TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL. Infotehnoloogiateaduskond. Raadio- ja sidetehnika instituut. Telekommunikatsiooni õppetool

Transcription

1 TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL Infotehnoloogiateaduskond Raadio- ja sidetehnika instituut Telekommunikatsiooni õppetool Kood:IRT70LT LTE MOBIILNE ANDMESIDE 2 GHZ SAGEDUSALAS Margus Sits Töö on tehtud telekommunikatsiooni õppetooli juures Juhendaja Avo Ots Kaitsmine toimub raadio- ja sidetehnika instituudi kaitsmiskomisjonis Autor taotleb tehnikateaduse magistri kraadi Esitatud: Kaitsmine: Tallinn 2015

2 REFERAAT Käesolev magistritöö teemal LTE mobiilne andmeside 2 GHz sagedusalas käsitleb LTE sagedusalade 2100 ja 2600 MHz signaali omadusi ja võrdlust samades tingimustes. Töö eesmärgiks on mõõta nende sagedusalade signaalid, analüüsida tulemusi ja uurida, kuidas tagatakse andmeside. Tulemustes kinnitus, et 2100 MHz sagedusala signaal levis kaugemale ja andmeside oli paremini tagatud. Töö on kirjutatud eesti keeles 89 leheküljel ning sisaldab 72 joonist, 7 tabelit ja 3 lisa. Võtmesõnad: LTE, LTE 2100, LTE 2600, RSRP, MCS, allalaadimiskiirus 2

3 ABSTRACT This Master s thesis Coverage Analysis of 2 GHz LTE Bands gives an analysis of the differences in characteristics of LTE bands 2100 and 2600 MHz. The purpose of the work is to gather measurement data in these frequency bands and do an analysis of the coverage. After analyzing the results, it was clear, that 2100 MHz band has a stronger signal coverage and it ensures better throughput. The thesis is written in Estonian on 89 pages and includes 72 figures, 7 tables and 3 appendixes. Keywords: LTE, LTE 2100, LTE 2600, RSRP, MCS, throughput. 3

4 EESSÕNA Erinevates sagedusalades ei tagata andmesidet ühte moodi. Arvesse tuleb võtta, kui kaugele ja mis nivooga signaal levib. Signaali nivoost sõltub, kui hästi toimib andmeside. Käesoleva magistritöö eesmärgiks on uurida 2 GHz sagedusvahemikus toimiva LTE signaali leviala ja andmeside tagamist allalülis. Selleks on läbi viidud kahes erinevas sagedusvahemikus spetsiaalsed mõõtmised ning võrreldud saadud tulemusi. Väärtuslike nõuannete eest tänan juhendajat Avo Otsa. Samuti soovin tänada Leino Avi, Tanel Sarrit, Alari Amorit ja kõiki teisi kolleege Tele2 Eesti AS raadioosakonnast, kes aitasid käesoleva magistritöö valmimisel. Tallinn, 30. mai 2015 Margus Sits 4

5 SISUKORD TEKSTIJOONISTE LOETELU... 7 TABELITE LOETELU LÜHENDITE LOETELU SISSEJUHATUS LTE RAADIOVÕRK LTE väljatöötamine Ribalaius Modulatsioon OFDMA ja SC-FDMA MIMO LTE süsteemi struktuur Loogiline, transport ja füüsiline kanal Ressursi element Referentssignaal LTE signaali tugevuse ja kvaliteedi parameetrid RSRP RSSI RSRQ Modulatsiooni ja kodeerimise skeem Andmeside kiiruse arvutamine Signaali hilistumine MÕÕTMISTE LÄBIVIIMINE Kasutatud mõõteseadmed ja tarkvara Mõõtmise tarkvara TEMS Investigation Mõõtetulemuste analüüsimise tarkvara TEMS Discovery Skänner PCTel Seegull MX G modem Huawei E392u Sülearvuti Lenovo Thinkpad W Navigaator Garmin Nüvi 1490 ja selle tarkvara MapSource Kaardiprogramm Google Earth Mõõdetava piirkonna valik Teekonna valik Mõõteseadmete konfiguratsioon

6 2.5. Teekonna läbimine MÕÕTETULEMUSED Tugijaama parameetrid Tulemuste esitamine Signaalitugevus ja leviala Esimese sektori RSRP Teise sektori RSRP Kolmanda sektori RSRP Modemi mõõdetud RSRP Mõõdetud MIMO kasutus MCS ja andmeside kiirused MCS kujutamine kaardil Tugijaama koormus mõõtmiste ajal Statistilised MCS tulemused Esimese sektori MCS Teise sektori MCS Kolmanda sektori MCS Mõõdetud MCS-i ja kauguste tugijaamast suhe Järeldused KOKKUVÕTE KASUTATUD KIRJANDUS LISA 1. Mõõdetud RSRQ ja kauguste tugijaamast suhe LISA 2. Mõõdetud MCS-i ja signaalitugevuse ning kvaliteedi suhe LISA 3. Mõõdetud MCS-i ja MIMO suhe

7 TEKSTIJOONISTE LOETELU Joonis 1. OFDM alamkandjate asetus [3. Lk 28] Joonis 2. OFDM modulaatori skeem [3. Lk 29] Joonis 3. OFDMA alamkandjate jagamine mitmele kasutajale [3. Lk 42] Joonis 4. Raadiovõrgu RAN liidesed [3. Lk 110] Joonis 5. RAN protokollide ülesehitus [3. Lk 112] Joonis 6. LTE füüsiline ressurss [3. Lk 130] Joonis 7. Kahe ressursi plokiga kärjepõhise referents signaali struktuur [3. Lk 154] Joonis 8. Läbitud teekond Joonis 9. TEMS Investigation-i skript LTE 2600 mõõtmisel Joonis 10. TEMS Investigation-is mõõtmise ajal avatud aknad Joonis 11. Tugijaama esimese sektori LTE 2600 RSRP ühe kilomeetri raadiuses Joonis 12. Tugijaama esimese sektori LTE 2100 RSRP ühe kilomeetri raadiuses Joonis 13. Tugijaama esimese sektori LTE 2600 RSRP viie kilomeetri raadiuses Joonis 14. Tugijaama esimese sektori LTE 2100 RSRP viie kilomeetri raadiuses Joonis 15. Tugijaama teise sektori LTE 2600 RSRP ühe kilomeetri raadiuses Joonis 16. Tugijaama teise sektori LTE 2100 RSRP ühe kilomeetri raadiuses Joonis 17. Tugijaama teise sektori LTE 2600 RSRP viie kilomeetri raadiuses Joonis 18. Tugijaama teise sektori LTE 2100 RSRP viie kilomeetri raadiuses Joonis 19. Tugijaama teise sektori LTE 2600 RSRP kogu ulatuses Joonis 20. Tugijaama teise sektori LTE 2100 RSRP kogu ulatuses Joonis 21. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2600 RSRP ühe kilomeetri raadiuses Joonis 22. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2100 RSRP ühe kilomeetri raadiuses Joonis 23. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2600 RSRP viie kilomeetri raadiuses Joonis 24. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2100 RSRP viie kilomeetri raadiuses Joonis 25. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2600 RSRP kogu ulatuses Joonis 26. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2100 RSRP kogu ulatuses Joonis 27. Modemiga mõõdetud LTE 2600 esimese sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 28. Modemiga mõõdetud LTE 2100 esimese sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 29. Modemiga mõõdetud LTE 2600 teise sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 30. Modemiga mõõdetud LTE 2100 teise sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 31. Modemiga mõõdetud LTE 2600 kolmanda sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 32. Modemiga mõõdetud LTE 2100 kolmanda sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 33. Modemi mõõdetud LTE 2600 MIMO kasutus

8 Joonis 34. Modemi mõõdetud LTE 2100 MIMO kasutus Joonis 35. Tugijaama esimese sektori LTE 2600 MCS ühe kilomeetri raadiuses Joonis 36. Tugijaama esimese sektori LTE 2100 MCS ühe kilomeetri raadiuses Joonis 37. Tugijaama esimese sektori LTE 2600 MCS viie kilomeetri raadiuses Joonis 38. Tugijaama esimese sektori LTE 2100 MCS viie kilomeetri raadiuses Joonis 39. Tugijaama teise sektori LTE 2600 MCS ühe kilomeetri raadiuses Joonis 40. Tugijaama teise sektori LTE 2100 MCS ühe kilomeetri raadiuses Joonis 41. Tugijaama teise sektori LTE 2600 MCS viie kilomeetri raadiuses Joonis 42. Tugijaama teise sektori LTE 2100 MCS viie kilomeetri raadiuses Joonis 43. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2600 MCS ühe kilomeetri raadiuses Joonis 44. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2100 MCS ühe kilomeetri raadiuses Joonis 45. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2600 MCS viie kilomeetri raadiuses Joonis 46. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2100 MCS viie kilomeetri raadiuses Joonis 47. LTE 2600 esimese sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 48. LTE 2100 esimese sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 49. LTE 2600 teise sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 50. LTE 2100 teise sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 51. LTE 2600 kolmanda sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 52. LTE 2100 kolmanda sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 53. Skänneri mõõdetud LTE 2600 RSRP protsentides Joonis 54. Skänneri mõõdetud LTE 2100 RSRP protsentides Joonis 55. Modemi mõõdetud LTE 2600 MCS protsentides Joonis 56. Modemi mõõdetud LTE 2100 MCS protsentides Joonis 57. Modemi mõõdetud LTE 2600 RSRP protsentides erinevatel kaugustel Joonis 58. Modemi mõõdetud LTE 2100 RSRP protsentides erinevatel kaugustel Joonis 59. Modemi mõõdetud LTE 2600 MCS protsentides erinevatel kaugustel Joonis 60. Modemi mõõdetud LTE 2100 MCS protsentides erinevatel kaugustel Joonis 61. LTE 2600 esimese sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 62. LTE 2100 esimese sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 63. LTE 2600 teise sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 64. LTE 2100 teise sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 65. LTE 2600 kolmanda sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 66. LTE 2100 kolmanda sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 67. LTE 2600 MCS ja RSRP suhe Joonis 68. LTE 2100 MCS ja RSRP suhe

9 Joonis 69. LTE 2600 MCS ja RSRQ suhe Joonis 70. LTE 2100 MCS ja RSRQ suhe Joonis 71. LTE 2600 MCS ja MIMO suhe Joonis 72. LTE 2100 MCS ja MIMO suhe

10 TABELITE LOETELU Tabel 1. MCS indeksi, modulatsiooni ja TBS indeksi tabel [5. Lk 38] Tabel 2. Transpordi plokkide suuruste osaline tabel [5. Lk 39-44] Tabel 3. Skänneri signaalitugevuse mõõtmise tulemused Tabel 4. Modemi signaalitugevuse mõõtmise tulemused Tabel 5. MCS väärtused ja andmeside kiirused Tabel 6. Modemi mõõdetud MCS väärtused Tabel 7. Modemi mõõdetud MCS väärtuste osakaal

