Der Turbo für die Optimierung von UMTS-Netzen

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1 BILD 1 Der hochpräzise PN-Scanner R&S TS5K51C (hier die Laptop-Version) setzt neue Maßstäbe für das Analysieren von UMTS- Störsignalen /2 PN-Scanner R&S TS5K51C Der Turbo für die Optimierung von UMTS-Netzen Ähnlich wie eine schnelle Fouriertransformation in Bruchteilen der Rechenzeit eines DFT-Algorithmus zum Ergebnis kommt, so können auch Skalarprodukte äußerst effizient berechnet werden. Ein solch rasantes Verfahren ist der Turbo im UMTS-PN- Scanner R&S TS5K51C (BILD 1), der als Staffelerster einer neuen Produktlinie die Empfangs situation von CDMA-Signalen schnell, genau und fehlerfrei analysiert. PN-Scanner helfen bei Problemen in UMTS-Netzen Aufgabe von PN-Scannern (PN: Pseudo Random Noise Code) ist es, die Empfangssituation in einem 3GPP-Netz möglichst detailliert zu erfassen. Die gemessenen Daten helfen dem Netzbetreiber, Planungs- und Aufbaufehler schnell zu finden und Abhilfe zu schaffen sowie seine Planungswerkzeuge zu verfeinern. 4 Anlass zum Optimieren geben Gebiete, die von Pilot Pollution betroffen sind, also z.b. unebenes Gelände, Brücken und Hochstraßen, die von zu vielen Sendestatio nen gleichzeitig und auf dem gleichen HF-Kanal versorgt werden (BILD 2). Trotz hoher Feldstärke ist die Verbindung aufgrund der vorhandenen Gleichkanal interferenz mangelhaft. UMTS ist in diesen Situationen toleranter als GSM die Störungen verursachen keinen Verbindungsabbruch, sondern nur eine Reduktion der Datenrate. Damit geht jedoch eine Mehrbelastung des Funkkanals einher. Um eine minimal notwendige Übertragungsrate aufrechtzuerhalten, werden einerseits die Sendeleistungen erhöht und andererseits Handover zu den in diesem Gebiet am besten zu empfangenden Basisstationen durchgeführt. Da die gewünschte Eigenschaft Best Server bei Pilot Pollution nur von kurzer Dauer ist, finden häufig Hand over statt, die weitere kostbare Kanalressourcen binden. Oft lässt sich die Pilot Pollution mit den Messdaten aus PN-Scannern durch das Anpassen von Zellgrößenparametern oder das Ausrichten weniger Antennen beseitigen und das wertvolle Frequenzband dadurch intensiver nutzen und die mittlere Datenrate erhöhen.

2 MOBILFUNK Versorgungs-Messsysteme Ähnliche Störquellen für UMTS-Verbindungen sind schnelles Fading und Mehrwege ausbreitung (BILD 3). Auch in diesen Fällen reicht die am Mobile eintreffende HF-Leistung zunächst aus. Allerdings verteilt sie sich auf verschiedene Pfade, aus denen je nach Qualität des Mobiltelefons mehr oder weniger Signalanteile zur Übertragung verwendet werden können. Bei Signallaufzeitunterschieden verschwindet die Orthogonalität aller von einer Basisstation gesendeten Codes. Dadurch produzieren alle gesendeten Signale der Server-Station, insbesondere die Signale für andere Teilnehmer, starke Störungen an den Mobiles, die Mehrwegeempfang haben. Dieser bei FDMA und TDMA nicht vorhandene CDMA-spezifische Effekt erfordert eine sorgfältige Analyse der Mehrwegeausbreitung bei Aufbau und Optimierung von UMTS-Netzen. PN-Scanner sind UMTS-Testmobiles überlegen Netzbetreiber stehen vor der Herausforderung, die verbesserten Eigenschaften mobiler Funkversorgung durch UMTS- Technik auch wirklich auszuschöpfen. Um die Versorgungsqualität festzustellen, werden wie in GSM-Netzen auch bei UMTS Testmobiles verwendet. Mit diesen lassen sich jedoch die Ursachen für eine schlechte Qualität nur unzureichend ermitteln. Für solche Aufgaben sind PN-Scanner weitaus geeigneter, weil sie sich gegenüber einem Endgerät durch bessere Empfangseigenschaften auszeichnen und insbesondere in Problemzonen den Überblick behalten. Im Gegensatz zu UMTS-Mobiltelefonen, die gleichzeitig nur wenige Signale aus den stärksten Pfaden von einer oder zwei Basisstationen verarbeiten, müssen PN-Scanner die Pilotträger möglichst vieler Basisstationen in möglichst zahlreichen Pfaden messen können, damit Störungen wie Pilot Pollution, Mehrwege ausbreitung und Fading sicher erfasst werden. Diese Eigenschaften sichert im PN-Scanner R&S TS5K51C BILD 2 Die kartografisch dargestellte Pilot Pollution gibt an, wie viele Basisstations-Pilot-Signale innerhalb eines Kanals einen Leistungsschwellenwert überschreiten, der in einem konfigurierbaren Abstand unter der Pilotleistung des Best Servers liegt. BILD 3 Birth Death Fading, von 3GPP für Mobile Conformance Tests spezifiziert, mit dem Signalgenerator R&S SMIQ erzeugt und mit dem R&S PN-Scanner gemessen. Von 11 verschiedenen Pfaden sind abwechselnd je zwei quasizufällig gewählte Pfade mit gleicher Signalleistung aktiv. 5

