Messverfahren zur Ermittlung der Immission im Umfeld von LTE Basisstationen mit Hilfe eines Spektrumanalysators - TÜV AUSTRIA SERVICES GMBH Ing ...
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Messverfahren
zur Ermittlung der Immission
im Umfeld von
LTE Basisstationen
mit Hilfe eines Spektrumanalysators
Ing. Andreas Malek
TÜV AUSTRIA SERVICES GMBH
Dez. 2011
Version 1.0 Seite 1 von 7 10.02.2012
1. Eigenschaften der LTE Luftschnittstelle Für die Luftschnittstelle von LTE wurden unterschiedliche Kanalbandbreiten von 1,4 bis zu 20 MHz in den unterschiedlichsten Frequenzbändern definiert: Bild 1: Frequenzbereiche und Kanalbandbreiten für LTE (Quelle: LTE Resource Guide, Anritsu Company) Version 1.0 Seite 2 von 7 10.02.2012
Die Flexibilität in der Bandbreitennutzung erhält man durch das verwendete OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Verfahren. Bei diesem Verfahren werden viele Einzelträger verteilt über die Kanalbandbreite benutzt um Daten zu übertragen. Der Frequenzabstand dieser Einzelträger zueinander beträgt 15 kHz. Bei einer Kanalbandbreite von 20 MHz werden 1200 Einzelträger verwendet, was einer tatsächlich belegten Bandbreite von 18 MHz entspricht. Je 1 MHz werden in diesem Fall als Schutzbänder an der oberen und unteren Kanalgrenze freigehalten. Bild 2: Aufbau eines LTE Signals (Quelle: A1 Telekom) Wie bei allen Mobilfunkstandards werden auch für LTE verschiedene Signalisierungskanäle benötigt. Diese Signalisierungskanäle, die im Wesentlichen aus Synchronisationssignalen und Broadcast Channels (Kanäle mit allgemein gültigen Informationen) bestehen, sind in der Mitte der gesamten LTE-Kanalbandbreite konzentriert. Dies hat den Vorteil, dass der Signalisierungsbereich unabhängig von der verwendeten Kanalbandbreite immer gleich ist und die Endgeräte immer an der gleichen Stelle im Frequenzspektrum die nötigen Informationen vorfinden. Abweichend davon gibt es noch die Referenzsignale, die über die gesamte Kanalbandbreite in einem vordefinierten Raster (auf jedem dritten Einzelträger werden Referenzsymbole übertragen, wobei zeitlich gesehen jedes 7. Symbol ein Referenzsymbol ist) verteilt sind. Durch Mehrwegeausbreitung (Reflexionen) kann die Dämpfung zwischen Basisstation und Endgerät über die Kanalbandbreite sehr unterschiedlich sein. Um das Gesamtsignal aber richtig dekodieren zu können, muss das Endgerät diese Unterschiede (auch selektives Fading genannt) ausgleichen können. Die Information über diese Unterschiede bezieht das Endgerät aus der Auswertung der Referenzsignale. Da diese über die gesamte Kanalbandbreite verteilt mit konstanter Sendeleistung ausgestrahlt werden, kann das Endgerät eine sogenannte Kanalschätzung durchführen und das ursprüngliche, unverzerrt ausgesendete Signal unter Einsatz eines Equalyzers wieder rekonstruieren. Generell kann man aber aus obiger Grafik erkennen, dass es kein Signal gibt, welches ununterbrochen gesendet wird. Version 1.0 Seite 3 von 7 10.02.2012
2. Anforderungen an ein Immissions-Messsystem zur Ermittlung der
momentanen Feldverhältnisse
Neben Anforderungen die generell für die Messung zur Ermittlung der Immission mit Hilfe von
Spektrumanalysatoren gelten, wie
- Geeignetes, kalibriertes Messgerät für den betreffenden Frequenzbereich
- Für den Frequenzbereich geeignete, kalibrierte Messantenne
- Ausreichende Empfindlichkeit
- Messung mit RMS Detektor
- Drei-achsige Messung mit einem entsprechenden Antennensystem
