzorze (1) przyjęto następujące oznaczenia: W przepływność sygnału rozpraszającego (tzw. prędkość czipowa, w systemie UMTS standardowo wynosi 3,84 Mchip/s), tj. szybkość z jaką rozpraszany jest sygnał wejściowy (sygnał danych lub sygnał rozmówny), R i przepływność sygnału danych od jednego źródła ruchu klasy i, ν i współczynnik aktywności źródła ruchu klasy i, który oznacza procent czasu zajętości kanału transmisyjnego, w którym źródło jest aktywne, tj. nadaje sygnał o przepływności R i, E b /N 0 stosunek energii przypadającej na jeden bit do gęstości widmowej szumu, L i obciążenie interfejsu radiowego przez zgłoszenie klasy i. Przykładowe obciążenia interfejsu radiowego WCDMA przez zgłoszenia różnych klas przedstawiono w tabeli 2. 2.2.1. Łącze w dół Uwzględniając podział źródeł ruchu na odpowiednie klasy, całkowite obciążenie łącza w dół można zapisać w następującej postaci: η DL = (1 ξ j + δ) M N i L i, (2) 1
Tabela 2. Przykładowe obciążenia interfejsu radiowego WCDMA przez zgłoszenia różnych klas Usługa (i) I II III IV W [Mchip/s] 3,84 R i [kb/s] 12,2 64 144 384 ν i 0,67 1 1 1 E b /N 0 [db] 4 2 1,5 1 L i 0,005 0,026 0,050 0,112 I - Rozmowa II, III, IV - Transmisja danych gdzie: δ jest to stosunek interferencji od innych komórek do interferencji własnych komórki, natomiast ξ j jest to współczynnik tłumienia interferencji. Współczynnik ten wskazuje na stopień redukcji interferencji pomiędzy użytkownikami tej samej komórki dzięki stosowaniu sekwencji identyfikujących kanał, opartych na technice ortogonalnych ciągów kodowych o zmiennym współczynniku rozpraszania OVSF (ang. Orthogonal Variable Spreading Factor). Oznacza to, że mogą one mieć różny współczynnik rozpraszania, a ich wzajemna korelacja wynosi zero [4]. 2.2.2. Jednostki alokacji w interfejsie radiowym z ruchem zintegrowanym UMTS jest systemem ograniczonym szumowo, zatem PJP (podstawowa jednostka pasma) może być wyrażone ułamkiem współczynnika obciążenia łącza. W systemach multi-rate przyjmuje się, że wartość PJP powinna być mniejsza lub równa największemu wspólnemu podzielnikowi zasobów żądanych przez poszczególne strumienie zgłoszeń [5] [6]. W przypadku interfejsu radiowego WCDMA możemy napisać: L PJP = NWP(L 1, L 2,..., L M ). (3) Pojemność systemu (interfejsu) możemy wyrazić w liczbie określonych powyżej PJP: V = η/l PJP, (4) gdzie η jest pojemnością interfejsu radiowego dla łącza w dół. Podobnie możemy wyrazić liczbę PJP wymaganą przez zgłoszenie danej klasy: t i = L i /L PJP. (5) Na rysunku 2 przedstawiono sposób zamiany alokacji zasobów, wyrażonej w kbit/s, na alokację zasobów wyrażoną w PJP, zgodnie z definicją (5). Na rysunku pokazano obsługiwane zgłoszenia dwóch klas i ich odwzorowanie na obciążenie interfejsu radiowego, wyrażone w PJP. 3. HSDPA Technika HSDPA, zastosowana w systemie UMTS, znacznie poprawia jakość transmisji na łączu w dół. Poprawa jakości transmisji możliwa jest dzięki zwiększeniu szybkości transmisji oraz zmniejszeniu opóźnień. Teoretycznie, szybkość transmisji może osiągnąć Xi PJP Xk PJPV PJP t R [ kb / sek Dostępna ] przepływność i interfejsu Obciążenie i w PJP [ kb / sek] Rk t k Rys. 2. Alokacja zasobów w interfejsie radiowym z ruchem zintegrowanym wartość nawet 14 Mb/s, czyli siedem razy więcej niż w WCDMA. W systemach działających obecnie uzyskuje się szybkości około 2Mb/s. HSDPA opiera swoje działanie na koncepcji współdzielonego kanału transmisji (ang. fat-pipe). HSDPA wprowadza do systemu UMTS dwa nowe kanały: - HS DSCH - High Speed Downlink Shared Channel - kanał transportowy współdzielony przez wszystkich użytkowników komórki (sektora), - HS SCCH -High Speed Shared Control Channel - kanał, który umożliwia urządzeniu użytkownika określenie sekwencji, które identyfikują w kanale HS DSCH dane przesyłane do tego urządzenia. Kanał HS DSCH podzielony jest na ramki, których długość wynosi 2ms. W każdej ramce dostępnych jest 16 sekwencji, z których 15 może posłużyć do identyfikacji danych użytkowników. Zatem w każdej ramce