Labor Mobilfunk Messung im GSM-Netz

Labor Mobilfunk Messung im GSM-Netz Mario Thurm (01340) & Thomas Kaminski (01321) 13.11.2003 1

1.5 Vorbereitende Aufgaben 1.5.1 Vorteile eines zellularen Netzes Erhöhung der Netzkapazität: Die im jeweiligen Netz zur Verfügung stehenden Frequenzen und Kanäle können nach einem bestimmten Abstand wiederverwendet werden. Funkzellen, in denen gleiche Frequenzen verwendet werden, müssen nur genügend weit voneinander entfernt sein, damit es nicht zu gegenseitigen Störungen (Interferenzen) kommt (siehe Störungen der Funkversorgung) Geringe Sendeleistung: Es ist nur eine geringe Sendeleistung notwendig, zwischen MS und Base Tranceiver Station Abstand zwischen Sender und Empfänger sein klein bei Ausfall einer Zelle fällt nicht das ganze Netz aus 1.5.2 Leistungsregelung zwischen MS und BTS In GSM-Systemen gibt es die Möglichkeit, die Sendeleistung einer Mobil- oder Basisstation zu steuern. Diese Art der Leistungsregelung (Power Control) hat verschiedene Vorteile: Verlängerung der Batterielebensdauer durch eine Verringerung der mittleren Ausgangsleistung Optimierung der Netzkapazität durch eine mögliche Reduktion von Interferenzen anderer Verbindungskanäle unter Beibehaltung der Übertragungsqualität Zur Reduzierung der Sendeleistung wird ein dynamisches Verfahren eingesetzt. Dabei wird der Zustand der Funkkanäle quasi-kontinuierlich überwacht und je nach gemessener Übertragungsqualität wird die Sendeleistung erhöht oder erniedrigt. Hierbei tritt eine Verzögerung zwischen Messung und Anpassung der Sendeleistung von 2 bis 3 Sekunden auf. Die Leistungsregelung erfolgt in 2-dB-Schritten und hat einen Dynamikumfang von maximal 3 db. Die Anzahl der 2-dB-Leistungsstufen hängt von der Leistungsklasse ab (s. Systempararameter) und beträgt z.b. bei Mobil Stations der GSM-Klasse 2 nur fünf Stufen. Die Messungen bilden auch eine Grundlage für die Hand-Over-Entscheidung. Leistungsregelung des Downlinks Die Verbindungsqualität des Downlinks wird von der Mobile Station überwacht und mittels zweier Parameter der Basisstation mitgeteilt: Empfangspegel Empfangsqualität Die Basisstation vergleicht die Werte mit vorher festgelegten Anforderungswerten und regelt die Sendeleistung des Downlinks entsprechend. Leistungsregelung des Uplinks 2