3 MOBILFUNK Versorgungs-Messsysteme ein neuartiger Rake-Empfänger. Er unterscheidet sich von einem UMTS-Mobile- Empfänger dadurch, dass er sich bei wesentlich kleinerem E c /I o auf den Pilotträger einer Basisstation synchronisieren kann und um Größenordnungen mehr Rake-Finger besitzt, die den gleichzeitigen Empfang zahlreicher Nutz- und Störsignale sicherstellen. Ausgefeilte Technik sorgt für eine sichere Synchronisation Wenn sich ein UMTS-Empfänger auf eine Basisstation synchronisiert, sucht er den basisstations-spezifischen Pilotträger, der mit der Chiprate von 3,84 MHz QPSK-moduliert ist. Dessen Inhalt wiederholt sich alle 10 ms. Da die Chipfolge des Pilotträgers je nach Scrambling Code (SC) verschieden ist und 512 SCs verwendet werden, gibt es in einem beliebigen UMTS-Signalabschnitt mit einer zeitlichen Auflösung von ½ Chipdauer knapp vier Millionen mögliche Anordnungen von Pilotsignalen. Deren Messung ist Aufgabe des PN-Scanners. Doch selbst mit schneller Hardware und optimierten Algorithmen dauert ein Test aller vier Millionen Möglichkeiten im praktischen Einsatz zu lange. zeigt das Resultat eines Standardkorrelationsfilters für Primary Synchronisation Channels (P-SCH), in BILD 4b das Ergebnis des verbesserten Filters im PN-Scanner von Rohde&Schwarz. Mit diesem Filter werden bis auf die Kreuzkorrelationen des P-SCH alle anderen Störsignale um ca. 10 db stärker unterdrückt als vom Standardfilter, was es ermöglicht, die Synchronisation mit einer um 10 db verbesserten Dynamik durchzuführen. Im Gegensatz zu Mobiltelefonen, auf Mobile-Technik basierten Empfängern oder anderen PN-Scannern kann sich der BILD 4a Primäre Synchronisationssequenz, die mit einem Standard-Korrelator aus einem UMTS-Signal gefiltert wurden. PN-Scanner von Rohde&Schwarz durch Einsatz des optimierten Filters auch auf Pilotträger von Basisstationen synchronisieren, die zwar für die Datenübertragungen zu schwach sind, aber bestehende Verbindungen dennoch stören. Ein PN-Scanner muss insbesondere Störsignale erfassen und sich auf diese synchronisieren. Dafür benutzt der R&S TS5K51C ein gegenüber Mobile- Empfängern verbessertes Verfahren. UMTS-Mobiles tolerieren die während der Synchronisation falsch bestimmten Pilotträger, weil diese beim anschließen- Um die Pilotträger schneller finden zu können, sucht der PN-Scanner von Rohde&Schwarz in einem ersten Schritt die dem UMTS-Signal eingeprägten primären und sekundären Synchronisationssequenzen. Sind diese gefunden, so reduziert sich die Anzahl der Möglichkeiten, je nachdem wie viele sekundäre Synchronisationssequenzen ermittelt wurden, bis auf acht. BILD 4b Das im PN- Scanner von Rohde&Schwarz verwendete Filter liefert ein um 10 db besseres Ergebnis der P-SCH-Korrelation. Da kontinuierlich gesendete Pilotträger bei wesentlich kleinerem E c /I o messbar sind als die nur 256 Chips langen Synchronisationssequenzen, hängt der Erfolg der Synchronisation fast ausschließlich von der Messung der Synchronisationssequenzen ab. BILD 4a 6