dostępnych jest 15 równoległych kanałów do przesyłania danych. Kanały te mogą być przypisane jednemu użytkownikowi lub rozdzielone pomiędzy użytkowników HSDPA. Określając szybkość transmisji danych w systemie HSDPA należy pamiętać, że dane te są przesyłane w komórce, w której realizowane są także połączenia rozmówne. A zatem szybkość transmisji oferowana w systemie zależy od: obciążenia komórki, wynikającego z obsługi połączeń własnych (UMTS) komórki oraz oraz interferencji międzykomórkowych, liczby użytkowników korzystających z transmisji danych z wykorzystaniem HSDPA. Porównanie transmisji danych w systemie UMTS i HSDPA przedstawiono na rysunku 3 [10]. W górnej części rysunku została pokazana transmisja danych użytkowników sieci UMTS. Z każdym użytkownikiem skojarzony jest dedykowany kanał fizyczny DPDCH (ang. Dedicated Physical Data Channel), którym przesyłane są dane użytkownika. Ze względu na długość ramki zmiany szybkości transmisji danych mogą następować co 10 ms. W dolej części rysunku 3 przedstawiono transmisje danych rozważanych użytkowni-
UMTS HSDPA 10 ms Wielodostęp kodowym z podziałem 2 ms Wielodostęp w czasie Rys. 3. Transmisja danych w systemie UMTS i UMTS-HSDPA ków z wykorzystaniem transmisji HSDPA. Dzięki zastosowaniu we wspólnym kanale zwielokrotnienia kodowego i zwielokrotnienia w czasie uzyskano dużą jego przepustowość. Zgodnie z prawem wiązki, kanał taki może obsłużyć więcej zgłoszeń niż byłoby to możliwe w systemie UMTS przy identycznych wartościach ruchu oferowanego. Dzięki czemu możliwa jest obsługa kolejnego użytkownika. Zmiany szybkości transmisji mogą następować co 2 ms. Należy jednak pamiętać, że w obecnych implementacjach technologii HSDPA stanowi ona tylko rozszerzenie systemu UMTS. Większy priorytet mają zgłoszenia realizowane przez UMTS i każde takie zgłoszenie zmniejsza pojemność wspólnego kanału. W skrajnym przypadku jego pojemność może być równa zero. W systemie HSDPA nie ma mechanizmu sterowania mocą sygnału. Aby dopasować transmisję do warunków panujących w łączu radiowym zastosowano modulację adaptacyjną wykorzystującą modulacje QPSK oraz 16QAM [11]. W systemie tym nie występuje również miękkie przenoszenie połączeń. 4. Średnia przepływność dostępna dla użytkowników HSDPA W sieci UMTS-HSDPA każda komórka obsługuje dwa rodzaje zgłoszeń. Pierwszą grupę stanowią zgłoszenia związane z realizacją usług obsługiwanymi przez system UMTS (tabela 2), drugą zgłoszenia korzystające z transmisji HSDPA. W pierwszej kolejności realizowane są usługi UMTS. Do realizacji usług HSDPA wykorzystywane są zasoby łącza radiowego niewykorzystane przez zgłoszenia UMTS (rysunek 4). Każde nowe zgłoszenie UMTS ogranicza pasmo dostępne dla usług HSDPA. Może zatem dojść do sytuacji, w której pasmo dostępne dla usług HSDPA zostanie ograniczone do zera. Z punktu widzenia inżynierii ruchu, pojedyncza komórka w systemie UMTS traktowana jest tak, jak B UMTS HSPDA Rys. 4. Podział przepływności systemie UMTS-HSDPA wiązka doskonała obsługującą ruch zintegrowany o pojemności określonej wzorem (4). Aby wyznaczyć średnią przepływność (średnią liczbę PJP) oferowaną zgłoszeniom HSDPA, niezbędne jest wyznaczenie rozkładu zajętości PJP przez zgłoszenia UMTS. Do tego celu wygodnie jest posłużyć się rozkładem Kaufmana-Robertsa [7], [8]: n [P n ] V = M A i t i [P n ti ] V, (6) gdzie: A i - ruch oferowany przez zgłoszenia UMTS klasy i, t i - liczba żądanych PJP przez zgłoszenia klasy i, [P n ti ] V = 0, jeżeli n < t i, a wartość [P 0 ] V wynika z warunku normującego: V [P n ] V = 1. (7) n=0 Dla każdego stanu zajętości wiązki wyznaczana jest na podstawie rozkładu (6) średnia liczba obsługiwanych zgłoszeń poszczególnych klas [9]: y i (n) = A i [P n ti ] V / [P n ] V. (8) Dysponując średnią liczbą zgłoszeń każdej klasy y i (n), można dla każdego stanu n wyznaczyć pasmo (liczbę dostępnych PJP), które może być wykorzystane przez użytkowników HSDPA jako różnicę pomiędzy całkowitą pojemnością komórki i liczbą zajętych PJP przez zgłoszenia UMTS. Średnia przepływność oferowana zgłoszeniom UMTS jest równa: [ ] V M T x = V y i (n)t i [P n ] V. (9) n=0 Przepływność T x może być dostępna tylko dla jednego użytkownika (wówczas osiągnie największą szybkość transmisji) lub może być podzielona pomiędzy wielu użytkowników UMTS-HSDPA. Na rysunkach 5 oraz 6 przedstawione zostały rezultaty obliczeń średniej wartości przepływności T x z uwzględnieniem klas zgłoszeń UMTS przedstawionych w tabeli 2, w zależności od ruchu oferowanego przez te klasy na jedną podstawową jednostkę pasma. Przedstawione wyniki na rysunku 5 otrzymano