Das Verfahren funktioniert hier analog, nur mit dem Unterschied, daß die Mobile Station von der Basisstation nach vorheriger Analyse aufgefordert wird, die Sendeleistung des Uplinks entsprechend anzupassen. Eine Leistungsregelung zwischen Basisstation und übergeordneter Kontrollstelle ist optional vorgesehen und findet in der Praxis auch stets Anwendung. Hierbei muss die Basisstation die Sendeleistung für verschiedene Zeitschlitze dynamisch variieren. 1.5.3 Aufgaben verschiedener Kanäle BCCH (Broadcast Control Channel) Bei den Steuerkanälen gibt es neben dem Common Control Channel (CCCH) und dem Dedicated Control Channel (DCCH) ein weiterer: Der BCCH gehört zu den Kanälen des Broadcast Channels (BCH). Er verteilt Systeminformationen unidirektional an die Mobile Stations einer Zelle, die für die Orientierung und den Betreib der Mobile Stations erforderlich sind. Übertragen werden z.b. Informationen über Kanalstruktur, Frequenzen, Frequenzsprungfolge, Gebiet (Location Area), Informationen der eigenen und der Nachbarzellen, die Kennungen von Aufenthaltszelle, -bereich und -netz und die für die Zellauswahl erforderlichen Parameter. Der BCCH wird immer auf Zeitschlitz 0 der BCCH-Frequenz gesendet und hat eine Übertragungsrate von 782Bit/s. TCH (Traffic Channels) Der TCH dient zur Übertragung von Nutzinformationen. Je nach Nettoübertragungsrate und Dienstgüte werden mehrere TCH-Typen unterschieden. Zeitschlitz: für jede Verbindung einzeln festgelegt SACCH (Slow Associated Control Channel) Der SACCH dient zum kontinuierlichen Austausch von Signalisierungsinformationen, die für die Aufrechterhaltung der Funkverbindung notwendig sind. Darunter zählen beispielsweise die Anpassung und Koordination der Sendeleistung. Zeitschlitz: 0 SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel) Der SDCCH (Steuerkanal) überträgt Signalisierungsinformationen und Kurzmitteilungen der Benutzer. Er wird benutzt solange kein TCH zugewiesen ist. 1.5.4 Handover Als Handover wird in Mobilfunknetzen das weitergeben einer Verbindung von einer Zelle zur nächsten bezeichnet. In GSM-Netzen wird das Handover immer vom Netz aus angefordert und gestartet. Man unterscheidet: Intracell-Handover (innerhalb der selben Zelle) Intercell-Handover (zwischen verschiedenen Zellen), diese wiederum können unterschieden werden in: 3

1. Inter/Intra-BSC-Handover (zwischen verschiedenen/innerhalb eines BSC) und 2. Inter/Intra-MSC-Handover (zwischen verschiedenen/innerhalb eines MSC). Grundlegend bei einem Handover ist, dass die MS im Zustand dedicated ist, sie misst und überträgt die verschiedenen Werte. Der BSC führt den Handover durch, wenn die Station in demselben Bereich bleibt. Wegen dem hohen Signalisierungsbedarf wird der FACCH benutzt, der dem TCH Rahmen (bzw. Teile davon) stiehlt. Ein Handover zwischen verschiedenen MSC läuft wie folgt ab: MS schickt Messberichte an BSCalt, diese entscheidet, ob ein Handover nötig ist BSCalt teilt MSCalt die Notwendigkeit eines Handovers und Zielzelle mit MSCalt an MSCneu: Handover-Auftrag(Zielzelle) MSCneu fordert von VLRneu eine Handover-Nummer VLRneu belegt Handover-Nummer Handover-Anforderung: MSCneu belegt Kanal und fordert von BSCneu freien TCH Quittierung der Anforderung: BSCneu Parameter für TCH und MSCneu Quittierung des Funkübertragungskanals: MSCneu Parameter für TCH und MSCalt MSCalt: Herstellung einer Verbindung zu MSCneu unter der HOV-Nummer Adresse komplett Meldung: MSCneu: Quittierung Handover Befehl: MSCalt an MS: Kennung von Zelle und Kanal MS an BSCneu: Handover abgeschlossen Meldung MSCneu an MSCalt: laufende Verbindung umstellen MSCneu an MSCalt: Handover erfolgreich, Verbindung über MSCneu MSCalt an BSCalt: Aufforderung zum Ressourcenabbau 1.5.5 C1-Kriterium Das C1 Kriterium entscheidet im Standby Modus (idle mode) welche Funkzelle verwendet werden soll. Eine Funkzelle kann vom Telefon nur dann verwendet werden, wenn der errechnete, aktuelle C1-Wert größer als 0 ist. Das Telefon wählt im Standby Modus also immer jene Funkzelle, der das grösste C1 zugewiesen wurde. Der C1-Wert errechnet sich wie folgt: C1 = (RX RXLEV ACCESS MIN MAX((MX T XP W R MAX CCH MS MAX T XP W R), 0)) Die einzelnen Formelzeichen haben folgende Bedeutung: 4