11 LÜHENDITE LOETELU 3G 3GPP 4G CDMA CN DC-HSPA+ EDGE enodeb EPC GPS GSM HSDPA HSUPA IP KML LTE MAC MCS Third Generation Kolmanda põlvkonna mobiilsidevõrk Third Generation Partnership Project Seitsme telekommunikatsiooni standardiseerimise organisatsiooni ühendus Fourth Generation Neljanda põlvkonna mobiilsidevõrk Code Division Multiple Access Koodi eristamisega mitmikjuurdepääs Core Network Tuumikvõrk Dual Carrier Evolved High Speed Packet Access Topelt kandjaga arendatud kiire paketipöördus Enhanced Data Rates for GSM Evolution Täiustatud GSM andmeside Evolved NodeB LTE tugijaam Evolved Packet Core LTE tuumikvõrk Global Positioning System Globaalne positsioneerimise süsteem Global System for Mobile Communications Teise põlvkonna mobiilsidetehnoloogia High Speed Downlink Packet Access Kiire paketipöördus allalülis High Speed Uplink Packet Access Kiire paketipöördus üleslülis Internet Protocol Internetiprotokoll Keyhole Markup Language Google Earth kaardikihi failiformaat Long Term Evolution 3GPP poolt välja töötatud neljanda põlvkonna mobiilsidestandard Medium Access Control Keskmise juurdepääsu kontrollkiht Modulation and Coding Scheme Modulatsiooni ja kodeerimise skeem 11

12 MIMO MME NAS OFDM OFDMA PAPR PDCP PHY PRB QAM QPSK RAN RB Rel RLC RRC RSRQ RSRP RSSI SC-FDMA Multiple-Input / Multiple-Output Mitu sisendit / mitu väljundit Mobility Management Entity Kasutajaseadme ja tuumikvõrgu vahelise suhtluse juhtimine Non-Access Stratum Kasutajaseadme ja tuumikvõrgu vaheline kiht Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Ortogonaalne sageduslik juurdepääsuskeem Orthogonal Frequency-Division Multiple Access Ortogonaalne sageduslik mitmikjuurdepääs Peak-to-Average Power Ratio Suurima ja keskmise võimsuse suhe Packet Data Convergence Protocol Pakettandmete lähtestamise protokoll Physical Layer LTE raadiovõrgu füüsiline kiht Physical Resource Block Füüsiline ressursi plokk Quadrature Amplitude Modulation Kvadratuur amplituudmodulatsioon Quadrature Phase Shift Keying Kvadratuur-faasmodulatsioon Radio-Access Network Raadiovõrk Resource Block Ressursi plokk Release Väljalase Radio Link Control Raadiolingi kontroll protokoll Radio Resource Control Raadioressursside kontroll protokoll Reference Signal Received Quality Referentssignaali vastuvõetud kvaliteet Reference Signal Received Power Referentssignaali vastuvõetud võimsus Received Signal Strength Indicator Vastuvõetud signaali tugevuse indikaator Single Carrier Frequency Division Multiple Access Ühe kandjaga sageduslik mitmikjuurdepääs 12

13 SINR TA TBS TF TTI UE UMTS USB WCDMA Signal-to-Interference-and-Noise Ratio Signaali-häirete-müra suhe Timing Advance Ajaline hilistumine Transport Block Size Transpordi ploki suurus Transport Format Transpordi formaat Transmission Time Interval Andmete ülekande intervall User Equipment Kasutaja terminal Universal Mobile Telecommunication System Kolmanda põlvkonna mobiilside tehnoloogia Universal Serial Bus Universaalne kaabelühendus arvuti ja elektroonika seadmete vahel Wideband Code Division Multiple Access Laiaribaline koodi eristamisega mitmikjuurdepääs 13

14 SISSEJUHATUS Mobiilne andmeside on saanud tänapäeval väga tähtsaks. Inimestel on tekkinud suur vajadus kergesti ja kiiresti kättesaadava info järele, mille saavutamiseks on vajalik andmeside. Selles vallas on toimunud kiire areng. Suuri vajadusi on leevendamas kasutusel olevatest lahendustest uudseim mobiilside tehnoloogia: LTE (Long Term Evolution). See tehnoloogia on kasutusel olnud juba mõned aastad ja seda arendatakse veel palju edasi. Samaaegselt on valikus palju variante, kuidas LTE tehnoloogiat kasutada. Näiteks on väga lai valik sagedusalasid, millel LTE tööle panna. Eesti mobiilside operaatorid on seni kasutanud LTE jaoks kolme erinevat sagedusala: 800, 1800 ja 2600 MHz. Nende kõrval on väga huvitavaks alternatiiviks veel sagedusala 2100 MHz. See eelmise põlvkonna (3G) mobiilside jaoks kasutusel olev sagedusala ei ole tõenäoliselt sama heade levi omadustega kui palju madalam sagedusala 800 MHz või isegi 1800 MHz, kuid tõenäoliselt on selle näitajad paremad kui sagedusalal 2600 MHz. Kuna 2600 MHz signaal ei levi kaugele, on mõnes mõttes mõistlik see vahetada mõne madalama sageduse vastu välja. Üheks variandiks on selle asemel võtta kasutusele sagedusala 2100 MHz. Nende sagedusalade vahe ei ole suur, aga teatud erinevused omadustes on kindlasti olemas. Nende teada saamiseks seab käesolev magistritöö eesmärgiks reaalsete mõõtmiste alusel uurida ja võrrelda sagedusalade 2100 ja 2600 MHz omadusi. Kliendi jaoks on tähtis, et andmeside toimiks võimalikult kiiresti. Selleks on vajalik, et kliendi seadmeni jõuaks võimalikult tugev ja kvaliteetne signaal. Signaali levimise tingimused varieeruvad vastavalt asukohale. Otsenähtavusel tugijaamaga on signaal tugevam kui takistuse taga. Takistusi on erinevate suuruste ja tihedustega. Kliendi jaoks on tähtis, et signaal oleks sarnaselt kättesaadav nii tugijaamaga otsenähtavusel kui ka takistuste taga. Tugev signaal pakub enamasti kiiremat andmeside ühendust. Signaali puudumine tähendab teenuse kasutamise katkemist. Käesolev magistritöö pühendub signaali tugevuse ja andmeside kiiruse uurimisele ning erinevate sageduste võrdlemisele. Kuna põhiline tähelepanu siin töös on suunatud tugijaama tekitatud signaali näitajate uurimisele, siis andmeside kiiruste vaatlemisel on keskendatud allalülile ning üleslüli omadused on tahaplaanile jäetud. Antud magistritöö teema juurde suunasid eelnevalt tehtud magistritööd Rasmus Birkelund Nielsen, & Mauritio B. G. M. Nielsen Physical Layer Measurements in 3GPP LTE [1] ja 14

15 Prabhat Man Sainju, LTE Performance Analysis on 800 and 1800 MHz Bands [2]. Esimene neist töödest oli abiks teoreetilise osa ülesehitusel ning teise eeskujul viisin läbi põhjalikud mõõtmised. Magistritöö jaoks tehtud mõõtmised on tehtud võrgu katsetamise perioodil. Töös esitatud tulemused ja parameetrid ei ole täpselt vastavuses igapäevakasutuses oleva võrguga. Käesolev töö koosneb kolmest peatükist. Esimene peatükk annab ülevaate LTE ülesehitusest ja selle signaali omadustest. Ülevaate andmed tulenevad teoreetilistest allikatest ja standarditest. See peatükk keskendub nende omaduste ja seotud parameetrite kirjeldamisele ning nende valemitele. Teoreetiline osa on toeks järgnevalt kirjeldatud mõõtmistulemuste mõistmiseks. Teine peatükk kirjeldab kuidas ja mis vahenditega sai läbi viidud reaalsed mõõtmised. Peatükis on kirjeldatud mõõtmiseks ja andmete töötlemiseks kasutatud programme ning seadmeid. Lisaks sellele on välja toodud täpsed kirjeldused, kuidas toimusid mõõtmised. Kolmandas peatükis on esitatud mõõdetud tulemused ja järeldused. Peatükk sisaldab tabeleid ja jooniseid erinevate sagedusalade mõõtetulemustest. Joonistel on välja toodud tulemused erinevatel kaugustel. Nendega kaasneb andmete analüüs. Võrreldud on signaali levimist ja andmeside kiiruseid erinevates tingimustes ja kaugustel. Tabelites on näha mõõtetulemuste statistikat. Tulemustele järgnevad mõõtmiste kokkuvõtted ja järeldused. 15

16 1. LTE RAADIOVÕRK 1.1. LTE väljatöötamine Mobiilse andmeside nõudluse kasv oli pikalt ette teada. 3G andmeside ei olnud tuleviku mõistes piisav lahendus. Standardeid arendav organisatsioon 3GPP hakkas juba aastal 2004 välja töötama järgmise põlvkonna (4G) tehnoloogiat Long Term Evolution (LTE). Eesmärgiks seati tarbija jaoks võimalikult kiire andmeside kogu mobiilvõrgu levialas kaasa arvatud levi piirialadel. Aastal 2005 otsustati, et see tehnoloogia saab põhinema OFDM-l (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Esimene väljalase LTE standardist tuli aastal 2008 Rel-8-ga. Järgnevate väljalasketega (Rel-9, Rel-10, Rel-11) on LTE tehnoloogiat edasi arendatud. [3. Lk 11-12] 1.2. Ribalaius LTE-d on võimalik tööle panna erinevatel ribalaiustel. Kasutusel on ribalaiused 1,4; 3; 5; 10; 15 ja 20 MHz. Juba esimese LTE väljalaske (Rel-8) nõue oli, et kliendiseadmed toetaks korraga kõiki neid erinevaid ribalaiuseid. See andis uuele tehnoloogiale suure paindlikkuse. Võrdluseks oli eelmise põlvkonna (3G) tehnoloogia piiratud 5 MHz ribalaiusega kandja kohta. [4] Suurema ribalaiusega kaasnevad suuremad andmeside kiirused Modulatsioon Ribalaius seab piiri kui palju saab andmeid korraga edastada. Piiratud spektrilaiuse saab efektiivsemaks kasutades erinevaid signaali modulatsiooni tüüpe. LTE-s on kasutusel QPSK, 16QAM ja 64QAM. Kasutades QPSK-d saab modulatsiooni sümboli intervalliga edastada kuni 2 bitti andmeid. 16QAM modulatsiooniga saab sama intervalliga edastada kuni 4 bitti andmeid. 64QAM võimaldab samas olukorras edastada kuni 6 bitti andmeid. Kõrgem modulatsioon annab 2 kuni 3 korda kiirema andmeedastuse. Samas peab arvestama, et modulatsiooni astmega kasvab tundlikus mürale. Sellest tulenevalt kasutatakse heades signaali tingimustes, kus müra on 16