przy założeniu, że system UMTS obsługuje trzy klasy zgłoszeń, żądających następujących przepływności: rozmowa 12,2 kb/s, transmisja danych 64 kb/s oraz 144 kb/s. Na rysunku 6 przedstawiono rezultaty uzyskane dla przypadku, w którym obsługiwane są 4 klasy zgłoszeń przedstawionych w tabeli 2. W obu przypadkach rozważano 100%, 80% i 50 % możliwe obciążenie komórki, natomiast ruch oferowany miał następującą strukturę: a 1 t 1 : a 2 t 2 : a 3 t 3 = 1 : 1 : 1 oraz a 1 : a 2 : a 3 : a 4 = 1 : 1 : 1 : 1. 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 PJP 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Rys. 5. Średnia przepływność oferowana zgłoszeniom UMTS-HSDPA (wykorzystanie łącza radiowego: 100% (V = 200 PJP), 80% (V = 160 PJP), - - - - 50% (V = 100 PJP)) 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 PJP 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Rys. 6. Średnia przepływność oferowana zgłoszeniom UMTS-HSDPA (wykorzystanie łącza radiowego: 100% (V = 200 PJP), 80% (V = 160 PJP), - - - - 50% (V = 100 PJP)) 5. Podsumowanie Wprowadzana do systemu UMTS technologia transmisji danych HSDPA może nawet kilkukrotnie zwiększyć przepustowość systemu UMTS na łączu w dół. a a Obecnie prowadzone są również badania nad możliwościami zwiększenia przepustowości systemu na łączu w górę (HSUPA). Dzięki tym technologiom sieci oparte na systemie UMTS staną się sieciami w pełni szerokopasmowymi. Zaproponowana w artykule metoda wyznaczania średniej przepustowości przeznaczonej do realizacji usług w oparciu o HSDPA może zostać wykorzystana do analizy sieci telefonii 3,5G lub może być przydatnym narzędziem w trakcie projektowania tych sieci. Proponowana metoda opiera się na dobrze znanym i sprawdzonym rozkładzie Kaufmana-Robertsa. Obliczenia prowadzone zgodnie z przedstawionymi w metodzie wzorami nie są skomplikowane, co jest niewątpliwie dużą zaletą z punktu widzenia inżynieraprojektanta sieci. Literatura [1] Korhonen J. HSDPA - An Introduction. www.ttpcom.com, 2004. [2] Laiho J., Wacker A., Novosad T. Radio Network Planning and Optimization for UMTS. John Wiley & Sons, Ltd., 2006. [3] Holma H., Toskala A. WCDMA for UMTS. Radio Access For Third Generation Mobile Communications. John Wiley & Sons, Ltd., 2000. [4] Faruque S. Cellular Mobile Systems Engineering. Artech House, London, 1997. [5] Roberts J., redaktor. Performance Evaluation and Design of Multiservice Networks, Final Report COST 224. Commission of the European Communities, Brussels, Holland, 1992. [6] Roberts J., Mocci V., Virtamo I., redaktorzy. Broadband Network Teletraffic, Final Report of Action COST 242. Commission of the European Communities, Springer, Berlin, 1996. [7] Kaufman J. Blocking in a shared resource environment. IEEE Transactions on Communications, 29(10):1474 1481, 1981. [8] Roberts J. A service system with heterogeneous user requirements application to multi-service telecommunications systems. Pujolle G., redaktor, Proceedings of Performance of Data Communications Systems and their Applications, strony 423 431, Amsterdam, Holland, 1981. North Holland. [9] M. Stasiak. Efektywna dostępność w zagadnieniach modelowania pól komutacyjnych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2005. [10] Nortel. HSDPA and beyond. www.nortel.com, 2005. [11] Physical Layers of UTRA High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), Release 4. 3GPP TS 25.848 V5.2.0, 2001.