RX RXLEV ACCESS M IN MX T XP W R MAX CCH MS MAX T XP W R als der aktuelle Empfangspegel als die zum Einbuchen in diese Zelle mindestens notwendige Empfangsfeldstärke als die in dieser Zelle maximal zugelassene Sendeleistung des Endgerätes als die maximal mögliche Sendeleistung des Endgeräts 1.5.6 Unterschied zwischen RxLevFull und RxLevSub RxLevFull: (6Bit) C1 value with continuous transmission from tower (calculated from all the timeslots of one 51-multiframe) RxLevSub: (6Bit) C1 value with discontinuous transmission from tower (subset of the timeslots in the 51-multiframe - usually from the SACCH timeslot) 5

2 Versuchsdurchführung und Auswertung 2.3.1 Messungen mit Mobiltelefon Siemens S3 und Abschirmkoffer 2.3.1.1 Daten der Serving Cell: Kanal = 18 Empfangspegel in dbm (RXLEV) = -076 BCC = 3 NCC = 3 NCC&BCC (BTS-Kennung = BSIC) = 33 max. erlaubte Sendeleistung der MS in dbm (MS TXPWR = TX) = 33 von der BTS vorgegebener Mindestpegel in dbm (RXLEVAM = RL)= -106 C1- Wert in dbm (kontinuierlicher Übertragung) = 29 Das C1-Kriterium wird aus der Differenz RXLEV - RXLEVAM bestimmt. Daten der Nachbarzellen: CH RL RM TX PB 1) 15-92 -106 33 33 2) 48-100 -106 33 32 3) 00 00 00 00 00 4) 00 00 00 00 00 5) 00 00 00 00 00 6) 00 00 00 00 00 RxLevAm ist der von der BTS vorgegebene Mindestpegel. Dieser Wert ist bei jeder Zelle gleich, d. h. 106 dbm ist der minimale Empfangspegel, mit dem eine BTS von der MS empfangen werden muss, um als ServingCell in Frage zu kommen. 106 dbm ist ein sehr geringer Leistungspegel und entspricht einer Leistung von 0,025 pw. MS TxPwr ist maximal erlaubte Sendeleistung der MS. Der maximal erlaubte Leistungspegel der MS (Siemens S3) beträgt 33 dbm. Dies entspricht einer maximalen Sendeleistung von 2 W. 2.3.1.2 Daten der Serving Cell: CH = 18 RXLev [dbm] = -90 RXLevFull [dbm] = 25 RXLevSub [dbm] = 25 TS [Timeslot] = 3 PL[Power Level] = 5 RXQualFull [dbm] = 0 RXQualSub [dbm] = 0 6

Die Verbindung wird über den ARFCN 18 (BCCH-Frequenz), bei einer Frequenz von 893,6 MHz im Uplink und 938,6 im Downlink über den Timeslot 3 hergestellt. Das Gespräch wird jetzt nur über diesen TS geführt. Der Wert PL (Power Level) gibt die maximale Leistung der MS an. Das hier verwendete Siemens S3 gehört zu der Leistungsklasse 5. Somit sendet und empfängt das S3 mit einer maximalen Leistung von 2 W oder mit einem maximalen Leistungspegel von 33 dbm +/- 3 db. Daten der Nachbarzellen: Abbildung 1: In der Abbildung ist der dritte Zeitschlitz im TDMA - Rahmen hervorgehoben. Damit soll verdeutlicht werden, dass genau dieser Zeitschlitz als Nutzkanal verwendet wird. CH RXL NCC BCC 1) 15-96 03 03 2) 48-27 03 02 3) 00 00 00 00 4) 00 00 00 00 5) 00 00 00 00 6) 00 00 00 00 7