17 vähem, 64QAM-i. Suurema müra korral tuleb kasutada 16QAM või QPSK. [3. Lk 19-21] 1.4. OFDMA ja SC-FDMA OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) on ülekande ehk transmissiooni lahendus, mida kasutab LTE. Seda võib vaadelda kui mitme ortogonaalse kandjaga ülekannet. OFDM kasutab andmete edastamisel mitte ühte suure ribalaiusega vaid mitut kitsaribalist ehk alamkandesagedusega signaali. Edastades paralleelselt M arv signaali üle sama raadio lingi võib kogu üle kantud andmete maht olla suurem kuni M arv korda. OFDM kasutab tihedalt koos alamkandjaid nagu on näha Joonisel 1. Joonis 1. OFDM alamkandjate asetus [3. Lk 28] OFDM modulaatori illustratiivne kujutis on näha joonisel 2. See sisaldab N arv kompleks modulaatorit, kus igaüks vastab ühele OFDM alamkandjale. OFDM signaal x(t) ajavahemikus mt t < (m + 1)T võrdub: N 1 N 1 (m) x(t) = x k (t) = a k e j2πk ft, (1) k=0 k=0 17

18 kus x k (t) moduleeritud alamkandja sagedusega f k, f k võrdne k ja f korrutisega, a k (m) modulatsiooni sümbol, mis lisandub alamkandajale OFDM sümboli intervalli jooksul. N arv modulatsiooni sümbolit edastatakse paralleelselt. Joonis 2. OFDM modulaatori skeem [3. Lk 29] OFDM alamkandjaid võib olla kokku alates alla saja kuni mitu tuhat. Nende arv sõltub ribalaiusest ja kui tihedalt on alamkandjad koos ehk kui suur on f (joonis 1). LTE puhul on f 15 khz. Olukorras, kus on kasutada ribalaius 10 MHz, on alamkandjaid ligikaudu 600. [3. Lk 23-29] Korraga mitme kasutaja samaaegse ühendumise jaoks on LTE jaoks kasutusele võetud OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). Sellisel puhul teenindatakse mitut kasutajat korraga ühe OFDM sümboli jooksul jagades igaühele grupi alamkandjaid (joonis 3). [3. Lk 41-42] Joonis 3. OFDMA alamkandjate jagamine mitmele kasutajale [3. Lk 42] 18

19 Kui OFDMA sobis hästi allalüli ühendusele, siis üleslülis see nii hea ei olnud. OFDMA rakendamine võtab palju energiat ning sellel on halb suurima ja keskmise võimsuse suhe (PAPR Peak-to-Average Power Ratio). Tugijaamas ei ole olukord nii halb, kuna seal on olemas piisavalt võimsust ja toidet. Samas kliendiseadme aku kestvusele on suur võimsuse tarbimine probleemiks. Üleslüli jaoks võeti OFDMA asemel kasutusele SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access). Nagu OFDMA jagab SC-FDMA edastatava signaali ribalaiuse mitmeks paralleelseks ortogonaalseks alamkandjaks. Erinevuseks on see, et SC-FDMA puhul see signaal moduleeritakse kokku üheks ja edastatakse ühel ajal korraga. Sellega saavutab SC-FDMA vajalikud ühe kandja omadused, et parandada märgatavalt PAPR-i. [4. Lk ] 1.5. MIMO Kohe esimeses LTE väljalaskes (Rel-8) oli sellele lisatud mitmikantennide tugi. Mitme antenni koos kasutamine annab teatud eeliseid [3 Lk ]: Mitu antenni vastuvõtjas annab võimaluse koguda rohkem energiat ja vähendada peegeldusi ja häireid. Läbi signaalitöötluse (transmit diversity) või mitme eraldiseisva ülekandega saab tõsta signaali-häirete-müra suhet SINR (Signal-to-Interference-and- Noise Ratio). Mitme antenni kasutamisel saatjas ja vastuvõtjas luuakse mitu paralleelset kanalit. See suurendab andmete läbilaskevõimet. Seda lahendust nimetatakse MIMO-ks (Multiple-Input/Multiple-Output). MIMO mitu paralleelset kanalit annavad eelise hea SINR tulemuse puhul. Kehva SINR korral MIMO lisa kanalid suurt andmeedastuse võitu ei anna ning siis kasutatakse seda ainult SINR-i parandamiseks. [3 Lk ] 19

20 1.6. LTE süsteemi struktuur LTE süsteem koosneb raadiovõrgust RAN (Radio-Access Network) ja tuumikvõrgust CN (Core Network), mis LTE arendamise käigus nimetati EPC-ks (Evolved Packet Core). RAN vastutab kogu võrgu raadioga seotud funktsionaalsuse eest ning EPC tegeleb kõikide muude ülesannetega, mis on vajalik raadiovõrgu toimimiseks. [3. Lk 109] Joonisel 4 on näha, kuidas raadiovõrgu elemendid enodeb-d (Evolved NodeB), mis tähistavad tugijaamasid, on ühendatud tuumikvõrguga S1 liidese kaudu. enodebsid omavahel ühendab liides X2. Joonis 4. Raadiovõrgu RAN liidesed [3. Lk 110] Joonisel 5 on näha raadiovõrgu ülesehitus tugijaama enodeb ja kasutaja seadme ehk terminali UE (User Equipment) vahel. Sellel on välja toodud kasutaja ja kontrolltasandite (user ja control plane) RAN protokollid [3. Lk , 124]: MME (Mobility Management Entity), mis kuulub tuumikvõrgu alla, vastutusalas on terminali ühenduste loomine ja katkestamine, ootel ühenduse ümber lülitamine aktiivseks ning turvapääsude haldamine. Ühendust terminali ja EPC vahel nimetatakse NAS (Non-Access Stratum). 20

21 RRC (Radio Resource Control), mis asub enodeb-s, vastutab ühenduse ülesseadmise, mobiilsuse ja turvalisuse eest. PDCP (Packet Data Convergence Protocol) vastutab edastavate bittide arvu vähendamiseks IP päise kokkupakkimise, krüpteerimise, edastatud andmete sisu kaitsmise, õiges järjestuses edastamise ning ühest tugijaamast teise üleandmise (handover) tekkinud korduste eemaldamise eest. RLC (Radio Link Control) vastutab andmete osadeks jagamise ja järjestamise, uuesti edastamise korraldamise, korduste avastamise ning kõrgematele kihtidele järjestikku kohale toimetamise eest. MAC (Medium Access Control) vastutab loogiliste kanalite multipleksimise, vigaselt saabunud andmete taasedastamise ning üleslüli ja allalüli korraldamise eest. PHY (Physical Layer) vastutab kodeerimise ja dekodeerimise, moduleerimise ja demoduleerimise, mitmikantenni vastendamise ning muude füüsilise kihi ülesannete eest. Joonis 5. RAN protokollide ülesehitus [3. Lk 112] 1.7. Loogiline, transport ja füüsiline kanal MAC aitab RLC ülesandeid täita läbi loogiliste kanalite. Loogilised kanalid jagunevad kaheks: juhtkanalid ja andmevookanalid. Juhtkanalit kasutatakse andmeedastuse juhtimise ja konfiguratsiooni info edastamiseks. Andmevookanalis edastatakse kasutaja andmed. [3. Lk ] 21

22 Füüsiline kiht (PHY) pakub MAC kihile teenust läbi transpordi kanalite. Nendes pannakse paika kuidas ja mis omadustega andmeid edastatakse üle raadioside. Transpordi kanalis paigutatakse andmed kokku transpordi plokkideks. Iga ülekande intervalliga TTI (Transmission Time Interval) edastatakse vähemalt üks dünaamilise suurusega transpordi plokk kliendiseadmele või tagasi. MIMO korral võib TTI jooksul edastada rohkem kui ühe transpordi ploki. [3. Lk ] Iga transpordi plokiga käib kaasa transpordi formaat TF (Transport Format), mis täpsustab kuidas plokk edastatakse üle raadioside. See sisaldab infot transpordi ploki suuruse, modulatsiooni ja kodeerimise skeemi MCS (Modulation and Coding Scheme) ning antennide vastendamise kohta. [3. Lk , 123] Edasine andmete edastamine käib üle raadioside füüsiliste kanalite. [3. Lk , 123] 1.8. Ressursi element Ressursi element koosneb ühest alamkandjast ühe OFDM sümboli jooksul. See on LTE kõige väiksem füüsiline ressursi element. Nagu joonisel 6 on näha, on ressursi elemendid grupeeritud ressursi plokkideks. Igas plokis on 12 järjestikust alamkandjat sagedusjaotuses ja üks 0,5 millisekundiline pilu ajajaotuses. Ühe sellise pilu sisse mahub 7 (suurema müra või signaali moonutuste korral 6) OFDM sümbolit. Iga ressursi plokk sisaldab 7 x 12 = 84 või 6 x 12 = 72 ressursi elementi. [3. Lk ] Joonis 6. LTE füüsiline ressurss [3. Lk 130] 22

23 1.9. Referentssignaal Kärjepõhine referentssignaal on kujutatud joonisel 7. Joonis 7. Kahe ressursi plokiga kärjepõhise referents signaali struktuur [3. Lk 154] See sisaldab eelnevalt määratud väärtustega referentsi sümboleid. Sümbolite väärtus varieerub vastavalt nende positsioonile ja kärjele. Referentssignaali järjestus jääb samaks olenemata, mis ribalaius on kasutusel. Kui ribalaius on väiksem kui maksimaalne 20 MHz, siis edastatakse ainult need referents sümbolid, mis jäävad kasutusel olevasse ribasse. Sellisel juhul jäävad ribalaiuse keskel olevad referents sümbolid samaks. LTE-s on kokku 504 erinevat referents signaali järjestust, mille abil saab terminal tuvastada erinevaid kärgesid. [3. Lk ] LTE signaali tugevuse ja kvaliteedi parameetrid RSRP Referentssignaali vastuvõetud võimsust RSRP (Reference Signal Received Power) mõõdab terminal. RSRP iseloomustab kärje leviala. See saadakse referentssignaalide võimsuste lineaarsest keskmisest. [4. Lk ] RSSI Vastuvõetud signaali tugevuse indikaator RSSI (Received Signal Strength Indicator) sisaldab kogu vastu võetud võimsust, sealhulgas kõik võimalikke häirete ja müra tugevust. RSSI väärtus tuleneb kõikidest ressursi elementidest. [4. Lk ] 23

24 RSRQ Referentssignaali vastuvõetud kvaliteet RSRQ (Reference Signal Received Quality) on RSRP ja RSSI suhe. [4. Lk ] Modulatsiooni ja kodeerimise skeem Tänu signaali mõõtmistele saab terminal hinnata kanali staatust ning sellest teavitada enodeb-d. Saadud andmete järgi teeb tugijaam otsused andmete edastamise kohta määrates modulatsiooni ja kodeerimise skeemi MCS väärtuse. Koos olemasolevate ressursi plokkide arvuga saab MCS-iga määrata transpordi ploki suuruse TBS (Transport Block Size). Kokku on 32 erinevat MCS kombinatsiooni, millest 29 on kasutuses ja 3 on reservis. Iga MCS sisaldab kindlat kombinatsiooni modulatsiooni skeemist ja kanal-kodeerimise tasemest ehk teatud spektraalefektiivsusega info bittide arvust modulatsiooni sümboli kohta. Lihtsustamise eesmärgil pandi MCS väärtused vastavusse TBS indeksiga, mis on näha tabelis 1. [3. Lk , ] Tabelis välja toodud modulatsiooni väärtused tähendavad järgnevat: 2 = QPSK, 4 = 16QAM ja 6 = 64QAM. 24

