HSPA-Messungen mit allen Finessen

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1 MOBILFUNK Versorgungs-Messsysteme Funknetzanalysatoren R&S TSMx HSPA-Messungen mit allen Finessen HSPA-Techniken in UMTS-Netzen steigern die Datendurchsätze im Uplink und im Downlink signifikant aber auch die Komplexität. Umso wichtiger ist es, die angestrebte Netzqualität in diesen Turbo-Netzen sicherzustellen. Ein Fall für die Funknetzanalysatoren R&S TSMx (BILD 1) und die Mess-Software R&S ROMES. Netzqualität hat viele Seiten HSPA-Technologien für UMTS-Netze steigern den Datendurchsatz im Downlink bis 14,4 Mbit/s und im Uplink bis 5,74 Mbit/s (Details zu HSPA siehe rechte Seite). Der erreichbare Datendurchsatz ist aber nur ein Leistungsmerkmal eines Netzes je nach Anwendung stehen ganz unterschiedliche Ansprüche im Vordergrund. So erfordert z.b. ein FTP-Download eine möglichst hohe Datenrate, für Voice over IP dagegen ist die maximale Round Trip Time (RTT) entscheidend. Um eine angestrebte Netzqualität sicherzustellen, sind Messsysteme erforderlich, die zum einen die genaue Betrachtung und Analyse des verfügbaren Quality of Service ermöglichen, und zum anderen alle relevanten technischen Messwerte z.b. Layer 1 bis 3, Internet-Protokoll, etc. in praxisgerechter Form zur Fehleranalyse oder Optimierung bereitstellen. R&S ROMES: Ausgeklügelte Messmethoden für HSPA Damit Messungen in HSPA-Netzen aussagekräftig sind, muss ein Messsystem die anfallenden Daten mit ausgeklügelten Methoden sammeln, aufbereiten und visualisieren. Da sich die relevanten Messdaten in jedem Übertragungsintervall (TTI) ändern können, sind enorme Datenmengen zu verarbeiten. Die Mobiltelefon-Gerätetreiber der Mess-Software R&S ROMES sammeln diese Daten und speisen sie in Blöcken zu je 200 ms (100 TTIs bei HSDPA) in die Software ein. Diese Blockgröße gewährleistet einerseits, dass die erzeugte Last für das Messsystem in Grenzen bleibt, und andererseits dem Anwender stets fortlaufende Mess ergebnisse am Bildschirm zur Verfügung stehen. Für den Überblick über den Zustand eines Netzes sind jedoch meist aggregierte Werte hilfreicher als eine Vielzahl BILD 1 Unentbehrliche Messhilfen: die Funknetzanalysatoren R&S TSMx /1 18

2 HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) Mehrere HARQ-Prozesse erlauben die effiziente Nutzung der Übertragungs- und Verarbeitungszeit von Datenpaketen. Ist ein Datenpaket eines Prozesses übertragen, so muss nicht auf dessen Bestätigung gewartet, vielmehr kann sofort ein Paket eines weiteren Prozesses geschickt werden. Die Bestätigung über den erfolgreichen oder erfolglosen Empfang des Paketes erwartet der Sender erst einige Zeit später. Das Verfahren steigert zusätzlich die Effizienz, indem es fehlgeschlagene Übertragungen nicht komplett verwirft, sondern durch intelligente Algorithmen mit den weiteren Übertragungen des gleichen (Nutz-) Datenblocks kombiniert. Dies vergrößert die Wahrscheinlichkeit einer finalen erfolgreichen Decodierung des Pakets. AMC (Adaptive Modulation and Coding) Bei der Modulation und Codierung der Daten stehen hohen Nutzdatendurchsätzen eine geringe Robustheit der Übertragung gegenüber. Deshalb wird versucht, für die momentanen Übertragungsverhältnisse die optimalen Parameter zu ermitteln, die eine sichere Übertragung mit dem höchst möglichen Durchsatz garantieren. HSDPA bietet die Wahl zwischen verschiedenen Modulationen (QPSK und 16QAM). Auch für das Codieren der