2.3.1.3 GSM-Außenantenne frei : Power Level = 10 Burst Error Rate = 0 GSM-Außenantenne abgeschirmt : Power Level = 5 Burst Error Rate = 0-2 Wir stellten fest, dass sich der Wert des Power Levels (PL) halbierte. Außerdem trat eine kurzzeitige Fehlerzunahme auf. 2.3.2 Messungen mit Mobiltelefon S3 und GO/NO GO - Tester 2.3.2.1 Die Sprachqualität beim Echotest war akzeptabel. Ausdruck siehe Anhang 1. 2.3.2.2 Ab einem Empfindlichkeitspegel > größer als 6,4%. -105dBm ist die gemessene Bitfehlerrate (RxQual) Ausdruck siehe Anhang 2,3,4. 2.3.2.3 Die Meldung Signalisierungsfehler während Location Updates erscheint auf dem Bildschirm. Alle Tests werden als unausgeführt gemeldet. 2.3.3 Messungen mit dem Messsystem TS 9951 2.3.3.1 Emergency Call Modus und Einbuchvorgang Am AEG D 902 wurde neben Karte bitte noch angezeigt, dass nur Notrufe absetzbar sind. Base Station Identity Code (BSIC) = 33 Broadcast Common Control Channel (BCCH)= 18 Time Slot (TS) = 0 Nachdem wir die Karte in das Mobiltelefon eingesteckt hatten, bekam die MS kurzzeitig den Zeitschlitz 3 zugeteilt. Außerdem wechselte die TCH-Frequenz von 0 auf 18. 8

2.3.3.2 Idle Mode Die Serving Cell teilt folgende Kanäle (BCCH 1 ) der Nachbarzellen der MS mit: 15, 16, 18, 21, 23, 24, 25, 31, 34, 42, 48 RXLev Acc Min 2 wird mit 4 angegeben. Der minimale Signalpegel, mit der die Mobilstation Signale von der BTS empfangen kann liegt zwischen -107 und -106dBm. Ausdruck siehe Anhang 5. Tabelle 1 BCCH 15 18 21 23 25 36 48 BSIC 33 33 32 30 31 / 32 CI 24250 24251 29851 14793 31897 / 24252 LAC 93 93 93 93 93 / 93 T-Adv 1 0 3 3 2 / 1 MsTxPwrMaxCCH / 5 / / / / 5 RxLev Acc Min / 4 / / / / 4 Rx Lev in db -73-66 -88-86 -87 / -74 C1 31 43 19 20 19 / 31 TCH/TS 15/3 / 21/3 4/3 25/3 / 4/0 Einige Werte sind in Aufgabe 2.3.3.4 ermittelt wurden. 2.3.3.3 Connected Mode Eine Mobilstation soll immer nur mit der minimal notwendigen Leistung senden, um die Batterie zu schonen und Nachbarkanäle bzw. Nachbarzellen nicht unnötig zu stören. Deshalb sendet die MS im Idle-Mode mit einer sehr geringen Leistung an die BTS. Während des Verbindungsaufbaus Connected Mode steigt die Sendeleistung der MS dagegen sprunghaft an (ca. 30dBm). Nachdem die Verbindung hergestellt ist verringert sich die Sendeleistung der MS auf einen konstanten Wert (ca. 18dBm). 1 BCCH - Kanalnummer 2 RXLev Acc Min - minimaler Empfangspegel, mit dem eine BTS von der MS empfangen werden muss, um als Serving Cell in Frage zu kommen 9

Abbildung 2: 2.3.3.4 Handover a) Server N-1 N-2 N-3 N-4 N-5 N-6 BCCG 15 18 48 25 23 / / BSIC 33 33 32 31 30 / / C-1 59 41 30 19 15 / / BCCG 21 18 15 31 / / / BSIC 32 33 33 35 / / / C-1 59 42 31 05 / / / BCCG 23 18 15 21 25 34 / BSIC 30 33 32 32 31 30 / C-1 59 42 30 19 18 18 / BCCG 25 18 15 48 23 34 / BSIC 31 33 32 32 30 34 / C-1 59 43 29 27 15 13 / BCCG 48 18 15 25 36 34 / BSIC 32 33 33 31 30 34 / C-1 59 41 31 19 15 14 / b) Die Anzeige Hopp Ein/Aus war immer auf Aus. Bei der Hauptfrequenz einer BTS kann niemals der TS 0 oder 1 durch einen Sprachkanal belegt werden, da hier der BCCH und der SDCCH untergebracht sind. 10