25 Tabel 1. MCS indeksi, modulatsiooni ja TBS indeksi tabel [5. Lk 38] MCS indeks Modulatsioon TBS indeks I MCS Q m I TBS reserveeritud 31 6 LTE-s on määratud suurim ressursi plokkide arvuks 110. Kõikide võimalike ressursi plokkide suurustega moodustub 27 x 110 tabel. Tabelis 2 on välja toodud valikuliselt transpordi plokkide suurused vastavalt TBS indeksi väärtusele. Tabelis ei ole arvestatud MIMO kasutust. Kogu tabel on näha ETSI standardis [5 Lk 39-44]. 25

26 Tabel 2. Transpordi plokkide suuruste osaline tabel [5. Lk 39-44] I TBS N PRB Andmeside kiiruse arvutamine Tabelis 2 on välja toodud ühe millisekundi jooksul edastatud transpordi ploki suurus bittides. Selle saab ümber arvestada muudesse populaarsetesse ühikutesse: kbit/s või Mbit/s. Näiteks TBS indeksi väärtuseks on 0 ja kasutusel olevate ressursi plokkide arv on 10. Sellisel juhul on tabeli 2 järgi transpordi ploki suuruseks 256. See tähendab, et 256 bitti edastatakse millisekundi jooksul - andmeside kiirus on 256 bit/ms. Kui see arvestada ümber sekunditesse, siis on tulemus bit/s ehk

27 kbit/s ehk 0,256 Mbit/s. Kui arvestada veel MIMO olemasolu, siis võib saadud tulemuse ligikaudu kahega korrutada. Siis on andmeside ligikaudne kiirus 2 x 256 = 512 kbit/s Signaali hilistumine Signaali jõudmiseks tugijaamast terminalini ja tagasi kulub teatud aeg. See aeg erineb olenevalt sellest kui kaugel on terminal tugijaamast. Selline hilistumine tekitab probleeme signaali sünkroniseerimisel. Selle vastu on LTE süsteemis kasutusele võetud lahendus nimega TA (Timing Advance). Sünkroniseeritud signaali saavutamiseks edastab terminal juhuslikud andmed tugijaamale, millega saab jaam teada signaali hilinemise täpsusega 0,52 mikrosekundit. Kogu TA jääb ajalisse vahemikku 0 kuni 0,67 millisekundit. Suurim TA väärtus seab kärje ulatusele piiri 100 kilomeetrit. Sellisel juhul TA täpsus 0,52 mikrosekundit võrdub 78 meetriga. Timing Advance-iga saab määrata terminali kauguse tugijaamast 78 meetri täpsusega. Kuna terminal võib oma asukohta muuta, on vaja TA väärtust aeg-ajalt uuendada. Maksimaalne terminali liikumise kiirus, millega LTE ühendus peab toimima, on 500 km/h. Siit võib järeldada, et LTE toimib liikumise pealt samamoodi nagu kohapeal seistes. Lisaks liikumisele aitab TA väärtuse uuendamine reageerida ja ühendust toimivana hoida olukordades, kus toimub äkiline signaali levi tingimuste muutus, tekib sageduse häireid või esineb Doppleri efekt. [4. Lk ] 27

28 2. MÕÕTMISTE LÄBIVIIMINE 2.1. Kasutatud mõõteseadmed ja tarkvara Järgnevalt on välja toodud kasutatud mõõteseadmete ja tarkvarade andmed ning spetsifikatsioonid Mõõtmise tarkvara TEMS Investigation 14.6 Mõõtmiste läbiviimiseks sai valitud professionaalne ja võimekas Ascom-i tarkvara TEMS Investigation. Tegemist on programmiga, millega saab teha erinevate raadioside tehnoloogiate leviala mõõtmisi. Enamasti on see mõeldud autos sõidu pealt mõõtmiseks (drivetesting). TEMS on kasutatav arvutis, millel on operatsioonisüsteemiks Windows 7 või Vista [6]. Mõõtmisi teevad erinevad lisaseadmed: mobiiltelefonid ja modemid. TEMS Investigationis saab neid lisaseadmeid juhtida ning tulemusi salvestada, reaalajas vaadata ja hiljem taasesitada. Asukoha määramiseks kasutab TEMS eraldi GPS seadet. Kõik lisaseadmed ühenduvad TEMS-iga läbi arvuti USB sisendite Mõõtetulemuste analüüsimise tarkvara TEMS Discovery Mõõtetulemuste töötlemine sai tehtud programmis TEMS Discovery. Tegemist on võimeka Ascom-i programmiga, mis on mõeldud mõõdetud tulemuste analüüsiks ja esitamiseks. Discovery on selleks palju paindlikum kui Investigation. Võimalik on mõõdetud tulemusi väga põhjalikult filtreerida ja koguda statistikat ning seda esitada kaardil või tabelis. Tulemusi on võimalik importida Google Earth-i või Exceli tabeliteks. TEMS Discovery on kasutatav Microsoft Windowsiga arvutis. Windows XP tugi puudub. Arvutis peab olema Microsoft.Net framework versioon 4.5 ning soovitavalt ka järgnevad programmid [7]: Microsoft Office Excel, PDF lugeja, 28

29 Google Earth 3D Plug-in, Bing Map 3D Plug-in, Java Runtime Environment. Riistvaralised nõudmised on järgnevad [7]: Minimaalsed nõudmised: 1,6 GHz protsessor, 2GB vahemälu, 250GB kõvaketas. Soovituslikud nõudmised: Intel i7 (2,4 GHz) protsessor, 8GB vahemälu, 500GB kõvaketas Skänner PCTel Seegull MX Käesolevas magistritöös on kasutatud LTE signaalitugevuse täpsemaks mõõtmiseks skännerit PCTel Seegull MX. See seade ühildub TEMS Investigationiga ning selle magnetiga (näiteks auto katusele) kinnituvate antennidega saab väga täpselt mõõta signaali tugevust ja kvaliteeti. PCTel skänner mõõdab erinevatel sagedustel signaalide tugevusi. Mõõta saab mitmeid erinevaid tehnoloogiaid: GSM, WCDMA, LTE ja CDMA. PCTel skänner toetab TEMS Investigationit ning Windows 7, XP ja Vista operatsioonisüsteeme [8]. Soovituslikud nõudmised arvutile [9]: Intel Core 2 Duo 2,53 GHz või parem protsessor, Windows 7 Professional Edition, 4 GB vahemälu või parem, 160 GB (7200 RPM) või suurem kõvaketas, 2 või rohkem USB porti G modem Huawei E392u-12 Skänner on hea signaali omaduste mõõtmiseks, aga sellega ei saa täpselt teada, kuidas võrk jagab ressursse lõppkasutaja terminalile. Selleks sai otsustatud teha reaalseid andmete allalaadimise teste LTE modemiga. 29

30 Sellisel juhul sai teada reaalsed tulemused, mis MCS väärtused tugijaam terminalile annab. Siit edasi oli võimalik kalkuleerida, mis andmeside kiirused kliendi seadmele võimaldatakse, nagu on kirjeldatud eespool paragrahvis Huawei E392u modem on mõeldud arvutis mobiilse andmeside kasutamiseks. Koos TEMS Investigationiga saab sellega teha andmeside ja levi mõõtmisi. Modem toetab tehnoloogiaid [10]: LTE 800/900/1800/2100/2600 MHz, HSUPA/HSDPA/UMTS/DC-HSPA+ 900/2100 MHz, GSM EDGE 900/1800, LTE allalaadimiskiirus kuni 100 Mbit/s, LTE üleslaadimiskiirus kuni 50 Mbit/s, LTE 2x2 MIMO. Modemi külge on võimalik ühendada korraga kaks välisantenni. Kuna USB terminali väliantennid ei ole lõppkasutajate seas populaarsed, sai mõõtmised tehtud modemisse sisseehitatud antennidega. Modem asus mõõtmise ajal auto armatuuril. LTE signaali sai terminal kätte läbi auto klaasi Sülearvuti Lenovo Thinkpad W530 TEMS Investigation töötas sülearvutis Thinkpad W530, mille USB liideste külge olid ühendatud kõik mõõteseadmed. W530 on tippklassi sülearvuti, millel on võimas riistvara. Kuna LTE mõõtmisel on suurte kiiruste tõttu töödeldavate andmete hulk väga suur, on võimas arvuti vajalik. Vastasel juhul arvutis kogu pilt hangub ja reaalajas tulemusi jälgida ei saa. Arvuti andmed [11]: Intel Core i7-3729qm CPU 2,6 GHz protsessor, Windows 7 Professional 64 bit operatsioonisüsteem, 8 GB vahemälu, 256 GB kiire kõvaketas, 15,6 1920x1080 ekraan, 30

31 3xUSB 2.0 ja 1xUSB 3.0 liidesed, NVIDIA Quadro K1000M 2GB videokaart Navigaator Garmin Nüvi 1490 ja selle tarkvara MapSource Kuna mõõteteekond kujunes pikaks, siis trajektoor sai ette valmistatud enne sõitu MapSource programmis [12] ning laetud selle auto navigaatorisse Garmin Nüvi 1490 [13]. Navi juhendamise järgi liiklemine lihtsustas trajektoori mitmekordset läbimist ning välistas teelt kõrvale kaldumisi Kaardiprogramm Google Earth Discovery-is töödeldud andmed ja tulemused on konverteeritud kaardiprogrammi Google Earth formaati, kus on neid parem visuaalselt analüüsida ja esitada. Google Earth on kaardiprogramm, mis on veebist vabalt allalaetav [14]. Google Earth sisaldab satelliidi fotosid Maast, millele on võimalik peale laadida erinevaid kaardikihte, mis on konverteeritud KML formaati Mõõdetava piirkonna valik Mõõtealasse sai valitud tugijaam, mis pidi vastama tingimustele: tugijaamas peab olema kasutusel LTE sagedusalad 2100 ja 2600, erinevate sagedusaladega antennid peavad asetsema samal kõrgusel, sama asimuudiga ja sama allakallutusega, erinevate sagedusalade tugijaama sektorid peavad töötama samal võimsusel, tugijaama ümbruses peab olema palju erinevaid tingimusi tihedat ja hõredat asustust, võsastunud, metsastunud ning lagedaid alasid. Soovitud tingimuste täitmiseks sai valitud tugijaam, kus mõlemad sagedused olid kasutusel, aga erinevatel ajaperioodidel. Selle tõttu ei olnud võimalik mõlemat 31

32 sagedust korraga mõõta, vaid seda oli vaja teha erinevatel päevadel läbides sama trajektoori kokku kaks korda Teekonna valik Teekonna valikul sai arvestatud, et alasse jääks sisse erinevaid maastiku tingimusi ning oleks võimalik mõõta valitud tugijaama nii lähedalt kui ka kaugelt. Läbitud trajektoor on näha joonisel 8. Joonis 8. Läbitud teekond 2.4. Mõõteseadmete konfiguratsioon Mõõtmiste läbiviimistel olid kasutusel järgnevaid seadmed: arvuti Lenovo ThinkPad W530 Windows 7, 32