Daten stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Die Anpassung von Modulation und Codierung kann pro TTI erfolgen, was eine schnelle Reaktion auf Funkfeldveränderungen erlaubt. Ähnliches gilt für HSUPA. HSPA ein kurzer Überblick HSDPA (Release 5) Ziel der Einführung von HSDPA war es, die Funkkanäle möglichst effizient zu nutzen und gegenüber UMTS eine signifikante Steigerung der Datenrate im Downlink zu erreichen. Zudem sollte damit auch der erste Schritt zum Verringern der Round Trip Time (RTT) getan werden. Erreicht wurden diese Ziele mit mehreren Änderungen im Physical und im MAC Layer. Für einen größeren Datendurchsatz und eine effizientere Nutzung der HF-Ressourcen sorgen paral lele HARQ-Prozesse und das AMC. Zum Verringern der RTT war es nötig, Teile des MAC Layers vom Radio Network Controller (RNC) in die 3G-Basisstation zu verlegen. Nur so ließ sich ein Übertragungsintervall (Transmission Time Interval TTI) von 2 ms erreichen. Alle 2 ms also überträgt der Prozess Datenblöcke, für welche die Übertragungsparameter jeweils an die aktuellen Funkfeldbedingungen angepasst werden können (AMC). Dazu ist es erforderlich, dass das Mobiltelefon alle 2 ms den erfolgreichen oder misslungenen Empfang eines Datenpakets an die Basisstation meldet. Grundlage für die Anpassung der Übertragungsparameter durch die Basisstation ist der Channel Quality Indicator (CQI), den das Mobiltelefon an Hand der Empfangsqualität des Pilotsignals ermittelt und periodisch (alle n TTI) an die Basisstation meldet. Zur Realisierung dieser Anforderungen wurden drei neue Kanäle eingeführt. Im Downlink sorgt der High Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH) für den Transport der Daten. Über den High Speed Shared Control Channel (HS-SCCH) erfährt das Mobiltelefon die Konfiguration des HS-DSCH. Wie die Namen der Kanäle vermuten lassen, sind beide Kanäle nicht für ein einzelnes Mobiltelefon reserviert, vielmehr kann die Basisstation über diese Kanäle mehrere Mobiltelefone parallel bedienen. Im Uplink sorgt der High Speed Dedicated Physical Control Channel (HS-DPCCH) für die schnelle Übertragung der CQI-Werte und der Quittungssignale für die Datenpakete. HSUPA (Release 6) Alle Verbesserungen, die HSDPA im Downlink erzielt, soll HSUPA im Uplink ermöglichen. Es liegt nahe, dafür ähnliche Methoden zu verwenden. So wurden auch hier HARQ-Prozesse für die effiziente Datenübertragung eingeführt und das Transmission Time Interval auf 10 ms bzw. 2 ms verringert. Um die dafür nötigen schnellen Antwortzeiten zu erreichen, musste auch hier ein Teil des MAC Layers in die Basisstation verlegt werden. Während bei HSDPA der durchsatzbegrenzende Faktor der vom Mobiltelefon ermittelte CQI des Funkfeldes ist, ist es im Uplink die maximale Sendeleistung, welche die Basisstation einem Mobiltelefon erlauben kann. Sie ist zwar einerseits durch die maximale Sendeleistung eines Mobiltelefons begrenzt, generell darf die Basisstation aber einem Mobiltelefon nur soviel Sendeleistung zugestehen, dass andere Telefone nicht übertönt werden. Dies regelt die Basisstation über sog. Grants, die sie an die Mobiltelefone vergibt. Die Serving Cell kann diese Leistung durch die Vorgabe eines Absolute Grants auf einen bestimmten Anfangswert festlegen. Zusätzlich können alle Basisstationen, die von einem sendenden Mobiltelefon gestört werden, dessen erlaubte Sendeleistung mit dem Relative Grant in einzelnen Schritten verringern. Mit