BCCH TCH TS 48 4 2 18 2 2 15 15 3 25 2 2 c) Nachdem der erzwungene Handover in die empfangsschwache Zelle (BSIC 32 / BCCH 21) durchgeführt wurde, versuchte die BTS der MS - aufgrund der hohen und stark schwankenden Bitfehlerrate (RxQual) - einen besseren Nutzkanal zu zuordnen. Da keine Verbesserungen erzielt werden konnten erfolgte ein automatischer Handover in eine empfangsstarke Zelle (BSIC 33 / BCCH 18). Danach stabilisierte sich der Wert von RxQual auf Null. d) Wechsel in eine Zelle mit einem niedrigen Empfangspegel (BSIC 32 / RxLev - 98dBm) mit dem langsamen Schließen des Koffers wurde der Empfangspegel immer schwächer (BSIC 32 / RxLev -108dBm) anschließend erfolgte ein Handover in eine empfangsstarke Zelle nach dem Öffnen des Koffers wurde zur ursprünglichen Zelle gewechselt (BSIC 32) beim schnellen Schließen des Koffers trat kein Handover auf, da die Zeit für den Zellwechsel scheinbar nicht mehr ausgereicht hat (Verbindung gestört) 2.3.3.5 Verbindung unter schlechten Empfangsbedingungen Bei geschlossenem Koffer stieg die Sendeleistung von PL 13 (0,05W) auf PL 7 (0,80W) um die schlechteren Empfangsbedingungen auszugleichen. Bei geöffnetem Koffer pegelte sie sich wieder auf den ursprünglichen Wert ein. Die Sprachqualität zum Labortelefon war sowohl im Uplink als auch im Downlink akzeptabel. 2.3.4 Auswertung des TS 9951 2.3.4.1 Auswertung der Messdatei aus Aufgabe 2.3.3.5 Ausdruck siehe Anhang 6. 2.3.4.2 Auswertung einer unbekannten Messfahrt Die Messfahrt wurde wahrscheinlich im Gebiet um den Sendemast an der FH Telekom Leipzig durchgeführt. Das Ergebnis dieser Messfahrt waren drei Handover. Ausdruck siehe Anhang 7,8. 11

Abbildung 3: 3 Auswertung des Versuches 3.1 Aufgaben zur Auswertung 3.1.1 Vergleich der Zelldaten Beim Vergleich der beiden MS traten nur geringe Leistungsunterschiede auf. Im Schnitt waren die Empfangspegel des TS9951 etwas besser als beim Siemens S3. Außerdem erkannte das S3 weniger Nachbarzellen als das TS9951. 3.1.2 Ursache der Meldung Signalisierungsfehler während des LU Bei den Messungen mit dem Mobiltelefon S3 und dem GO/NO GO Tester simuliert der GO/NO GO Tester eine BTS. Dieser ist so voreingestellt, dass auf dem 1. Kanal mit der ARFCN 1 und auf dem 2. Kanal mit der ARFCN 124 gesendet oder empfangen wird. Werden diese beiden Kanäle auf die ARFCN 18 und 15 umgestellt, kommt es zu Störungen durch den Sendemast bei der FHL. Dessen BCCH-Frequenz liegt auf dem Kanal 18. Außerdem ist eine TCH-Frequenz auf dem Kanal 15 vorhanden. Dadurch kann der GO/NO GO Tester nicht mehr Einbuchen und es wird die Meldung Signalisierungsfehler während des Location Updates ausgegeben. 3.1.3 Anmeldung am Netz Die MS weiß nicht bei welchem Netzanbieter es sich einwählt, da die Zuordnung zum Netzanbieter nicht erfolgt. Für die MS stehen alle Zellen zur Verfügung, wobei ohne SIM-Karte nur auf Notruf beschränkte Aktivitäten zugelassen werden. Die erreichbaren Zellen werden nach ihren Leistungspegeln sortiert. Anschließend sucht sich das Mobiltelefon die BTS mit dem höchsten Pegel (beste Erreicharkeit) um eine maximale Verbindungssicherheit gewährleisten zu können. 3.1.4 Berechnung des C1-Wertes Das C1-Kriterium wird aus der Differenz RXLEV - RXLEVAM bestimmt. 12