33 mõõdistamise tarkvara TEMS Investigation 14.6, LTE modem Huawei 392u, skänner PCTel Seegull MX, navigaator Garmin Nüvi. Nagu edasi arendamiseks valitud töös [2] toimus mõõtmine autos sõidu pealt. Skänneri antenn kinnitus magnetiga auto katusele. LTE modem asetses auto armatuuril. Mõõtmise lihtsustamiseks oli koostatud TEMS Investigationis skripti, mis lukustas modemi soovitud sagedusala külge ja pani automaatselt FTP serverist testfaili alla laadima. Samal ajal juhtis skript andmete salvestamise protsessi. Skripti ülesehitus on kuvatud joonisel 9. See koosneb kaheksast osast: Band Lock lukustab modemi soovitud sagedusalasse, While tegevuste kordamine kuni määratud piirini, Start Recording mõõtetulemuste salvestamise alustamine, Network Connect võrku sisse logimine ja andmeside ühenduse aktiveerimine, FTP Download FTP serverisse sisse logimine ja faili allalaadimise alustamine, Network Disconnect võrgust välja logimine ja andmeside ühenduse katkestamine, Wait ooteaeg korrektse välja logimise lõpetamiseks, Stop Recording mõõtetulemuste salvestamise lõpetamine. 33

34 Joonis 9. TEMS Investigation-i skript LTE 2600 mõõtmisel Skänneri tegevust sai juhitud TEMS Investigationis käsitsi. Enne mõõtmise alustamist oli ette koostatud skänneerimise profiilid erinevatele LTE sagedusaladele. Vahetult enne skripti käivitamist TEMS-is sai pandud skänner signaali mõõtma. Kuna modemit kindla tugijaama või kärje külge lukustada ei olnud võimalik, siis ühendus see kõige tugevama signaaliga jaama külge. Samas modemit oli võimalik lukustada kindla sagedusala külge. 34

35 Mõõtmise ajal olid TEMS-is avatud aknad, kus sai jälgida läbitud teekonda, mõõdetud signaalide tugevusi ja valitud parameetreid ning allalaadimise kiirused. Avatud aknad on näha joonisel 10. Joonis 10. TEMS Investigation-is mõõtmise ajal avatud aknad 2.5. Teekonna läbimine Teekond sai läbitud võimalikult planeeritud marsruudi järgi. Navigaator juhatas täpselt, millistel teedel sõita ja kuhu pöörata. Sõidu ajal tuli ette ootamatusi, millal pidi marsruuti natukene muutma. Osades kohtades olid teetööd, ümberehitused või oli tee läbimatu. Kõik trajektoori muutused sai ülesmärgitud ning teekonna teistkordsel läbimisel sai neid muudatusi arvestatud. Kuigi oli eesmärgiks mõlemal mõõtmisel sama teekond läbida võimalikult ühtlase kiirusega, tuli siiski erinevusi ette. TEMS Investigation salvestab kindla intervalliga mõõtepunkte. Mõõtes sagedusala 2600 salvestus kokku mõõtepunkti sagedusala mõõtmisel oli neid punkte Trajektoori teistkordsel läbimisel oli tee tuttavam ja takistusi juhtus olema vähem. Selle tõttu kulus teisel korral teekonna läbimine vähem aega ja mõõtepunkte ei kogunenud nii palju kui esimesel sõidul. 35

36 3. MÕÕTETULEMUSED 3.1. Tugijaama parameetrid Uuritava tugijaama antennid asusid mõõtmise ajal 58 meetri kõrgusel. Jaamal oli kolm sektorit ehk antenni, mille asimuudid olid 60, 180 ja 300 kraadi. Antennid olid alla kallutatud esimene 8, teine 6 ja kolmas sektor 4 kraadi. Kahe sagedusala 2600 ja 2100 kesksageduste täpne erinevus oli 529,7 MHz Tulemuste esitamine Mõõtetulemused on välja filtreeritud tugijaama sektori kaupa ja on laetud Google Earth kaardile erinevat värvi mõõtepunktidena. Erinev värv tähendab kindlat väärtuste vahemikku. Värvide väärtused on välja toodud igal joonisel asuval legendil. Tulemuste täpsemal hindamisel nii tugijaama lähedal kui ka kaugel on joonistel välja toodud erinevate raadiustega kaardi pildi salvestused Signaalitugevus ja leviala Skänner mõõtis läbitud teekonna mõõtepunktides tugijaama sektoritest kiiratud elektriväljade suurust ehk võimsust detsibellides ühe millivati kohta (dbm). Saadud tulemused iseloomustavad LTE signaalitugevust RSRP, mis on esitatud Google Earth kaardil. Maksimaalsed, minimaalsed ja keskmised RSRP tulemused on esitatud tabelis 3. Vaadeldes maksimaalseid väärtuseid kinnitub, et madalamal sagedusel on võimalik saavutada suurem RSRP väärtus kui kõrgemal. Skänner registreeris uuritava tugijaama signaali kokku 2100 sagedusalas 5517 ja 2600 puhul 4439 mõõtepunktis. Nende arvu arvestades võib järeldada, et 2100 sagedusala signaali esines läbitud teekonna peale rohkem, kui 2600 oma. LTE 2100 kolmanda sektori minimaalne tulemus -150 dbm ei ole reaalne ja tegemist oli skänneri veaga. 36

37 Tabel 3. Skänneri signaalitugevuse mõõtmise tulemused Maksimaalne Minimaalne Keskmine Mõõtepunkte RSRP (dbm) RSRP (dbm) RSRP (dbm) kokku sektor sektor sektor sektor sektor sektor Esimese sektori RSRP Tugijaama esimene sektor oli kõige rohkem alla kallutatud. Selle tõttu oli esimese sektori leviala kõige väiksem. Saadud tulemused on näha joonistel Ühe kilomeetri raadiuses (joonised 11 ja 12) on näha, kuidas 2100 sagedusala saavutab eelise 2600 ees. LTE 2100 RSRP väärtus on 500 meetri raadiuses enamasti -60 dbm või parem. Võrdluseks LTE 2600 puhul on näha, kuidas otsenähtavusel ligikaudu 600 meetri kaugusel tugijaamast paremal raudtee sillal on RSRP väärtus kehvem kui -60 dbm. Kaugemal majade taga 2100 sagedusalas signaalitugevus püsib vahemikus -100 kuni - 80 dbm. Samas piirkonnas 2600 sagedusalas signaali RSRP väärtus langeb kohati vahemikku -100 kuni minimaalne. Selline signaalitugevus võib osutuda lõppkasutaja jaoks juba raskesti kasutatavaks. 37

38 Joonis 11. Tugijaama esimese sektori LTE 2600 RSRP ühe kilomeetri raadiuses Joonis 12. Tugijaama esimese sektori LTE 2100 RSRP ühe kilomeetri raadiuses Joonistel 13 ja 14 on näha, et 3-4 kilomeetri kaugusel tugijaamast on 2100 sagedusala signaal tugevusega -100 kuni -80 dbm sagedusala signaalis tekivad leviaugud ligikaudu 1,5 kilomeetri kaugusel. Kolme 38

39 kilomeetri kaugusel metsa ja võsa vahel oli LTE 2100 signaalinivoo kuni dbm. Kaugemal läheb signaal kehvemaks, millega muutub andmeside ühendus halvaks. Joonis 13. Tugijaama esimese sektori LTE 2600 RSRP viie kilomeetri raadiuses Joonis 14. Tugijaama esimese sektori LTE 2100 RSRP viie kilomeetri raadiuses 39

40 Teise sektori RSRP Tugijaama teine sektor oli vähem alla kallutatud kui esimene. Joonistel on kujutatud teise sektori tulemused. Joonistel 15 ja 16 on näha, et tugijaama vahetus läheduses on 2100 sagedusalas signaalitugevus parem, kui 2600 puhul. Tugijaama lähedal ja 300 meetrit eemal majade vahel püsib 2100 sagedusalas RSRP vahemikus -80 kuni -40 dbm. LTE 2600 RSRP väärtus langeb kohati vahemikku -100 kuni -80 dbm. Joonis 15. Tugijaama teise sektori LTE 2600 RSRP ühe kilomeetri raadiuses 40

41 Joonis 16. Tugijaama teise sektori LTE 2100 RSRP ühe kilomeetri raadiuses Joonistelt 17 ja 18 on näha, kuidas mõlemas sagedusalas sektoriga samas suunas lookleval teel levib signaal kaugele signaal on tugevusega -100 kuni -80 dbm isegi viie kilomeetri kaugusel. Kui sellest teest kõrvale kalduda, siis LTE 2100 on enamasti parema signaalitugevusega. Kahe kilomeetri kaugusel tugijaamast on erinevate takistuste taga signaal sarnaselt katkendlik mõlemas sagedusalas. 41

42 Joonis 17. Tugijaama teise sektori LTE 2600 RSRP viie kilomeetri raadiuses Joonis 18. Tugijaama teise sektori LTE 2100 RSRP viie kilomeetri raadiuses Joonistel 19 ja 20 on näha, millistel kaugustel suutis skänner teise sektori erinevate sagedusalade signaali mõõta puhul oli maksimaalseks kauguseks 6,7 ja 2100 sagedusalas 8,7 kilomeetrit. Tõenäoliselt oleks olnud 42

43 signaal mõõdetav veel kaugemal, aga edasi sõitmine jäi valitud teekonnast välja. Joonis 19. Tugijaama teise sektori LTE 2600 RSRP kogu ulatuses Joonis 20. Tugijaama teise sektori LTE 2100 RSRP kogu ulatuses 43

44 Kolmanda sektori RSRP Tugijaama kolmas sektor oli kõige vähem alla kallutatud - see levis kõige kaugemale. Tulemused on kuvatud joonistel Joonistelt 21 ja 22 on näha, et tugijaama läheduses on mõlemas sagedusalas levi jaotumine sarnane, aga 2100 signaalitugevus on parem. Joonis 21. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2600 RSRP ühe kilomeetri raadiuses 44

45 Joonis 22. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2100 RSRP ühe kilomeetri raadiuses Joonistelt saab kinnituse, et kolmas sektor levib kõige kaugemale. Kõige paremini levib signaal endiselt 2100 sagedusalas, mille RSRP väärtus on veel kuue kilomeetri kaugusel -100 kuni -80 dbm sagedusalas muutub RSRP väärtus juba kolme kilomeetri kaugusel kehvemaks kui -100 dbm ning viis kilomeetrit tugijaamast tekivad leviaugud ja signaalinivoo on -120 dbm või halvem sagedusalas mõõtis skänner signaali kõige kaugemal 10,5 kilomeetrit tugijaamast. LTE 2100-l oli see tulemus 11,3 kilomeetrit ning oleks trajektoor edasi läinud, oleks signaali õnnestunud veel kaugemalt mõõta. Jooniselt 26 on näha, et skänner suutis 7-10 kilomeetri kaugusel mõõta 2100 sagedusalas signaalinivoo -140 dbm või kehvem. Eespool väljatoodud tabelist 3 on näha, et nõrgim signaalitugevus, mis skänner suutis registreerida, oli -150 dbm. See oli skänneri mõõtmise viga. 45

