Marianne Treschow Avdelningschef Spektrumavdelningen

Transkript

1 0 HANDLÄGGARE, AVDELNING/ENHET, TELEFON, E-POST Mats Övergaard Spektrumavdelningen DATUM VÅR REFERENS 22 augusti Europolitan PCN AB, c/o Vodafone Sverige AB Regulatoriska frågor KARLSKRONA Tele2 AB, Regulatoriska frågor c/o Box KISTA Telia Mobile AB, Regulatoriska frågor NACKA STRAND Swefour AB, Regulatoriska frågor Sankt Eriksgatan STOCKHOLM Metod för ny frekvenstilldelningsprincip GSM Förord PTS överväger att använda en ny metod vid den kommande tilldelningen av spektrum till de befintliga GSM-operatörerna. Metoden baseras, till skillnad från tidigare lika till alla princip", på hur effektivt befintligt tilldelat spektrum utnyttjas. Befintliga tilldelningar i kombination med inrapporterade trafikuppgifter används för att beräkna tilldelningen enligt den nya metoden. Ni bereds härmed möjlighet att inkomma med yttranden på den nya metoden. Yttrandena ska vara PTS tillhanda senast den 22 september Marianne Treschow Avdelningschef Spektrumavdelningen POSTADRESS Box 5398, Stockholm BESÖKSADRESS Birger Jarlsgatan 16 TELEFON FAX E-POST pts@pts.se WEBBADRESS

2 2 Inledning Frekvensspektrum är en begränsad naturresurs. Post- och telestyrelsen (PTS) har bl.a. till uppgift att planera för och meddela tillstånd för denna resurs och se till att frekvensspektrumet används effektivt. När det gäller tilldelning i frekvensband för mobiltelefoni, sker tilldelningen ofta i stora sammanhängande band där operatörerna själva sköter detaljplaneringen. Tilldelningar i GSM-banden har hittills skett genom en likafördelningsprincip. Mängden GSM-spektrum för ytterligare tilldelning är numera allt mer begränsad. Med hänsyn härtill och i enlighet med sitt uppdrag att se till att spektrum utnyttjas så effektivt som möjligt har PTS under våren 2003 låtit ta fram en ny modell för tilldelning av frekvensutrymme. Beräkningarna i modellen baserar sig på trafikuppgifter som PTS låtit ta in från ett trafikområde i centrala Stockholm. Trunking och Erlang Beräkningar av kapacitet i radionät baseras oftast på den danske matematikern Erlangs teorier om trafikens fördelning i tid. Förhållandet mellan antalet trafikkanaler och kapacitet är ett ickelinjärt förhållande vilket åskådliggörs av figur nedan. Särskilt påtagligt är detta ickelinjära förhållande vid lågt antal trafikkanaler Capacity Traffic Channels Figur 1: Samband mellan trafikkanaler och kapacitet. Skillnad mellan kapacitet och avverkad trafik Många beräkningar av nätkapacitet jämställer kapacitet med möjlig avverkad trafik. Trafikefterfrågan i samtliga celler är nästan aldrig exakt så hög som den installerade kapaciteten. Exempelvis så ger en TRX 1 enligt Erlangs modeller en kapacitet på 2,9 Erlang, men en TRX måste installeras redan vid trafikefterfrågan på ett enda samtal. På samma sätt måste en cell med en efterfrågan på 3 Erlang utrustas med två TRX:er (14 trafikkanaler), vilket ger en teoretisk kapacitet på 8,2 Erlang. Den praktiska utnyttjandegraden är således i verkligheten mycket lägre än Erlangs formler. 1 TRX Transceiver