4 den Demodulieren ausgesondert werden. Schwache oder schwankende Störsignale sind prinzipiell nicht demodulierbar. Der Rohde&Schwarz-PN-Scanners modifiziert die Messungen, indem er mehrere lange Pilotsignalabschnitte untersucht und Dopplereffekte berücksichtigt. Dadurch erreicht er einen höheren Korrelationsgewinn als ein Mobile. Eine korrekte Synchronisation ist sichergestellt, falsche oder gar nicht vorhandene, so genannte Geistercodes, die in den ersten Synchronisationsschritten auftreten, werden im Gegensatz zu konkurrierenden Lösungen erkannt und ausgesondert. Hocheffiziente Rake-Empfänger für die Messung der Pilotträger Zur Messung der Pilotträgerleistungen (BILD 5) wird ein neuartiger Rake-Empfänger eingesetzt, dessen parallel arbeitende Finger unabhängig voneinander Pilotsignale aller relevanten Basisstationen für die jeweils verschiedenen Empfangspfade aus dem gemessenen Signalgemisch filtern. Die Finger des Rohde&Schwarz-Rake-Empfängers tauschen beim Bilden von Skalarprodukten untereinander Zwischenergebnisse aus, wodurch sich die Effizienz des gesamten Empfängers um ein Vielfaches erhöht. Da die für den Empfang nötigen Berechnungen in der MMX-Einheit des Pentium-Prozessors ausgeführt werden, ist gegenüber typischen DSP-Implementierungen ein weiterer Geschwindigkeitsvorteil erreicht und eine gute Basis für das Erweitern und Verbessern des PN-Scanners gegeben. Außer der Pfadleistung von Basisstationen wird sowohl die Frequenzverschiebung zwischen Empfänger und Sender gemessen als auch das zeitliche Driftverhalten der Basisstationen gegen über BILD 5 Gleichzeitig gemessene PN-Code- Leistung von 11 verschiedenen Basisstationen aus insgesamt 19 Ausbreitungspfaden. Der Ankunftszeitunterschied Delta T [µs] der UMTS-Rahmengrenzen verschiedener Signale dienten neben dem Scramblingcode SC zur Unterscheidung der Basisstationen (hier wurden zwei verschiedene Stationen mit Scramblingcode 7 empfangen). Die Vorteile des PN-Scanners Einfache, zeitsparende und hochpräzise UMTS-Versorgungsmessungen und Netzoptimierung Universell einsetzbares HF-Frontend, Spektrumanalysator oder Messempfänger Keine Authorisierung mit z.b. SIM- Karte zur Messung notwendig Flexibler Einsatz im Indoor- und Outdoor-Bereich Standard-Rechnerplattform, PCs oder Notebooks mit Windows NT/2000/XP verwendbar Zukunftssicherheit durch modulare Steuer-Software R&S ROMES Zusätzlich zu den speziellen UMTS- Displays aussagekräftige Displays zur Online-Analyse wie X/Y-Diagramm, Tabelle, Statistik, Kartendarstellung Universelles Messkonzept. Kombinierbar mit Messempfängern für reine CW-Messaufgaben, mit Testmobiles für CDMA, GSM/GPRS Post Processing Tool R&S RODAS für das Verarbeiten einzelner, regionaler oder landesweiter Messdaten aus UMTS und anderen Technologien 7

5 MOBILFUNK Versorgungs-Messsysteme der internen Zeitbasis. Letztere kann mit der hochgenauen Zeitbasis der GPS- Satelliten synchronisiert werden. Beide Messwerte sind für die Synchronisation von Mobiltelefonen und für das Handover entscheidende Qualitätsparameter der UMTS-Basisstation. Der Rohde&Schwarz-PN-Scanner kann das Zeitverhalten der Basisstation auch im Wirkbetrieb überwachen. Spektrumanalyse für Up- und Downlink Selbst ein perfekt aufgebautes UMTS- Netz verliert merklich an Qualität, wenn es von externen Störungen heimgesucht wird. Um solche Störungen mit dem PN-Scanner zu finden, werden parallel zu PN-Code-Messungen Uplinkund Downlinkspektren gemessen, angezeigt und aufgezeichnet. Die sich zeitlich ändernde Spektralleistung wird in einer zweidimensionalen Farbgrafik dargestellt (BILD 6) und anhand des Frequenz- / Zeitverlaufs lässt sich die Herkunft von dort sichtbaren externen Störern eingrenzen oder direkt bestimmen. Für die Spektrumanalyse werden die hardwaregesteuerten analogen schmalbandigen Filter im Spektrumanalysator verwendet. Gegenüber auf FFT basierten digitalen Verfahren zeichnet sich das analoge Verfahren durch eine erhöhte Dynamik aus, wie sie bei mobilen Messungen über mehrere UMTS-Bänder nötig ist. Die Notebook-Variante (BILD 1) findet in allen Fällen Anwendung, wo es um flexiblen Einsatz geht, z.b. in wechselnden Fahrzeugen oder im Innenraumbereich. Alle Systemkomponenten sind einzeln verwendbar, es werden Magnethaftantennen eingesetzt und die Stromversorgung erfolgt über 12 V DC aus dem Messfahrzeug. BILD 6 Zeitverlauf der spektralen Leistungsdichte im UMTS-Downlink-Band. Es sind drei aktive UMTS- Kanäle und oben links ein kurzzeitig vorhandener CW- Störer erkennbar. Die High-Performance-Systemlösung ist konzipiert als Turn-Key-Lösung für die Installation in ein Messfahrzeug. Hier garantiert der feste und robuste Aufbau auch unter erschwerten Umweltbedingungen einen zuverlässigen Messeinsatz. Das System kann als reiner PN-Scanner oder aber auch als CW- (Pegelmessung, nur R&S ESPI) und PN-Scanner konfiguriert werden. Die Geräte R&S FSP/ ESPI, die in dieser Applikation als HF- Frontend und Spektrumanalysator eingesetzt wird, entsprechen dem neuesten Stand der Technik und sind Spitzenprodukte aus der Messgerätefamilie von Rohde&Schwarz [1, 2]. Konfiguration des PN-Scanners und seine Einsatzbereiche Der UMTS-PN Scanner kann sowohl als kostengünstige Variante mit Notebook als auch in Form einer High-Performance- Lösung konfiguriert werden. Welche Systemlösung zu bevorzugen ist, hängt vom Einsatzbereich ab. 8