46 Joonis 23. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2600 RSRP viie kilomeetri raadiuses Joonis 24. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2100 RSRP viie kilomeetri raadiuses 46

47 Joonis 25. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2600 RSRP kogu ulatuses Joonis 26. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2100 RSRP kogu ulatuses 47

48 Modemi mõõdetud RSRP Lisaks skännerile mõõtis ka modem signaalitugevust. Maksimaalsed, minimaalsed ja keskmised RSRP väärtused ning mõõtepunktide arv on välja toodud tabelis 4. Modem tuvastas tugijaama signaali kahes erinevas olukorras. Esimesel juhul uuritava tugijaama sektor teenindas modemit. Teisel juhul modemit teenindas mõni muu naabruses olev jaam, aga taustal toimus uuritava sektori signaalitugevuse mõõtmine. Tegemist oli olukorraga, kus terminal otsib läheduses olevaid parema signaalitugevusega sektoreid, mille külge ühenduda kui teenindava tugijaama signaal muutub nõrgemaks. Arvesse läksid mõlema olukorra mõõtepunktid. Mõõdetud RSRP minimaalsed väärtused erinevad 2600 ja 2100 sagedusalades vähe. Modem mõõtis paremad maksimaalsed tulemused 2100 sagedusalas. Keskmiste tulemuste järgi oli 2600 sagedusala esimene sektor natukene parem ja teised natukene kehvemad kui 2100 kärjed. Mõõtepunktide arv näitab, nagu oli näha ka skänneri mõõtmiste puhul (tabel 3), et 2600 sagedusala signaal levis trajektooril vähem kui LTE Tabel 4. Modemi signaalitugevuse mõõtmise tulemused Maksimaalne Minimaalne Keskmine Mõõtepunkte RSRP (dbm) RSRP (dbm) RSRP (dbm) kokku sektor sektor sektor sektor sektor sektor Modemiga mõõtes tuli sellega kaasa TA (Timing Advance). Selle abil saab teada terminali ligikaudse kauguse tugijaamast täpsusega 78 meetrit. Timing Advance on ajaline väärtus ja seda mõõdetakse sekundites. TEMS Discovery võimaldas teisendada TA väärtused ümber meetriteks. Käesolevas töös olevatel graafikutel on terminali ja tugijaama omavahelise kauguse hindamiseks TA esitatud kilomeetrites. 48

49 Joonistel on graafikutel vastavusse pandud modemi mõõdetud RSRP ja TA. Sellega saab hinnata, milline on signaalitugevus erinevatel kaugustel tugijaamast. Graafikutel on näha, kuidas 2600 sagedusalas suurtematel kaugustel RSRP väärtus väheneb kiiremini ja signaal katkeb varem. Graafikutel on punktiirjoonena märgistatud näidatud parameetri muutuse trend. Joonis 27. Modemiga mõõdetud LTE 2600 esimese sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe 49

50 Joonis 28. Modemiga mõõdetud LTE 2100 esimese sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 29. Modemiga mõõdetud LTE 2600 teise sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe 50

51 Joonis 30. Modemiga mõõdetud LTE 2100 teise sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 31. Modemiga mõõdetud LTE 2600 kolmanda sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe 51

52 Joonis 32. Modemiga mõõdetud LTE 2100 kolmanda sektori RSRP ja kauguse tugijaamast suhe 3.4. Mõõdetud MIMO kasutus Joonistel 33 ja 34 on kuvatud modemiga mõõdetud MIMO kasutus. Roheliselt tähistatud punktides on MIMO kasutusel ja kollastes mitte. Arvesse on võetud ainult need mõõtepunktid, kus uuritav tugijaam teenindas modemit. Muude läheduses olevate tugijaamade tulemused on välja filtreeritud. Tulemustest on näha, kuidas 2100 sagedusalas kasutatakse MIMO rohkem kui LTE 2600-s. MIMO kasutamine tähendab andmeside kiiruse ligikaudset kahekordset kasvu. MIMO olemasolu aitab koos paragrahvis 3.5. kirjeldatud MCS tulemustega määrata andmeside kiiruse. 52

53 Joonis 33. Modemi mõõdetud LTE 2600 MIMO kasutus Joonis 34. Modemi mõõdetud LTE 2100 MIMO kasutus 53

54 3.5. MCS ja andmeside kiirused Google Earth kaardil esitatud LTE modulatsiooni ja kodeeringu skeemi MCS väärtused on mõõdetud modemiga MCS kujutamine kaardil MCS ja MIMO abil saab määrata lõppkasutaja andmeside teoreetilise kiiruse. MIMO olemasolu tõttu on modemil kasutusel kaks antenni ja sellest tulenevalt määrab süsteem modemile kaks MCS väärtust mõlemale antennile ühe. Kahe MCS väärtuse korraga Google Earth kaardil kuvamine teeb joonise raskesti jälgitavaks. Lihtsustamise eesmärgil sai võetud seal, kus oli MIMO kasutusel, arvesse kahe MCS väärtuste aritmeetilise keskmise. Kuna MIMO ei tähenda täpselt kahekordset kiiruse kasvu, siis arvutatud keskmine väärtus ei ole täielikult täpne, aga see erinevus taandus kaardil kuvatud MCS vahemikes olematult väikeseks. Selle tulemusena keskmise MCS väärtuse arvestamine lõpptulemust ei muutnud. Kuna modem ei olnud mõõtmise ajal lukustatud uuritava tugijaama sektorite külge, siis see tihti ühendus ka teiste naabruses olevate jaamade külge. Selle tõttu esineb joonistel mõõtepunktides suuremaid vahesid ja auke, kus mitte ei kadunud uuritava tugijaama signaal, vaid modem ühendus naabruses oleva tugevama signaaliga jaama külge. Joonistel kujutatud MCS värvide lihtsamaks mõistmiseks on tabelis 5 need väärtused vastendatud ligikaudsete maksimaalsete võimalike andmeside kiirustega. Kasutatud on tabeli 1 ja 2 andmeid 100 ressursi ploki (RB) puhul. 54

55 Tabel 5. MCS väärtused ja andmeside kiirused MCS TBS Kiirus kbit/s (100 RB) Kiirus kbit/s (100 RB ja MIMO) Kiirus Mbit/s (100 RB ja MIMO) Tugijaama koormus mõõtmiste ajal Arvestades, et tugijaam jagab selle külge ühendunud terminalidele alati 100% ressursi plokkidest ja kui sektori all on mitu kasutajat, siis ressursi plokid lähevad nende vahel jagamisele, siis selle järgi saab hinnata võrgu koormust mõõtmise ajal sagedusalas mõõtmisel jagas uuritav tugijaam modemile 54% ja 2100 puhul 99% ressursi plokkidest. Korraga oli mõõtmiste ajal LTE 2600 tugijaama küljes keskmiselt 1,9 ja LTE 2100 puhul 55

56 1,0 kasutajat. Sellest tulenevalt oli lisaks mõõtmisel kasutatud modemile võrgus veel keskmiselt 0,9 ja 0 kasutajat. Tugijaam töötas mõõtmiste ajal väga väikese koormusega Statistilised MCS tulemused Tabelis 6 on välja toodud erinevate sektorite MCS-i maksimaalsed, minimaalsed ja keskmised väärtused ning mõõtepunktide arv, kus vastava sektori külge ühendunult sai modem tugijaamalt MCS väärtuse. Keskmiste tulemuste järgi on enamasti 2600 sagedusalas MCS parem. Samas minimaalne MCS tulemus 2600 esimeses ja teises sektoris väärtusest seitse väiksemaks ei läinud. Seda on näha samuti tabelis 7, kus on MCS väärtuste esinemiste kordade arvud välja toodud sagedusalas halvas levialas signaal nõrgeneb nii kiiresti, et liikumise pealt väiksemaid MCS väärtuseid ei jõua ühendus terminali teenindades kasutada sagedusalas on halvemad MCS väärtused rohkem esindatud ning see teeb keskmised väärtused väiksemaks sagedusala teenindas tugijaam modemit rohkemates mõõtepunktides (kokku 1664 punkti) kui 2600 puhul (kokku 1239 punkti). Tabel 6. Modemi mõõdetud MCS väärtused Maksimaalne Minimaalne Keskmine Mõõtepunkte MCS väärtus MCS väärtus MCS väärtus kokku sektor sektor sektor sektor sektor sektor

57 Tabel 7. Modemi mõõdetud MCS väärtuste osakaal MCS sektor sektor sektor sektor sektor sektor Esimese sektori MCS Modemiga mõõdetud esimese sektori MCS väärtused on kuvatud joonistel Joonistel 35 ja 36 on näha, kuidas tugijaama lähedal on 2100 sagedusalas MCS maksimaalne väärtus (24-28) palju rohkem kordi esindatud kui LTE 2600-s. Joonistel 33 ja 34 on näha, et tugijaama vahetus läheduses on mõlemas sagedusalas kasutusel MIMO. Tabeli 5 järgi on 57

58 tugijaama läheduses 2100 sagedusalas rohkem võimalik saavutada kiiruseks Mbit/s kui 2600 sagedusalas. Erinevus ei ole väga suur sagedusalas sektori suuna vasakul pool määratakse modemile kohati kõrgeim MCS väärtuste vahemik (24-28). Tugijaamast kaugemal kui 500 meetrit esineb 2600 sagedusalas suurimaid MCS väärtuseid harva sagedusalas on kõrgeim MCS vahemik esindatud isegi kaugemal kui üks kilomeeter. Joonis 35. Tugijaama esimese sektori LTE 2600 MCS ühe kilomeetri raadiuses 58

59 Joonis 36. Tugijaama esimese sektori LTE 2100 MCS ühe kilomeetri raadiuses Joonistel 37 ja 38 on näha, et esimene sektor teenindab modemit suurtel kaugustel halvasti. 3-6 kilomeetri kaugusel paikneva võsa ja metsa tõttu modem 2600 sagedusala signaali ei ühendunud sagedusalas sai modem samas piirkonnas sektori külge ja MCS väärtusteks määrati MIMO seal piirkonnas ei kasutatud. Nende tulemuste järgi sai modem teoreetiliseks allalüli kiiruseks 3-20 Mbit/s. Arvestades kaugust ja maastiku tingimusi on see väga hea tulemus. 59

60 Joonis 37. Tugijaama esimese sektori LTE 2600 MCS viie kilomeetri raadiuses Joonis 38. Tugijaama esimese sektori LTE 2100 MCS viie kilomeetri raadiuses 60

