System UMTS w pasmie 900 MHz

Porównanie zasięgu oraz wskaźników jakościowych systemów GSM oraz UMTS. Zaprezentowano metodykę, na podstawie której można teoretycznie określić wielkość strefy buforowej. Istnienie strefy buforowej jest niezbędnym warunkiem prawidłowego funkcjonowania systemów GSM oraz UMTS w tym samym pasmie.

W lipcu 2009 roku regulatorzy komunikacji elektronicznej państw członkowskich Unii Europejskiej zezwolili na użycie pasma 900 MHz dla potrzeb technologii komórkowej Trzeciej Generacji. Jak wiadomo, zasadniczą zaletą tego pasma są mniejsze straty propagacyjne w porównaniu z powszechnie stosowaną częstotliwością 2100 MHz. Zniesienie restrykcji licencyjnych dla systemu UMTS pozwoliło operatorom sieci komórkowych na poszerzenie oferowanego serwisu szerokopasmowego.

Rozwój systemu UMTS w pasmie 900 MHz

Tłumienie propagacyjne systemu UMTS w częstotliwości 900 MHz jest o 7 dB mniejsze niż w wypadku klasycznego rozwiązania [3]. Pozwala to na bezpośrednie zwiększenie zasięgu oraz pokrycie sygnałem terenów nisko zurbanizowanych. Terminale UMTS obsługujące zakres 900 MHz produkowane są od 2010 roku. Zakłada się, iż w roku 2015 wszystkie produkowane terminalne UMTS będą wspierać UMTS 900 [5].

Porównanie zasięgów systemów GSM oraz UMTS

Pożytki płynące z zastosowania nowego pasma stają się oczywiste, gdy porównamy średnie zasięgi systemu UMTS i GSM w różnych pasmach częstotliwości. Na przykład – w systemie UMTS pracującego w pasmie 900 Mhz możliwe jest wykonanie połączenia głosowego nawet z 12 km, podczas gdy pracującego w pasmie 2100 Mhz jest ono ograniczone do 5 km. Różnice podano na rysunku 1, opartym na średnich zasięgach uzyskanych poprzez jednego z polskich operatorów.

Rys. 1. Porównanie zasięgów systemów GSM/UMTS

Zawężenie pasma systemu UMTS do 4,2 MHz

W praktyce niemożliwe jest wykorzystanie całego pasma 5 MHz przez system UMTS, ponieważ jest ono również użytkowane przez system GSM. Rozwiązaniem problemu jest dodatkowe filtrowanie, które pozwala na zawężenie pasma UMTS do 4,2 Mhz, a w kolejnych latach do 3,8 Mhz. Zwiększa to możliwość wykorzystywania pozostałej części pasma przez system GSM [5].

Powstaje jednak pytanie: czy zawężenie pasma nie spowoduje pogorszenia jakości systemu? W tym celu przeprowadzono testy w terenie. Miały one zweryfikować wskaźniki jakościowe oraz zasięg systemu UMTS/HSPA.

Wybrana stacja testowa znajdowała się w terenie półotwartym. Anteny zawieszone były na wysokości 60 metrów. Z badań wynika, że zawężenie widma nie wpłynęło w istotny sposób na pogorszenie wskaźników jakościowych oraz zasięgu. Porównanie otrzymanych wyników dla systemu UMTS 4,2 Mhz oraz UMTS 5 Mhz zestawiono w tabeli:

Tabela 1. Porównanie wskaźników jakościowych systemu UMTS pracującego w pasmie 4,2 oraz 5 Mhz

Kolokowanie systemu UMTS oraz GSM w pasmie 900 MHz

Koncepcja oraz cele kolokacji

W pierwszym etapie zakłada się, że UMTS 900 będzie rozwijany na terenach słabiej zaludnionych, przede wszystkim wiejskich. Wynika to z faktu, że na terenach zurbanizowanych znajduje się w chwili obecnej dostatecznie dużo stacji (około 70% ogółu), natomiast na obszarach wiejskich sieć stacji jest znacznie rzadsza i niejednokrotnie pozwala jedynie na zapewnienie usług głosowych.