fünf neuen Kanälen ließ sich das Ziel realisieren. Der E-DCH Dedicated Physical Data Channel (E-DPDCH) und der E-DCH Dedicated Physical Control Channel (E-DPCCH) dienen zusammen der Übertragung der Daten im Uplink. Dabei werden die Daten über den E-DPDCH und dessen Format über den E-DPCCH an die Basisstation gesendet. Im Downlink sorgen der E-DCH Absolute Grant Channel (E-AGCH) und der E-DCH Relative Grant Channel (E-RGCH) für die Regelung der erlaubten Sendeleistung. Die für die HARQ-Prozesse nötigen Rückmeldungen von der Basisstation an das Mobiltelefon werden über den E-DCH Hybrid ARQ Indicator Channel (E-HICH) geleitet. 19

3 MOBILFUNK Versorgungs-Messsysteme einzelner Rohmesswerte. Deshalb bereiten die R&S ROMES-Mobiltelefontreiber während der Messungen aus den vom Telefon gelieferten Rohdaten zusätzliche Statistiken und Analysen auf. Alle Messwerte lassen sich als Standard- R&S ROMES-Signale in den bewährten Ansichten 2D Chart, Alphanumeric View oder Route Track View visualisieren und analysieren und mit anderen Signalen aus R&S ROMES für weitere Analysen verknüpfen. Ist eine Problemstelle identifiziert, bietet R&S ROMES zur detaillierten Analyse über spezielle Ansichten vollen Zugriff auf alle verfügbaren Messwerte eines TTI. Ansichten in R&S ROMES: Übersichtlich und detailliert HSUPA / HSDPA: Wie gut ist die aktuelle Datenübertragung? Die HSUPA-Ansicht (BILD 2) und die HSDPA-Ansicht (BILD 3) liefern einen ersten Eindruck über die Qualität der aktuellen Datenübertragung. Beide Ansichten zeigen ein Balkendiagramm, in dem die Farben den Erfolg der Übertragung visualisieren. Grüne Balken stehen für erfolgreich und rote für fehlerhaft übertragene Pakete bzw. TTIs. Gelbe Balken markieren TTIs, in denen keine Datenübertragung stattfand (Discontinuous Transmission, DTX). Die HSUPA-Ansicht zeigt auf der Y-Achse die vom Mobiltelefon übertragene Anzahl von Bits (Transport Block Size TBS), die aufgrund der erlaubten Sende leistung für den TTI ermittelt wurden. Damit ist der Zusammenhang zwischen Blockgröße und Übertragungserfolg sofort ablesbar. In der HSDPA-Ansicht steht die Größe der Balken für den CQI. Das Mobiltelefon berechnet ihn aus dem Pilotsignal der Basisstation, er spiegelt die angeforderte Datenrate wider. Decode Statistic Views Wie groß sind die Übertragungsblöcke? Die Software erstellt für beide Übertragungsrichtungen Statistiken, welche die Übertragungsqualität der HARQ- Prozesse beschreiben. Man unterscheidet zwischen (Daten-)Block und (Daten-) Sub-Block. Müssen Blöcke wiederholt gesendet werden, heißen sie Sub-Blöcke. Dazu ein Beispiel für einen Übertragungsvorgang: In einem ersten Übertragungsversuch wird ein Block innerhalb eines TTI gesendet. Kann der Empfänger den Inhalt decodieren, so ist die Übertragung erfolgreich abgeschlossen (die Anzahl von Block und Sub-Block ist in diesem Fall gleich, und zwar 1). Scheitert die Übertragung weil der Empfänger die Daten nicht decodieren kann hat dies einen Sub-Block Error (SBLE) zur Folge und die Übertragung muss wiederholt werden. Um dies einzuleiten, sendet der Empfänger eine Fehlermeldung (NACK Not Acknowledged) an den Sender und dieser startet einen neuen Funknetzanalysatoren R&S TSMx von Rohde&Schwarz Die Mobilfunknetze der dritten Generation erfordern Messmethoden, die auf möglichst einfache Art und Weise Hinweise auf potenzielle Problemstellen liefern und Lösungen anbieten. Die Funknetzanalysatoren R&S TSMx von