61 Teise sektori MCS Joonistel on kujutatud teise sektori MCS väärtusi. Joonistel 39 ja 40 on näha, kuidas 2100 sagedusalas annab tugijaam modemile LTE 2600-st paremaid MCS väärtuseid. Teenindusala on jaama läheduses mõlemas sagedusalas suhteliselt sarnane tugijaam teenindab samades kohtades. Joonis 39. Tugijaama teise sektori LTE 2600 MCS ühe kilomeetri raadiuses 61

62 Joonis 40. Tugijaama teise sektori LTE 2100 MCS ühe kilomeetri raadiuses Joonistel 41 ja 42 on näha, et otsenähtavusega 3,5 kilomeetri kaugusel lagedal alal teenindab osaliselt teine sektor mõlemas sagedusalas MCS väärtustega 7-20 (kiirused koos MIMO-ga Mbit/s) sagedusalas sektori suunast kõrvale kaldudes sai modem nelja kilomeetri kaugusel MCS väärtused 3-17 (kiirused ilma MIMO-ta 6-31 Mbit/s). Samas kohas modem 2600 sektori külge ei ühendunud. 62

63 Joonis 41. Tugijaama teise sektori LTE 2600 MCS viie kilomeetri raadiuses Joonis 42. Tugijaama teise sektori LTE 2100 MCS viie kilomeetri raadiuses 63

64 Kolmanda sektori MCS Kolmanda sektori MCS tulemused on kuvatud joonistel Joonistel 43 ja 44 on näha, kuidas 2100 sagedusalas tugijaam pakub läheduses enamasti MCS väärtuseid vahemikus (kiirus MIMO-ga Mbit/s) sagedusalas samas piirkonnas saab modem MCS väärtused vahemikus (kiirus MIMO-ga Mbit/s). LTE 2600 andmeside tagab kohati kehvemaid kiiruseid. Joonis 43. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2600 MCS ühe kilomeetri raadiuses 64

65 Joonis 44. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2100 MCS ühe kilomeetri raadiuses Joonistel 45 ja 46 on näha, kuidas tugijaamast kaugemal teenindas jaam 2600 sagedusalas harvem kui LTE 2100-s. Sektori suuna keskel määras tugijaam 2100 sagedusalas kõrged MCS väärtused isegi 2-3 kilomeetri kaugusel. Sektori suuna keskel, kus jaam lõpetab mõlemas sagedusalas teenindamise, on märgata huvitav olukord. Kuna 5,5 kilomeetri kaugusel sektori suuna all, vahetult enne kui 2100 sagedusalas sektor lõpetab teenindamise, on MCS väärtused endiselt suhteliselt kõrged (7-20), siis tõenäoliselt oleks ka kaugemale minnes jaam taganud normaalse kiiruse. Juhtus lihtsalt see, et modem ühendus tugevama signaaliga naaber jaama külge. Tugijaamale natukene lähemal 5 kilomeetri kaugusel lõpetas sektor samuti 2600 sagedusalas modemi teenindamise, aga tegi seda palju kehvemate MCS väärtustega (0-12). Sealt edasi ei toimunud modemi ümberlülitumist naaber jaama külge, kuna seal ei olnud ühtegi piisava tugevusega 2600 sagedusala tugijaama signaali. Kuna mõlemas sagedusalas olid naaberjaamad samadel asukohtadel, siis tekkinud olukord iseloomustab nende sagedusalade erinevust. 65

66 Joonis 45. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2600 MCS viie kilomeetri raadiuses Joonis 46. Tugijaama kolmanda sektori LTE 2100 MCS viie kilomeetri raadiuses Joonistelt 45 ja 46 on näha, kuidas tugijaam teenindas 2100 sagedusalas sektori suuna paremas ääres võsas ja metsas 4,5 kilomeetri kaugusel andes modemile MCS väärtused 0-17 (kiirused MIMO-ta 3-31 Mbit/s)

67 sagedusalas teenindamine katkes samas kohas juba 2,5 kilomeetri kauguselt. Sarnane olukord on näha samuti sektori suuna teisel pool äärel 2-3 kilomeetri kaugusel lagendikel, kus 2100 sagedusalas andis jaam paremaid (osaliselt kasutades MIMO) MCS väärtusi 7-17 (kiirus MIMO-ta Mbit/s ja MIMO-ga Mbit/s) sagedusalas teenindas jaam seal piirkonnas palju vähemates punktides (ilma MIMO-ta) ja andis modemile MCS väärtused 0-12 (kiirus MIMO-ta 3-20 Mbit/s) Mõõdetud MCS-i ja kauguste tugijaamast suhe Joonistel on välja toodud MCS väärtuste ja kauguse tugijaamast suhe. Joonistel 47 ja 48 on näha, kuidas 2600 sagedusalas 1,5 kilomeetri kauguselt edasi minnes lõpetas sektor modemi teenindamise sagedusala esimese sektori 2-6 kilomeetri kaugusel saadud MCS väärtused pärinevad võsa ja metsa vahelt, mida on kirjeldatud käesolevas töös eespool alapunktis Joonis 47. LTE 2600 esimese sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe 67

68 Joonis 48. LTE 2100 esimese sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe Esimese ja teise sektori tulemustes (joonised 47-50) on näha, et 2600 sagedusalas lõpetas sektor modemi teenindamise suhteliselt kohe, kui MCS väärtused kümnest kehvemaks muutusid. 68

69 Joonis 49. LTE 2600 teise sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 50. LTE 2100 teise sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe Joonisel 52 on näha, kuidas 2100 sagedusalas kolmas sektor määras kõrged MCS väärtused (24-28) kuni kolm kilomeetrit tugijaamast eemal

70 sagedusalas kõrgemate MCS väärtuste jagamine peatus enamasti ühe kilomeetri kaugusel tugijaamast (joonis 51) kaugemal pidi leppima kehvema andmeside kiirusega. Tulemuste suur kõikumine tuleneb tingimuste muutumistest. Näiteks otsenähtavus vaheldus signaali takistavate ehitiste vastu nii lähedal kui ka kaugel tugijaamast. Joonis 51. LTE 2600 kolmanda sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe 70

71 Joonis 52. LTE 2100 kolmanda sektori MCS-i ja kauguse tugijaamast suhe 3.6. Järeldused 2100 ja 2600 sagedusalade vahe on 500 MHz. Täpsemalt siin töös uuritud sagedusalade kesksageduste vahe on 529,7 MHz. Sageduste vahe ei ole suur, aga tulemuste järgi on selge, et andmeside tagamise erinevus on märgatav. Joonistelt 53 ja 54 on näha, et 2100 sagedusalas suutis skänner registreerida RSRP madalamaid ja kõrgemaid väärtuseid rohkem kui 2600 puhul. Madalama sageduse signaal on tugijaama lähedal tugevam. Tugijaamast kaugel suutis skänner 2100 sagedusala signaali kergemini tuvastada. Sarnane olukord on ka MCS väärtustega, mille tulemused on välja toodud joonistel 55 ja 56. LTE 2100 tulemustes on kõrgematel ja madalamatel MCS väärtustel suurem osakaal kui LTE 2600-l. Joonistel on legendidel sulgudes välja toodud mitu mõõtepunkti seade kokku registreeris antud väärtuste vahemikus. 71

72 Skänneri mõõdetud LTE 2600 RSRP (dbm) 0.0% 0.0% 0.0% 21.0% 37.9% 15.0% 26.0% -40, Max (0 punkti) -60,-40 (0 punkti) -80,-60 (668 punkti) -100,-80 (1156 punkti) -120,-100 (1683 punkti) -140,-120 (932 punkti) Min,-140 (0 punkti) Joonis 53. Skänneri mõõdetud LTE 2600 RSRP protsentides Skänneri mõõdetud LTE 2100 RSRP (dbm) 0.0% 0.7% 9.6% 15.7% 20.2% 28.3% -40, Max (0 punkti) -60,-40 (39 punkti) -80,-60 (865 punkti) -100,-80 (1559 punkti) -120,-100 (1411 punkti) -140,-120 (1113 punkti) Min,-140 (530 punkti) 25.6% Joonis 54. Skänneri mõõdetud LTE 2100 RSRP protsentides 72

73 Modemi mõõdetud LTE 2600 MCS 0.8% 2.3% 0.0% 16.9% 33.4% 15.7% 8.5% 22.4% (0 punkti) (195 punkti) (278 punkti) (105 punkti) (414 punkti) 7-13 (209 punkti) 3-7 (10 punkti) 0-3 (28 punkti) Joonis 55. Modemi mõõdetud LTE 2600 MCS protsentides Modemi mõõdetud LTE 2100 MCS 0.0% 13.9% 6.9% 5.5% 40.0% 23.4% 9.4% 1.0% (0 punkti) (389 punkti) (156 punkti) (16 punkti) (665 punkti) 7-13 (231 punkti) 3-7 (115 punkti) 0-3 (92 punkti) Joonis 56. Modemi mõõdetud LTE 2100 MCS protsentides Joonistelt on selgemalt näha LTE 2100 paremus erinevatel kaugustel on RSRP ja MCS parem kui 2600 sagedusalas. Iga tulba all on välja toodud mitu mõõtepunkti modem antud vahemikus kokku registreeris. 73

74 Modemi mõõdetud LTE 2600 RSRP (dbm) 100% 90% 80% 2% 3% 11% 32% 14% 70% 65% 60% 50% 40% 30% 60% 56% 70% 84% -140, , ,-80-80,-60-60,-40 20% 10% 0% 27% 0-0,5 km (635 punkti) 32% 16% 16% 9% 3% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0,5-1 km ( km ( km (470 punkti) punkti) punkti) 5-Max km (38 punkti) Joonis 57. Modemi mõõdetud LTE 2600 RSRP protsentides erinevatel kaugustel Modemi mõõdetud LTE 2100 RSRP (dbm) 100% 90% 2% 2% 9% 19% 9% 80% 70% 26% 43% 43% 61% 60% 50% 40% 42% -140, , ,-80-80,-60 30% 20% 61% 37% 48% 50% 39% -60,-40 10% 0% 7% 2% 1% 0% 0% 0% 0% 0,5-1 km ( km ( km (765 punkti) punkti) punkti) 0-0,5 km (511 punkti) 5-Max km (234 punkti) Joonis 58. Modemi mõõdetud LTE 2100 RSRP protsentides erinevatel kaugustel 74

75 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0% 0% 0% 5% 4% 1% 16% 9% 34% 35% 0-0,5 km (381 punkti) Modemi mõõdetud LTE 2600 MCS 41% 13% 29% 13% 0,5-1 km (428 punkti) 42% 46% 23% 7% 33% 26% 50% 0% 50% 3% 4% 6% 5% 2% 1% 0% 1-2 km (314 punkti) 2-5 km (112 punkti) 5-Max km (4 punkti) Joonis 59. Modemi mõõdetud LTE 2600 MCS protsentides erinevatel kaugustel 100% 0% 0% 0% 0% 1% 2% Modemi mõõdetud LTE 2100 MCS 1% 1% 90% 80% 70% 31% 1% 46% 24% 19% 27% 40% % 50% 40% 19% 1% 14% 58% 26% 32% % 20% 10% 0% 48% 0-0,5 km (305 punkti) 37% 0,5-1 km (437 punkti) 17% 14% 1% 5% 1% 2% 9% 10% 9% 3% 0% 2% 1-2 km (531 punkti) 2-5 km (326 punkti) 5-Max km (65 punkti) Joonis 60. Modemi mõõdetud LTE 2100 MCS protsentides erinevatel kaugustel LTE 2600 suudab tugijaama lähedal pakkuda peaaegu samaväärset leviala ja andmeside kiirust, aga ka siis on need näitajad kohati kehvemad kui LTE 2100-l. 75