3 3 Frekvensupprepning I GSM används kanaler för olika syften bl.a. för tal, dataöverföring samt olika typer av kontrollsignalering. Merparten av all signalering sker på en viss frekvens, vanligen kallad BCCH 2 -frekvens. Namnet kommer av en av de signaleringskanaler som sänds. Frekvenser som huvudsakligen bär trafikkanaler tål i allmänhet något högre interferensnivåer än BCCH-frekvensen. Vidare är det så att ju fler trafikfrekvenser som finns på en cell, desto högre teoretisk interferens tål systemet. Det första beror på att mobilen är i 'aktiv mode' på trafikkanaler och därför är snabbare, samt att DTX 3 och effektreglering kan användas på trafikkanalerna (TCH 4 ). Det senare beror på framför allt att frekvenshopp kan användas i de fall operatören har fler frekvenser tillgängliga, men också av att det knappast är troligt att alla celler i ett nät är utrustade med ett större antal TRX:er. Följande tabell ger ett vanligt samband mellan frekvenstilldelning och frekvensupprepningsmönster: #TRX TRX Typ UpprepningCarriersMHz#TCH #Eff TCH* Cap / Cell Cap / Cell / MHz 1 B , ,9 0,98 2 T , ,2 1,52 3 T , ,0 1,95 4 B , ,3 1,89 5 T , ,5 2,03 6 T , ,9 2,22 7 T , ,4 2,37 8 T , ,9 2,50 9 T , ,5 2,68 10 T , ,2 2,85 11 T , ,9 3,00 12 T , ,6 3,14 13 T , ,3 3,26 14 T , ,1 3,38 15 T , ,9 3,48 16 T , ,6 3,57 Figur 2: Samband mellan frekvenstilldelning, upprepningsmönster och kapacitet för tvåbandsnät. I ett tvåbandsnät behövs dubbla kontrollkanaler, en på 900 MHz och en på 1800 MHz. Det är omöjligt att nå full trunkingeffektivitet i ett tvåbandsnät jämfört med ett singelbandsnät. Detta beror på att alla mobiler inte klarar av två band, men också att en del kapacitet går åt till att styra mobiler mellan banden. Därför har PTS räknat antalet effektiva TCH:er på 1800 genom att beräkna antalet TCH:er minus ett. Den sista kolumnen ger en relativ kapacitetssiffra per cell i förhållande till frekvenstilldelningen. PTS använder termen cell för att beskriva ett område som täcks av både 900 och 1800 frekvenser, dvs. en 900 cell och en samplacerad 1800 cell i strikt GSM terminologi. 2 BCCH Broadcast Control Channel 3 DTX Discontinuous Transmission 4 TCH Trafic Channel

4 4 PTS - modellnät Att fastställa exakt vilken kapacitet ett mobilt radionät inom ett visst område har, eller bör ha, är mycket svårt. Beroende på vilka antaganden som görs kommer resultaten att skilja sig väsentligt. För att få en god uppfattning om relevant kapacitet och trafikavverkning har täckningskraven här satts schablonmässigt i steg om 5 decibel (db). Ett väl planerat nät skall ta hänsyn till både täcknings- och kapacitetskrav. Både täckning och kapacitet är en funktion av det område varje cell skall täcka. PTS mätningar har skett inom en radie av 10 kilometer från Stockholm City. Inom detta område finns tre olika mätområden, commercial, urban och suburban. Täckningskrav Kommersiella centrala delar (commercial) I de kommersiella delarna av mätområdet finns vanligen den högsta trafiktätheten. Nätet behöver således utformas för kapacitet snarare än täckning. En praktisk lägre gräns på cirka 500 meters avstånd mellan basstationer i makronätet bör användas. Med kortare avstånd blir skuggeffekter på grund av enskilda byggnader ett för stort problem. Inom detta område kan det även förväntas mikroceller där efterfrågan är extremt hög, t ex längs gågator och evenemangsområden. Detsamma gäller för inomhusceller i gallerier. PTS bedömning är dock att mikroceller inte behövs annat än i några få undantagsfall, och PTS kapacitetsmodell tar därför inte hänsyn till mikroceller och inomhusceller. Centrala delar inom tullarna (urban) Mobiltelefonikunder förväntar sig god inomhustäckning i stadskärnan. På grund av en relativt hög trafikbelastning är det rimligt att anta att både 900 och 1800 frekvenser behöver användas i cellerna, och att även 1800 celler behöver ha en rimlig inomhustäckning. Dämpningen av radiosignalen då den skall tränga in i husen brukar anses vara högre i centrala delar än i förorter på grund av skillnader i byggnaders konstruktion såsom stora kvarter, tjocka stenväggar, små fönster och metallfilm på fönster i butiker och kontor. PTS sätter därför kravet på täckning för 900 MHz till minus (-) 65 dbm, vilket medger cirka 25 db till genomträngningsdämpning. Ett så högt dämpningsvärde erhålls bara relativt långt in i byggnader och graden av inomhustäckning kan således betecknas som god. Mobilernas maximala uteffekt är 3 db lägre på 1800 MHz än på 900 MHz och skillnaden i vågutbredningsdämpning mellan 900 och 1800 MHz mobiler är cirka 6 10 db. Detta betyder att en signalstyrka kring minus (-) 75 dbm till minus (-) 80 dbm gäller för 1800 MHz. Maximal genomträngningsdämpning blir då db, vilket kan betraktas som ett rimligt mått av inomhustäckning för 1800 MHz.