Rohde&Schwarz erfüllen genau diese Ansprüche, bieten sie doch zusammen mit der Mess-Software R&S ROMES ausgeklügelte Algorithmen zur Analyse von Nachbarschaftsbeziehungen. Sie sind in allen Zyklen eines Mobilfunknetzes eine unersetzliche Hilfe und liefern Messergebnisse weitaus schneller und genauer als Test-Mobiltelefone. Ihr breitbandiges HF-Eingangsteil sowie die einfache und modulare Optionierung bieten maximale Flexibilität für Netzbetreiber, Dienstleister, Regulierungsbehörden und Hardware-Hersteller. Versuch. Kann der Empfänger diesen zweiten Sub-Block decodieren, so liegen insgesamt ein Sub-Block Error und ein Sub-Block Success vor, die zusammen eine Sub-Block Error Rate (SBLER) von 50 % ergeben. Der (Daten-)Block selbst wurde jedoch erfolgreich übertragen, die Block Error Rate (BLER) ist somit 0 %. Ein Block Error liegt vor, wenn der Sender die maximal zulässige Anzahl an Sendeversuchen für einen Block überschritten hat. In diesem Fall meldet der Sender diesen Block an höhere Layer als nicht übertragen. Außerdem wird die Verteilung berechnet, die zeigt, wieviele Versuche zur erfolgreichen Übertragung eines Blocks notwendig waren. Da die zu übertragenden Daten je nach Blockgröße mehr oder weniger geschützt sind, schlüsselt R&S ROMES die Statistik entsprechend auf. So kann der Anwender den Zusammenhang zwischen Blockgröße und Übertragungswahrscheinlichkeit gut erkennen (BILD 4 und 5). Die wichtigsten Abkürzungen AMC BLER CQI DTX HARQ HSDPA HSPA HSUPA NACK RNC RTT SBLE SBLER TBS TTI Adaptive Modulation and Coding Block Error Rate Channel Quality Indicator Discontinuous Transmission Hybrid Automatic Repeat Request High Speed Downlink Packet Access High Speed Packet Access High Speed Uplink Packet Access Not Acknowledged Radio Network Controller Round Trip Time Sub-Block Error Sub-Block Error Rate Transport Block Size Transmission Time Interval 20

4 BILD 3 Mit einem Blick auf die Ansicht erkennt man, dass in diesem Beispiel die große Anzahl von TTIs ohne Daten die Ursache für den niedrigen Durchsatz sind. BILD 2 Gut zu erkennen ist die stufenweise Erhöhung des Serving Grants, woraus eine höhere Transport Block Size resultiert (siehe auch BILD 8). BILD 4 Für die Übertragung werden in diesem Beispiel eine Vielzahl verschiedener Transport-Blöcke mit unterschiedlicher Größe verwendet. Dabei ist zu erkennen, dass mit der Zunahme der Größe tendenziell auch die Wahrscheinlichkeit für Sub-Block Errors steigt. BILD 5 Die Ansicht zeigt, dass vor allem große Transport Block Sizes verwendet werden, für die allerdings häufig eine zweite Übertragung erforderlich ist. 21

5 MOBILFUNK Versorgungs-Messsysteme Performance Views Der Durchsatz Beide Ansichten zeigen den Verlauf der wichtigsten HSPA-Parameter. Die HSDPA-Ansicht (BILD 6) beinhaltet Abschnitte für die vom Mobiltelefon geforderten und für die vom Netz gesetzten Übertragungsparameter sowie deren Differenz. Außerdem zeigt sie den Datendurchsatz im MAC Layer und im RLC Layer auf. Die HSUPA-Ansicht (BILD 7) präsentiert die Erfolgsraten und den Durchsatz der Datenübertragung. Die Software stellt die entsprechenden Werte sowohl kombiniert als auch aufgeschlüsselt für die einzelnen an der Übertragung beteiligten Basisstationen dar. Außerdem visualisiert sie den durchsatzbegrenzenden Faktor im Bereich Payload Limit. Die so aufbereitete Kombination von Erfolgsraten und Payload Limit bietet effiziente Analysemöglichkeiten im Fall niedriger