PIM Einfluss auf die Performance im Mobilfunk Netzwerk

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1 PIM Einfluss auf die Performance im Mobilfunk Netzwerk OSI-Forum, Dr. Peter Gräf, Telefonica Germany GmbH & Co. OHG Public Nicht vertraulich

2 01. Index 01. PIM Ein Phänomen im Mobilfunk Begrifflichkeit Geschichte Darstellung 02. Skizze aktueller Mobilfunksysteme Allgemeines Design Spezifische Eigenschaften 03. Wichtige LTE-Eigenschaften Resourcen in der HF-Ebene Adaptive Modulation Radio Resource Management 04. PIM Risiko Analyse Alle Systeme LTE700/ LTE800 LTE Wirkung von Störsignalen Pegeldarstellung SINR-Darstellung Indikatoren im Wirkbetrieb 06. Fallbeispiel, PIM bei LTE800 Standort und Symptomatik Wirkung und Ursache Performance vor und nach Störbeseitigung 2 Public Nicht vertraulich

3 01 PIM Ein Phänomen im Mobilfunk Public Nicht vertraulich

4 01.1 Begrifflichkeit Passive Intermodulation Intermodulation Meinke Gundlach (5.Auflage, 1992) und andere (bis 1996) Passiv Effekt entsteht beim Vorhandensein mehrerer Signale Effekt wird durch eine Nichtlinearität verursacht Effekt führt zum Entstehen neuer Signale, die in einem definierten Frequenzverhältnis zu den ursprünglichen Signalen stehen Widerspruch zu Nichtlinearität Kennzeichnet das Vorliegen des Effektes in einem passiven System 4 Public Nicht vertraulich

5 01.2. Darstellung des Effektes Theorie: Skizze: Annahme zweier Signale f1 und f2 in einem gemeinsamen passiven Übertragungssystem Vorliegen einer Nichtlinearität im Sinne eines Dreckeffektes Annahme ausreichender Leistung für beide Signale Die neu generierten Signale haben eine zu den Ursprungssignalen symmetrische Frequenzlage IM(o)- =n*f1-m*f2 IM(o)+ =m*f1-n*f2 IM-Ordnung o = n+m Ebenfalls generierte Summenanteile liegen im hochfrequenten Bereich und werden ignoriert Die Frequenzlage von IM-Produkten kann eindeutig berechnet werden Die Intensität von IM-Produkten hängt von der normalerweise nicht bekannten Nichtlinearität (Formel) ab und ist nur qualitativ bekannt, sie nimmt mit zunehmender Ordnung ab. 5 Public Nicht vertraulich

6 02 Skizze aktueller Mobilfunksysteme Public Nicht vertraulich

7 02.1 Typischer Mobilfunkansatz Full Duplex (FDD): Skizze: Getrennte Übertragungskanäle für UL und DL Lorem ipsum dolor sit ame: UL = Uplink, Kanal vom Mobile zur Basisstation DL = Downlink, Kanal von der Basisstation zum Mobile Im Rahmen der Frequenzvergabe ist für bestimmte Mobilfunksysteme Spektrum für TDD-Betrieb (zeitversetztes Senden/Empfangen) zugeteilt worden, das derzeit nicht genutzt wird Duplexlücke trennt UL-Band und DL-Band Zunehmende Mehrfachnutzung von Antennen, z.b. LTE1800 und UMTS2100 über Combiner geführt 7 Public Nicht vertraulich

8 02.2 Spezifische Eigenschaften Bandbreite, DL/ UL, gesamt (MHz) Nutzung (aktuell) Frequenzband Duplexlücke (MHz) Kanalbandbreite (Träger) (MHz) Typ. Datenrate DL (Mbit/s) 700 MHz 30 LTE (9) UE Cat2: 50 UE Cat5: MHz 30 LTE (9) 900 MHz 35 GSM 10 0,277 0,014, EDGE:0,06 0,47, GPRS:0, MHz 75 GSM/ LTE 20 0,277/ 4, MHz 60 UMTS 130 3,84 R99: 0,384, R5: bis 14, R7: MHz 70 LTE (4,8-18) Demonstration an interaktivem Excel-Programm 8 Public Nicht vertraulich