5 5 Förorter (suburban) Mobiltelefonikunder förväntar sig täckning även i sina bostäder. Trafiktätheten kan förväntas vara lägre i förorterna än i centrala delar av staden på grund av den lägre befolkningstätheten. Det går därför att begränsa kravet på inomhustäckning till att gälla 900 MHz. Med stor sannolikhet behövs 1800 frekvenser ändå i en del celler. Eftersom näten kan förväntas ha funktioner som omfördelar trafiken mellan 900 och 1800 MHz utifrån trafik och kvalitet bör det gå att klara inomhustäckningen på cellranden ändå. Ett rimligt planeringskriterium på cellranden för 900 MHz frekvenser i dessa områden är cirka minus (-) 70 dbm, vilket tillåter cirka 20 db till genomträngningsdämpning. Cell radier och täckningsytor Antalet celler har beräknats genom att beräkna ungefärligt täckningsarea per cell inom respektive typområde. Från den totala ytan om 314 km 2 har PTS räknat bort vattenytor, dvs. myndigheten beaktar en landyta om 204 km 2. Myndigheten har beräknat totalytan commercial till 5 km 2, urban till 25 km 2 och resterande del till suburban område. En korrigering av en vågutbredningsformel har gjorts med 6 db i suburban jämfört med urban och commercial. Eftersom basstationer i praktiken inte kan placeras på ett idealt rutmönster har en faktor på 20 procent lagts till det teoretiska antalet celler för att kompensera för skillnaden. Denna beräkning visar på 453 stycken celler. Observera att PTS bara räknar celler i ett band, dvs. en samlokaliserad 900 och 1800 cell räknas som en cell. Commercial Urban Suburban Total ERP Höjd Req. signal N/A Pathloss N/A Frequency Correction 0 6 Cell range (m) Cell area (km 2 ) 0,072 0,227 0,957 Total Area Nominal Cells 69,4 110,0 181,8 361,3 Cell overlap 20 % 20 % 20 % Coverage Cells Sites Figur 3: Storlek och antal celler i respektive miljö I verkligheten kommer inte cellstorlekarna att öka stegvis mellan de olika miljöerna, utan snarare öka kontinuerligt. Det ger dock nästan samma antal celler. Med ett antagande om att ytan per cell ökar kontinuerligt från den minsta (0,072 km 2 ) till den största (0,957 km 2 ) kommer antalet celler att uppgå till cirka 420 celler istället för 453 stycken, varför skillnad i antalet celler inte heller är avgörande för de fortsatta beräkningarna.

6 6 Total kapacitet Genom att utnyttja förhållandet mellan frekvenstilldelning och möjlig kapacitet per cell från tabell i figur 2, har PTS räknat ut modellnätets maximala totala kapacitet. Med maximal menar vi fullbestyckade celler, dvs. maximalt antal TRX:er. I reella nät är inte alla celler fullbestyckade. Följande tabell ger sambandet mellan frekvenstilldelning och maximal total kapacitet, givet de framräknade cirka 450 cellerna: Macro allocation Carriers (Antal) Max #TCH (tot antal) Spektrum (MHz) Max tot cap (Erlang) 15 3, , , , , , , , , , , , , , , , Figur 4: Maximal total kapacitet. Faktorer som påverkar möjlig trafikavverkning När det gäller att bedöma vilken trafikavverkning som är möjlig, måste två parametrar beaktas dels trafikens geografiska fördelning och dels trafikens tidsmässiga fördelning. Korrektion för cell busy hour - bråd timme Varje cell måste dimensioneras efter sin respektive busy hour och inte systemets, eftersom enskilda celler inte har sin busy hour samtidigt. Celler som täcker infartslederna har busy hour i rusningstrafik, celler som täcker arbetsplatser har sin busy hour under arbetstid, medan celler i förorter oftast har sin busy hour kvällstid. Det saknas exakta uppgifter av vad som är en adekvat korrektionsfaktor, men beräknar att summan av cellernas busy hour är kring 120 procent av trafiken i systemets busy hour.

7 7 Trafikens geografiska fördelning Det optimala vore om storleken på varje cell gjordes direkt proportionell mot den trafik som skall avverkas. Detta är självfallet en praktisk omöjlighet. Genom att jämföra befolkningstätheten går det emellertid att få en indikation. Inom referensområdet bor knappt människor. Det ger en genomsnittlig befolkningstäthet på cirka personer per km 2. I de mest tätbefolkade delarna av Stockholm bor cirka personer, dvs. cirka 10 ggr genomsnittet. Den genomsnittliga cellytan är cirka 0,45 km 2, medan de minsta cellerna är 0,072 km 2, dvs. cirka 17 procent av genomsnittet. Förhållandet mellan maximal befolkningstäckning och den relativa cellstorleken visar att den mest upptagna cellen borde ta minst 1,67 (10/6) ggr den genomsnittliga trafiken. I verkligheten är nog skillnaden mellan den mest upptagna cellen och genomsnittet mycket större, eftersom trafiken genereras där folk är, inte där de bor. Statistiskt underlag för detta saknas, men PTS gör ett grovt antagande om att den mest upptagna cellen tar 2,5 ggr den genomsnittliga trafiken. Möjlig avverkad trafik Nedanstående tabell visar ungefär vilken trafik som modellnätet bör kunna avverka i busy hour som funktion av frekvenstilldelning under förutsättning av ovanstående antaganden om tidsmässig och geografisk fördelning. Macro allocation Carriers MHz Max #TCH Max Cap (E) Max avverkning 15 3, , , , , , , , , , , , , , , , Figur 5: Möjlig avverkad trafik