Datenraten. Ablauf-Ansichten Paket Tracking in R&S ROMES Mit Hilfe dieser Ansichten (BILD 8 und 9) lässt sich der Verlauf der Übertragungsparametersteuerung leicht nachverfolgen. Die Software visualisiert für jedes TTI die entsprechenden Parameter in Form farbiger Quadrate. Diese Art der Darstellung ermöglicht es, mit einem Blick den Zustand der Datenübertragung zu beurteilen. Mit Hilfe der HSDPA- Ansicht kann somit leicht ein HARQ- Prozess analysiert werden. Die HSUPA- Ansicht erlaubt eine schnelle Analyse der Regelung des Serving Grant über die Serving und Non-Serving Cells. Der Data Quality Analyzer sorgt für Datenverkehr Der Test-Datenverkehr wird mit der Option Data Quality Analyzer für R&S ROMES erzeugt. Die Option wird mit dem Einsatz neuer Technologien ständig weiterentwickelt. So erlaubt sie nun z.b. eine weitgehende Anpassung der verwendeten Puffer, um einen optimalen Durchsatz zu gewährleisten. Auch HSPA-Datenkarten der neuen Generation, die sich im Betriebssystem ausschließlich als Netzwerkkarten registrieren, sind verwendbar. IP Tracer klärt auf Der IP Tracer rundet den Funktionsumfang der Software ab. Mit diesem Werkzeug lässt sich der gesamte IP- Datenverkehr (optional ohne Payload) einer Datenverbindung aufzeichnen und analysieren. Durch das Zusammenführen des IP-Datenverkehrs mit den Layer-3-Nachrichten des Mobiltelefons entsteht in der Layer 3 View ein mächtiges Tool zur Analyse aller beteiligten Protokolle. Alles aus einem Guss Selbstverständlich können alle beschriebenen Module parallel zu anderen R&S ROMES-Modulen, z.b. zum UMTS- PN-Scanner oder zum GSM-Neztwerk- Scanner, betrieben werden. Dies ermöglicht es, mit nur einer Messfahrt einen Quality of Service Report anzufertigen, die Problemstellen zu identifizieren und gleichzeitig alle nur denkbaren Messwerte zur Optimierung zu sammeln. Andreas Spachtholz Weitere Informationen zu den Funknetzanalysatoren und der Mess-Software R&S ROMES unter (Suchbegriff: TSM oder Romes) LITERATUR Funknetzanalysatoren R&S TSMx Funknetzanalysatoren für alle Aufgaben und jedes Budget. Neues von Rohde&Schwarz (2007) Nr. 192, S BILD 6 Der obere Graph zeigt den aufgrund der Funkfeldbedingungen vom Mobiltelefon gewünschten Durchsatz. Die weiteren visualisieren den vom Netz zugeteilten Durchsatz bzw. die Differenz dazu. BILD 7 Ein typisches Bild beim Start der Übertragung. Zuerst ist der Puffer das begrenzende Element, da er noch von der Applikation (z.b. vom FTP Client) gefüllt werden muss. Doch schon kurz darauf begrenzt der Serving Grant den max. Datendurchsatz. BILD 8 In dieser Ansicht lassen die grünen Quadrate in der zweite Zeile (RGCH) sehr schön das stufenweise Hochregeln des Serving Grant in jedem vierten TTI erkennen (siehe auch BILD 2). BILD 9 Der Ablauf der HARQ-Prozesse ist in dieser Ansicht gut zu erkennen. Das rote Quadrat in der dritten Zeile weist auf eine fehlgeschlagene Übertragung im HARQ- Prozess 3 (erste Spalte) hin. Der HARQ-Prozess 3 wird in der Spalte 7 wieder bedient. Der New Transmission Indicator (Zeile 4) zeigt, dass es sich um eine Retransmission handelt, die erneut fehlschlug (Zeile 3). Das grüne Quadrat in Spalte 13 und Zeile 3 steht schließlich für eine erfolgreiche Datenübertragung. Nun können neue (Nutz-)Daten übertragen werden. Das grüne Quadrat in Spalte 19 weist auf den gesetzten New Transmission Indicator im nächsten TTI des Prozesses 3 hin. 22

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