9 03 Wichtige LTE- Eigenschaften Public Nicht vertraulich

10 03.1 Resourcen in der HF-Ebene Theorie: Skizze für LTE800: Organisation des verfügbaren Spektrums erfolgt in Resource Blocks (RB) der Breite 180 khz Ein Resource Block konsituiert sich aus 12 Unterträgern der Breite 15 khz Im Zeitbereich gibt es ebenfalls quantisierte Strukturen, deren Grundeinheit durch die Symboldauer (71,4 us) definiert ist. 7 aufeinanderfolgende Symbole bilden einen Slot und definieren unter Berücksichtigung der 12 Unterträger einen Resource Block (7*12=84 Resource-Elemente) Die Resourcenzuteilung an alle vorhandenen Nutzer erfolgt in RB-Portionen. 10 Public Nicht vertraulich

11 03.2 Adaptive Modulation Zur Modulation der 12 Unterträger stehen folgende Modulationsverfahren bereit: BPSK,QPSK, 16QAM, 64QAM Durch Codierung mit unterschiedlichen Coderaten können die Modulationsverfahren robuster gegen Störer gemacht werden. Die Wahl der Coderaten führt zu einer praxistauglichen diskreten Auflösung der SINR-Funktion mit etwa 1 db-stufen Konkrete Herstellerangaben zu solchen Eigenschaften ihrer Radios liegen i.a. nicht vor. 11 Public Nicht vertraulich

12 03.3 Radio Resource Management Im DL werden Referenz-, Synchronisierungs- und Kontrollsignale übertragen Das UE misst über das Referenzsignal die Kanaleigenschaften Pegel RSRP Qualität RSRQ Das UE übermittelt die Mess-Ergebnisse an die BTS um für den angeforderten Service die besten Übertragungsparameter zu finden Bei nicht ausgelasteten Zellen finden sich immer RBs, die im Zeit- und Frequenzbereich so allokierbar sind, dass eine Interferenzminimierung erreicht wird Der ungünstigste Fall liegt vor, wenn in Nachbarzellen maximaler Single User Throughput angefragt wird. Da der Scheduler ein Betriebsgeheimnis der Hersteller ist, kann nur durch Performance-Messungen ein Verständnis des Verhaltens in Extremfällen gefunden warden. Bei hoher Zellauslastung werden sich am ehesten PIM-Probleme bemerkbar machen 12 Public Nicht vertraulich

13 04 PIM Risiko Analyse Public Nicht vertraulich

14 04.1 Alle Systeme Status der Frequenzzuteilung vor Frequenzauktion (nur O2-Spektrum), nur 2 Ton-Analyse! getrennte Lowband und Highband- Antennen Feedersharing 14 Public Nicht vertraulich

15 04.2 LTE700/ LTE800 Telefonica Spektrum 100% IM3 im LTE800 UL 100% IM5 im LTE700 UL 15 Public Nicht vertraulich

16 04.3 LTE700/ LTE800 Telekom Spektrum 100% IM3 im LTE800 UL 61% IM3 im LTE700 UL 16 Public Nicht vertraulich

17 04.4 LTE700/ LTE800 Vodafone Spektrum 5,6% IM3 im LTE800 UL 100% IM5 im LTE800 UL 100% IM5 im LTE700 UL 17 Public Nicht vertraulich

18 MHz mit GSM und LTE Telefonica Spektrum 100% IM3 im LTE1800 UL 100% IM5 im GSM1800 UL Potentielle Gefahr bei LTE Bandbreiten >15 MHz 18 Public Nicht vertraulich