8 8 Känslighetsanalys Med små skillnader i antaganden går det att komma fram till andra kapacitetssiffror. Det förekommer en varians om ± 3 db jämfört med modellnätets länkbudget. En annan faktor av stor betydelse är frågan om trafikens geografiska fördelning. PTS har antagit förhållandet 2,5 mellan genomsnittlig och maximal trafik. En nyetablerad operatör kan säkert visa ett högre värde. Är värdet avsevärt högre kan dock inte tabellen i figur 2 användas, eftersom denna utgår ifrån att frekvenser upprepas i vissa mönster. Med mycket ojämn trafikfördelning är det bättre att frekvensplanera utan några som helst mönster. De mest upptagna cellerna skulle då kunna utrustas med fler TRX:er än vad som anges i tabellen. I nedanstående tabell visas resultaten från känslighetsanalys avseende värden på länkbudget och trafikförhållande. Den framräknade trafikavverkning ett nät med frekvenstilldelning 2x18,0 MHz kan hantera används som referens. Scenario Celler Möjlig avverkning Delta (Erlang) Modellnät, 2x18 MHz % Länkbudget +3 db % Länkbudget - 3 db % Trafikförhållande = % Trafikförhållande = % Figur 6: Känslighetsanalys Konsekvens av införande av mikroceller Införande av mikroceller skulle radikalt kunna öka nätets kapacitet. Det är dock mycket komplicerat att göra kapacitetsberäkningar vid införande av mikroceller, eftersom det då behövs detaljerad information om trafikfördelningen i nätet. Konsekvensen för en operatör som tvingas införa mikroceller är att många mikroceller måste byggas samtidigt, eftersom en viss del av tillgängligt spektrum måste avsättas för mikrocellnätet. Mikrocellerna måste således först ersätta den kapacitetsförlust som åsamkats makrocellnätet, innan de börjar tillföra någon kapacitet. Den avsättning som behöver göras till mikrocellnätet är frekvenser, dvs. 2x2,4 2x3,6 MHz. Spektrum för inomhusbruk Vid beräkningar av nyttjandegraden beaktas inte tilldelningar begränsade till inomhusanvändning eftersom trunkningsmöjligheterna med övrigt tilldelat spektrum är inskränkt.

9 9 Tilldelningsprincip för frekvenser Vid tidigare tilldelning av spektrum till GSM-operatörerna har i regel en likafördelningsprincip tillämpats. Marknaden har nu mognat och några större inbördes förändringar mellan operatörerna kan inte förväntas. Återstående spektrummängd att tilldela är relativt liten. Mot denna bakgrund är det rimligt att kommande tilldelningar i första hand baseras på i vilken grad redan tilldelat spektrum nyttjas. Således skall den operatör som använder sitt spektrum mest frekvenseffektivt tilldelas en större mängd frekvenser än den som visar en låg utnyttjandegrad. Som grund för beräkning av utnyttjandegraden kommer att ligga trafikmätningar gjorda inom en cirkel med radien 10 km från Stockholm centrum och beräkning av tillgänglig kapacitet. Nedanstående tabell visar beräkningsmetoden för ett fiktivt exempel med normerade utnyttjandet före frekvenstilldelning. Trafik Operatör Totalt Erlang Trafik / MHz Faktor Trafik / MHz (normerat) 3000 A 5,4 12,6 18, ,50 66, B 5,4 14,4 19, ,68 75, C 5,4 16,2 21, ,00 77, D 5,4 18,0 23, ,14 81,7 Figur 7a: Relativt frekvensutnyttjande 1. Nedanstående tabell visar beräkningsmetoden för ett fiktivt exempel med normerade utnyttjandet efter frekvenstilldelning. Trafik Operatör Totalt Erlang Trafik / MHz Faktor Trafik / MHz (normerat) 3000 A 5,4 14,0 19, , B 5,4 17,2 22, , C 5,4 20,0 25, , D 5,4 23,0 28, ,57 59 Figur 7b: Relativt frekvensutnyttjande 2.