6 Software-Plattform R&S ROMES Die extrem flexible und leistungsstarke Mess-Software R&S ROMES [3], die für alle Systeme der Versorgungsmesstechnik von Rohde&Schwarz eingesetzt wird, ist Bestandteil des PN-Scanners. Mit ihr werden Messempfänger, GPS-System und UMTS-Testmobile gesteuert sowie Messdaten gespeichert und ausgewertet. R&S ROMES ist durch den Einsatz von Windows-Interface-Elementen und -Techniken wie Drag and Drop komfortabel und intuitiv zu bedienen. Das Konzept der Software ist modular, d.h. sie lässt sich durch Laden und Konfigurieren entsprechender Gerätetreiber an die gewünschte Applikation anpassen. Dies ist besonders wichtig für das Einbinden von unterschiedlichen Typen zukünftiger UMTS-Testmobiles, aber auch für gemischte Anwendungen bei parallelen Messungen verschiedener Technologien wie GSM / GPRS, UMTS, IS-95, CDMA2000 etc. Fazit Rohde&Schwarz setzt mit dem hochpräzisen PN-Scanner R&S TS5K51C neue Maßstäbe für das Analysieren von UMTS- Störsignalen. Für das Bestimmen der Quality of Service (QoS) werden sowohl kommerzielle als auch UMTS-Testmobiles verschiedener Hersteller adaptiert. Der PN-Scanner deckt die Bereiche Netzplanung, Netzaufbau, Optimierung, Qualitätssicherung und Service für in Funktion und Größe optimierte Systeme ab. Johann Maier; Otmar Wanierke Vielseitige und präzise Messfunktionen Extrem schnelle Messungen im High- Speed-Modus (10 Messungen/s) Automatischer Best Server Display Mode (Top 1 bis Top 32) Technische Information unter (Suchbegriff TS5K51C) Extreme Empfindlichkeit bis 127 dbm im High-Dynamic-Modus, 119 dbm im High-Speed-Modus dynamische Rake-Finger für das Erfassen aller auftretenden UMTS-Signale Schnellste Synchronisation auf die PN-Codes (24 ms pro Pilot) Messung von Mehrwegeausbreitungen (CIR View) Mehrkanal-Messmöglichkeit (bis zu 12 Kanäle je Messfahrt) Anzeige des UMTS-Frequenzbands und des Up- und Down-Link-Spektrums mit 70 db Dynamik Spectrum History Display für das Erfassen von Fremdstörern und Fading-Effekten Analyse der Pilot Pollution Leistungsmessungen im P-SCH (Primary) und S-SCH (Secondary Synchronization Channel) Messung des relativen Frequenzfehlers von Basisstationen Root Mean Square (RMS) Delay Spread bezogen auf ein Chip Messung der Zeit-Drift der Basisstatio nen bezogen auf die GPS-Zeit Messung der Dopplerfrequenz einzelner Pfade Integriertes GPS-System mit Darstellung der Messwerte in einer Karte Technische Information zum R&S TS5K51C LITERATUR [1] Spektrumanalysator R&S FSP Mittelklasse mit High-End-Ambitionen. Neues von Rohde&Schwarz (2000) Nr. 166, S [2] Precompliance-Messempfänger R&S ESPI: Multitalent im Entwicklungslabor. Neues von Rohde&Schwarz (2001) Nr. 171, S [3] Mess-Software R&S ROMES3: Daten aus Versorgungsmessungen erfassen, analysieren und visualisieren. Neues von Rohde&Schwarz (2000) Nr. 166, S

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