76 Liikudes üks kilomeeter tugijaamast kaugemale, muutub LTE 2100 ja LTE 2600 erinevus suuremaks. Seda oli näha alapunktis 3.5.6, kuidas kahe asula vahel liikudes tekkis 2600 sagedusalas signaali katkemine enne kui naabertugijaam suutis modemi teenindamise üle võtta sagedusalas samas kohas tekkis olukord, kus naaber jaam võttis liiga vara ühenduse üle teenindava ja naaber jaama signaalid olid mõlemad piisavalt head. Signaali katkemise vältimiseks on 2600 sagedusalas vaja nende jaamade vahele paigaldada veel üks tugijaam. LTE 2100 tugijaamade antenne tuleb teeninduspiirkondade vähendamiseks ja katvuse vältimiseks alla poole kallutada. Mõlemad sagedusalad loetakse mobiilimaailmas kõrgeteks sagedusteks ning neid kasutatakse rohkem tihedas asustuses väiksel pindalal tarbitava suure andmemahu pakkumiseks kui laial alal leviala tekitamiseks sagedusala on hea tekitamaks leviala väga tihedalt asustatud piirkondades, kus tarbitava mahu täitmise eesmärgil on vajadus iga kilomeetri tagant uus jaam paigaldada. Sama saab teha ka kasutades 2100 sagedusala, aga selle erinevusega, et antennid peab rohkem alla poole kallutama muidu läheb teenindav ala soovitust suuremaks, jaama külge ühendub liiga palju kliente korraga ning tekib ülekoormus. LTE 2100 tugijaama antennide alla suunamisega tehakse leviala vajadusel sama väikeseks kui on LTE 2600-l, aga signaal on jaama lähedal konkureerivast sagedusest tugevam. Sellest tulenevalt on LTE 2100-l suurem tõenäosus saada parem levi siseruumides. Antennide alla kallutamisel väheneb ka tõenäosus, et väga tugijaama lähedal, kus signaal levib üle, on leviala nõrk. Asustus ei ole enamasti ühtlaselt tihe. Tihti on olukord, kus ühel pool tugijaama on kasutus suur ja teisel pool väiksem. Tihedalt asustatud poolel saab piisava mahuga leviala tekitada mõlemas sagedusalas sagedusala signaaliga saab katta kergemini ja ühtlasemalt hõredamat poolt kui 2600-ga. 76

77 KOKKUVÕTE Käesolevas töös on uuritud LTE tehnoloogia kahe erineva sagedusala signaali omadusi. Põhiline tähelepanu oli lõppkasutaja jaoks kõige tähtsamatel omadustel levialal ja andmeside kiirusel allalülis. LTE tehnoloogia ülevaates selgus, et leviala sõltus signaali võimsusest ning mürade ja häirete tugevusest. LTE hea andmeside kiirus on saavutatud kasutades raadiosides erinevaid tehnoloogiaid laia spektrit, OFDMA, MIMO ning erinevaid kõrgema astmega modulatsioone QPSK, 16QAM ja 64QAM. Terminali mõõtmiste järgi määrab tugijaam, mis lahendusi (MIMO ja modulatsiooni aste) kasutades toimub andmeside terminaliga. Selle käigus lepitakse kokku kindel MCS väärtus, mis määrab maksimaalse andmeside kiiruse. Omaduste uurimiseks on tehtud mõõtmised. Autoga läbitud teekonnal mõõtsid seadmed tugijaama signaali ja andmeside toimimist. Tulemused sai salvestatud, hiljem töödeldud ning esitatud siin töös tabelites ja joonistel. Mõõtmise käigus sai uuritud ja võrreldud LTE tehnoloogia kahte erinevat sagedusala 2100 ja 2600 MHz. Teoreetiliselt on madalamal sagedusel suurem leviala. See sai kinnitust tehtud mõõtmistes sagedusala kasutav tugijaam vajab katvuse tekitamiseks oluliselt tihedamat võrku kui sagedusala signaal oli juba kergemate takistuste tekkimisel raskustes. Tugev signaal esines ainult tugijaama läheduses. Kaugemal olid suuremad ehitised ja mets piisavaks takistuseks, et signaal neid korralikult läbida ei suutnud. LTE 2100 signaalinivoo püsis tugev kuni kaks korda kaugemal kui sagedusalas LTE 2100 signaal suutis paremini läbida erinevaid takistusi. Isegi kaugemal metsas sai piisava signaali kätte, et andmeside oli enamasti tagatud. Enamasti seal, kus 2100 signaal muutus katkendlikuks, 2600 sagedusala signaali ei olnud enam saadaval. Andmeside kiiruste uurimisel oli näha samuti 2100 sagedusala selget eelist. Madalamal sagedusel edastas tugijaam rahuldavalt andmeid ka kehvemates tingimustes sagedusala pakkus korralikku andmesidet ainult tugijaama lähedal ning takistuste tekkimisel katkes terminali teenindamine varem kui LTE 2100-l. Seal, kus 2100 sagedusalas naabertugijaamade signaalid kattusid, tekkis 2600 jaamade vahel signaali katkemine. Selles kohas andmesidet kasutada ei ole võimalik. 77

78 2600 sagedusalas nõrgenes signaal kiiremini ja selle tõttu kasutas terminal vähem MIMO-t. See tähendab kliendi jaoks ligikaudu kahekordset andmeside kiiruse langust. Tehtud võrdlus näitab, et nii kliendil kui ka mobiilioperaatoril tuleks mõõdetud piirkonnas eelistada 2100 sagedusala. Klient võidab levialas ja andmeside kiiruses. Mobiilioperaator peab vähem investeerima, kuna ei pea nii tihedalt tugijaamasid paigutama kui kasutades 2600 sagedusala. 78

79 KASUTATUD KIRJANDUS Kõik veebiviited on kehtivad seisuga 30. mai Rasmus Birkelund Nielsen, Mauritio B. G. M. Nielsen. Physical Layer Measurements in 3GPP LTE. 2012, 120 lk. [WWW] 2. Prabhat Man Sainju. LTE Performance Analysis on 800 and 1800 MHz Bands. 2012, 96 lk. [WWW] e=1 3. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld. 4G LTE / LTE-Advanced for Mobile Broadband. Academic Press, 2011, 431 lk. 4. Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker. LTE - The UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice. Second Edition. J.Wiley & Sons, 2011, 752 lk. 5. 3GPP TS version Release 11. LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures. ETSI TS V ( ), 145 lk. 6. TEMS Investigation Help. [WWW] 7. TEMS Discovery Help. 8. SeeGull MX Scanning Hardware Reference Manual. June 2012, 24 lk. 9. SeeGull MX Driver Product Release Notes. January 2011, 5 lk G LTE Huawei E392u. [WWW] Lenovo ThinkPad W530. [WWW] MapSource kaardiporgamm. [WWW] Garmin Nüvi 1490 navigaator. [WWW] Google Earth kaardiprogramm. [WWW] 79

80 LISA 1. Mõõdetud RSRQ ja kauguste tugijaamast suhe Joonistel on välja toodud RSRQ muutused sõltuvalt kaugusest tugijaamast sagedusalas lõpetas esimene sektor (joonis 61) modemi teenindamise enne, kui signaali kvaliteet kehvaks läks. Jooniselt 62 on näha, kuidas LTE 2100 esimese sektori RSRQ läks oluliselt kehvemaks alles kolme kilomeetri kaugusel, millal läbitud teekond jõudis võsa ja metsa vahele. Joonis 61. LTE 2600 esimese sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe 80

81 Joonis 62. LTE 2100 esimese sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe Teise sektori RSRQ ja kauguste suhtest (joonised 63 ja 64) on näha sarnast tulemust nagu oli esimeste sektoritega 2600 sagedusalas teenindame katkeb vara ja 2100 RSRQ läheb kehvemaks ja ebastabiilseks alles kolme kilomeetri kauguselt. Tavapäratult langeb 2100 RSRQ trend väga vähe. 81

82 Joonis 63. LTE 2600 teise sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe Joonis 64. LTE 2100 teise sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe 82

83 2100 sagedusala (joonis 66) RSRQ väärtused tugijaama läheduses on palju kehvemad kui LTE 2600-l (joonis 65). LTE 2100 RSRQ tulemustest on märgata isegi tõusvat trendi kaugenedes tugijaamast. Töös [2. lk 78] 1800 sagedusalas mõõdetud RSRQ ei näita sellist kvaliteedi tõusu kaugenedes jaamast. Sellest tulenevalt võib järeldada, et see ei ole LTE 2600-st madalamate sagedusalade omapära. Pigem on põhjuseks sektori vähene allakallutus ja segavad naaberjaamade tugevad signaalid. Olenemata sellest iseärasusest on eespool jooniselt 45 näha, et tugijaama läheduses MCS väärtused olid endiselt paremad kui 2600 sagedusalas. Pigem oleks 2100 sagedusalas parema RSRQ-ga MCS väärtused veel paremad olnud sagedusala parimad RSRQ tulemused on saavutatud mitu kilomeetrit eemal lagendikel, kus oli otsenähtavus tugijaamaga. Joonis 65. LTE 2600 kolmanda sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe 83

84 Joonis 66. LTE 2100 kolmanda sektori RSRQ ja kauguse tugijaamast suhe 84

85 LISA 2. Mõõdetud MCS-i ja signaalitugevuse ning kvaliteedi suhe Joonistel 67 ja 68 on välja toodud kõikide mõõdetud sektorite MCS ja RSRP väärtuste suhe. Mõlema sagedusala puhul on märgata sarnast astmelist joongraafiku kuju MCS hüppelised suurenemised toimuvad sarnastel signaalitugevustel. Sellest saab järeldada, et MCS väärtus ehk andmeside kiirus on olenemata sagedusest tihedalt seotud signaalitugevusega. Joonis 67. LTE 2600 MCS ja RSRP suhe 85

86 Joonis 68. LTE 2100 MCS ja RSRP suhe Joonistel 69 ja 70 on näha kõikide sektorite MCS ja RSRQ väärtuste suhet sagedusalas on palju kehvemad RSRQ väärtused kui 2600 puhul, aga MCS väärtused on endiselt head sagedusalas MCS väärtused muutuvad oluliselt halvemaks alates RSRQ väärtusest -9 db puhul näeb kõrgeid MCS väärtuseid kuni signaali kvaliteedini -11,7 db. 86

87 Joonis 69. LTE 2600 MCS ja RSRQ suhe Joonis 70. LTE 2100 MCS ja RSRQ suhe 87