19 Wirkung von Störsignalen Public Nicht vertraulich

20 05.1 Pegeldarstellung Theorie: Skizze: Theoretische Betrachtung mit folgenden Rahmendaten BTS-NF = 3 db Bandbreite = 180 khz (1RB) Benötigtes SINR = 10 db Tolerierte Degradation = 3 db Faustregel: bei Freiraumausbreitung bedeutet eine erforderliche Zunahme des Empfangspegels um 6dB eine Halbierung der Reichweite für den gewünschten Datendurchsatz 20 Public Nicht vertraulich

21 05.2 SINR-Darstellung Theorie: Graphik: SINR = Signal zu (Interferenz+Rauschen)-Verhältnis Shannon-Formel beschreibtmöglichendatendurchsatz in Abhängigkeit des SINR(linear) 21 Annahme von SISO (UL), 0,4, 1,3 gibt gute Übereinstimmung mit realen Systemen Throughput reduziertsichbei 10 db Degradation um79%, wennein SINR=7dB benötigtwird (Zellrand). 21 Public Nicht vertraulich

22 05.3 Indikatoren im Wirkbetrieb Inbalanz von RTWP für Main und Diversity Pfad Schlechter LTE Intra/Inter enb handover Erfolg Häufige RRC setup Versuche für services in einer Zelle Geringe Anzahl successful E-RAB setups in einer Zelle Niedriges total traffic volume of received PDCP SDUs in einer Zelle Effiziente Modulationen werden nicht eingesetzt Beim Vorliegen dieser Indikatoren kann das Testmodell 1 oder ein entsprechendes Feature (z.b. Simuload bei Huawei) konfiguriert werden. Im Fall von PIM zeigt sich eventuell ein Anstieg der RTWP. 22 Public Nicht vertraulich

23 06 Fallbeispiel, PIM bei LTE800 Public Nicht vertraulich

24 06.1 Standort und Symptomatik Symptomatik Sendemast mit RRU Große Unterschiede bei RTWP für Main und Diversity Drop- und blocked call Rate auffallend hoch Wenig hochwertige Modulationen im Einsatz Die Konfiguration von Simuload zeigt eine signifikante RSSI-Degradation von 10 db im Antennenpfad 1 24 Public Nicht vertraulich

25 06.2 Wirkung und Ursache Wirkung Ursache Große Unterschiede bei RTWP für Main und Diversity deuten auf einen Mangel im Feedersystem hin Die Konfiguration von Simuload zeigt eine signifikante RSSI-Degradation im Antennenpfad 1, die auf eine mögliche PIM-Störung höherer Ordnung hinweist Eine Mesung von IM3 lokalisiert die PIM-Ursache an der antennenseitigen Feedersteckverbindung (loser Stecker) Nachbearbeitung des Steckers beseitigt IM3-PIM sowie Simuload-Effekt 25 Public Nicht vertraulich

26 06.3 Performance vor und nach Störbeseitigung Signifikante HO-Verbesserung Klare Zunahme von höherwertigen Modulationen Zunahme von MIMO-Einsatz 26 Public Nicht vertraulich

27 06.4 Zusammenfassung Die Auswirkungen von PIM auf die LTE-Performance kann über allgemeine, grundsätzliche Betrachtungen verstanden werden. Im Wirknetz gibt es viele Parameter (KPI), die einen Hinweis auf das Vorliegen von PIM geben können. Es liegt aber i.allg. nicht immer eine Korrelation der möglichen Parameter vor. Bei Mehrfachnutzung von Antennensystemen steigt die potentielle PIM-Gefahr stark an, da die Bandbreite der beteiligten Service (3G, 4G) zu einer entspechenden Verbreiterung der IM-Produkte führt. Bei großer LTE-Bandbreite steigt auch die Gefahr von Eigenstörung. 27 Public Nicht vertraulich

28 06.5 Quellen 3GPP TR , Passive Intermodulation (PIM) handling for Base Stations (BS) 3GPP , Radio Frequency (RF) system scenarios 3GPP TS , Physical channels and modulation 3GPP TS , Requirements for support of radio resource management R+S Application Note 1MA111, UMTS Long Term Evolution (LTE), Technology Introduction 28 Public Nicht vertraulich

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