3.1.5 Probleme wie Gesprächsabbruch BCCH 18 15 48 RxLev [dbm] -66-73 -74 RxLevAM [dbm] -106-106 -106 C1-Berechnung [dbm] 40 33 32 C1-Messung [dbm] 43 31 31 In diesem Versuchsabschnitt wurde ein Wechsel - erzwungener Handover - in eine sehr leistungsschwache Zelle (BCCH 23) durchgeführt, um das Verhalten der MS bei schnell wechselnden Empfangsbedingungen zu untersuchen. Das Telefon versucht bei Verschlechterung des Empfangspegels mittels Handover in eine leistungsstärkere Zelle zu wechseln. Dazu benötigt es allerdings eine bestimmte Zeitdauer um die Veränderung zu erkennen und zu reagieren. Bei langsamen Schließen des Abschirmkoffers wechselte die MS automatisch in die lokal leistungsstärkste Zelle (BCCH 18), und die Verbindung blieb erhalten. Schirmt man die MS jedoch schnell ab, so kommt es zu einer Verbindungsunterbrechung gefolgt von einem Handover in eine leistungsstarke Zelle. Folglich blieb dem Telefon nicht genügend Zeit um noch vor dem möglichen Verbindungsabbruch die Zelle zu wechseln. Unabhängig davon wird, aufgrund des schlechten Empfangspegels, auf jeden Fall eine andere, leistungsstärkere Zelle gewählt (falls dies möglich ist). Unter realen Bedingungen kann eine solche Situation beim schnellen Eindringen in einen abgeschirmten Bereich (z.b. Tunnel beim Fahren mit Auto oder Bahn) auftreten. Beim Verlassen einer Zelle sollte, sofern eine entsprechende Nachbarzelle existiert, jedoch die Verbindung erhalten bleiben, da theoretisch genügend Zeit für einen Handover bleibt. 3.1.6 Skizze im Anhang Es werden 3 Zellen (ARFCN 15, 18, und 48) genutzt. Für jede ARFCN stehen maximal 8 Zeitschlitze zur Verfügung. Man erhält daraus 24 Zeitschlitze, mit denen 24 Verbindungen gleichzeitig möglich sind. 3.1.7 Änderungen bei schlechten Empfangsbedingungen Die erste Änderung, die man bei schlechten Empfangsbedingungen beobachten kann, ist eine Verschlechterung des Empfangspegels. Dieser Pegelverschlechterung versucht man durch eine Erhöhung der Sendeleistung entgegenzuwirken. Zusätzlich ist eine Verkleinerung des C1- Wertes zu erkennen. Die Sprachqualität des Uplink und des Downlink bleibt jedoch unverändert. Im Gegensatz dazu lässt sich eine deutliche Empfangsqualitätsverschlechterung an Hand der zunehmenden BER erkennen. 3.1.8 Diagramm für RxLev Dies scheint der maximale Empfangspegel zu sein, der unter den örtlichen und technischen Bedingungen gemessen werden konnte. Demzufolge kann man Rückschlüsse auf die Abstrahlleistung des Sendemastes ziehen. 13