W kolejnych latach, gdy liczba terminali wzrośnie, także w miastach system GSM będzie stopniowo zastępowany przez system UMTS 900 MHz. 

Strefa buforowa 

Ze względu na fakt użycia tych samych częstotliwości w miastach i na wsiach, co z kolei musi pociągnąć za sobą problemy interferencyjne, niezbędne będzie zastosowanie pewnego obszarowego bufora, w którym częstotliwości UMTS 900 będą nieużywane. Ideę zastosowania strefy buforowej pokazano na rysunku 2. W praktyce sprowadzi się to do wytyczenia stacji, na których pasmo przewidziane dla system UMTS 900 nie będzie użytkowane.

Rys. 2. Przydział częstotliwości dla systemu UMTS oraz GSM

Oszacowania wielkości strefy buforowej

Założenia symulacyjne

Nominalną wielkość strefy buforowej można oszacować na podstawie analizy pokrycia terenu przez sygnał UMTS oraz GSM. Jako założenie do badania przyjęto, iż poziom sygnału na krańcu komórki GSM wynosi -104 dBm, natomiast na krańcu komórki UMTS -112 dBm. Takie warunki przy zbilansowanym łączu w górę i w dół pozwalają na poprawny odbiór [1, 2].

W celu wykonania symulacji niezbędne jest także założenie wartości parametrów wpływających bezpośrednio na propagację sygnałów, takich jak wysokości stacji GSM i UMTS, moc nadawacza, użyty model propagacyjny. Wymienione parametry zestawiono w tabeli 2:

Tabela 2: Założenia symulacyjne

Wyniki symulacji

Wyniki symulacji pokrycia sygnałem UMTS oraz GSM pokazano na rysunkach 3 i 4.

W wyniku analizy poziomów sygnałów obu systemów możemy oszacować, w których miejscach sygnały się nakładają. Stacje emitujące sygnały, będące źródłem, powinny być wyłączone. Biorąc pod uwagę fakt, że obszar strefy buforowej jest zależny od położenia geograficznego stacji, odległości między nadajnikami GSM i UMTS, rozmieszczenia użytkowników oraz obciążenia obu sieci - otrzymane wyniki symulacji mają charakter szacunkowy, wystarczają jednak do zaprojektowania i wdrożenia w warunkach rzeczywistych. Następnym krokiem będzie wykonanie optymalizacji radiowej, mające na celu zmniejszenie interferencji, a tym samym podniesienie poziomu oferowanych usług głosowych oraz efektywności transmisji danych.

Rys. 3. Predykcja poziomu sygnału systemu UMTS

Rys. 4. Predykcja poziomu sygnału systemu GSM

Wnioski końcowe

• Zawężenie pasma systemu UMTS z 5 MHz do 4,2 MHz nie wpływa na zasieg oraz jakość systemu UMTS/HSPA.
• Niezbędnym warunkiem prawidłowego funkcjonowania systemów GSM oraz UMTS w tym samym pasmie jest zastosowanie strefy buforowej.
• Wielkość strefy buforowej można określić teoretycznie na podstawie metodyki zaprezentowanej w artykule.
• Ze względu na symulacyjny charakter obliczeń, kolejnym krokiem po wdrożeniu systemu powinno być przeprowadzenie weryfikacji parametrów strefy buforowej w warunkach rzeczywistych w celu wyeliminowania odchyleń, które mogą być spowodowane takimi czynnikami, jak rozmieszczenia użytkowników, obciążenia sieci itp.

Autor: Łukasz Wesołowski, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki

Literatura:

[1] Gordon L. Stuber: Principles of Mobile Communication, Kluwer Academic Publishers, Georgia USA 2002

[2] Rober K.: Crane Propagation Handbook for Wireless communication System Design CRC Press LLC, United States of America 2003

[3] Parsons J. D.: The Mobile Radio Propagation Channel, John Wiley & Sons, Ltd, West Sussex, New York 2000

[4] Siwak K.: Radio Wave Propagation and Antennas, Artech House Inc., London 1995

[5] Wesołowski K.: Mobile Communication Systems, John Wiley & Sons, Ltd, West Sussex, England 2002