- Möglichkeit der zeitlichen Mittelung über 6 Minuten
sind bei der Messung von LTE Signalen noch folgende Anforderungen an das Messsystem zu
berücksichtigen:
- Hohe Bandbreite zur Messung des gesamten Signals
- Ausreichende Dynamik des Messgeräts
- Zeitliche Mittelung ist immer nötig
2.1. Bandbreite
Zur korrekten Messung muss die gesamte Bandbreite der Aussendung durch das Messgerät erfasst
werden. Viele Spektrumanalysatoren stellen unter anderem Auflösungsbandbreiten von 3 MHz und 10
MHz zur Verfügung. Soll beispielsweise ein 5 MHz LTE Kanal gemessen werden, würde mit 3 MHz
Auflösungsbandbreite nicht das gesamte Signal gemessen werden. Bei der Wahl von 10 MHz
Auflösungsbandbreite können jedoch bereits Signale aus eventuell ebenfalls benutzten
Nachbarkanälen das Ergebnis beeinflussen. Theoretisch ist es zwar möglich das Signal mit geringerer
Bandbreite zu messen und auf die gesamte Signalbandbreite hochzurechnen. In der Praxis
funktioniert dies aber aus zwei Gründen nicht:
1. Die Energie über den LTE Kanal ist nur bei voller Auslastung gleich verteilt
2. Selektives Fading kann das Signal stark verzerren, sodass bei Messung mit geringer
Bandbreite sowohl starke Über- als auch Unterbewertungen möglich sind.
Die hierbei entstehenden Fehler liegen in der Praxis zwischen -10dB (1/10 der
Leistungsflussdichte) und +6dB (Faktor 4). In Extremfällen können die Abweichungen sogar
noch größer sein. Generell gilt, je geringer die Messbandbreite gewählt wird, desto höher
kann die Messunsicherheit werden.
Eine Alternative, die moderne Spektrumanalysatoren bieten, ist das Gesamtsignal mit geringerer
Auflösungsbandbreite zu messen und dann über die gesamte Signalbandbreite das Messergebnis zu
integrieren, um auf diese Weise den Messwert für das Gesamtsignal zu erhalten. Wichtig ist dabei zu
beachten, dass auch tatsächlich über das gesamte Signal integriert wird und nicht etwa die
Bildschirmbreite (SPAN) oder die Integrationsbandbreite zu gering gewählt wird. Beispielsweise würde
bei einer LTE Kanalbandbreite von 20 MHz mit einer Integrationsbreite von 10 MHz nur die Hälfte des
Gesamtsignals erfasst und damit ein Messfehler von -3dB entstehen.
2.2. Dynamik
OFDMA Signale haben einen hohen CREST-Faktor. Das bedeutet, dass die Spitzenleistung deutlich
höher ist, als die Durchschnittsleistung. Da jedoch bei der Immissionsbewertung die thermischen
Effekte zu berücksichtigen sind, ist generell mit dem RMS Detektor zu messen. Da der Spitzenwert
deutlich höher ist, als der angezeigte Messwert, kann es bei Ausnutzung des Messbereichs zur
Übersteuerung des Messgeräts durch die Spitzenleistung kommen. Während durch Übersteuerung
und damit verbundenen Begrenzungseffekten im Spektrumanalysator im Allgemeinen eine
Unterbewertung stattfinden würde, kann bei der Messung mit Breitbandsonden durch Übersteuerung
über den linearen Messbereich hinaus, aufgrund der Nichtlinearität des Messsystems eine deutliche
Überbewertung stattfinden. Da der Spitzenwert beinahe 20dB (Faktor 100) über dem RMS Wert liegen
Version 1.0 Seite 4 von 7 10.02.2012kann, sollte der gemessene Wert immer mindestens 20dB unter dem Messbereichsmaximalwert
liegen.
2.3. zeitliche Mittelung
Anders als bei GSM und UMTS gibt es kein zeitkonstantes, also dauernd ausgesendetes Signal bei
LTE. Es ist daher immer ein Mittelwert über einen gewissen Zeitraum zu bilden, um ein stabiles
Messergebnis zu erhalten. Zum Beispiel müsste über 6 Minuten gemittelt werden wenn nach
ÖVE/ÖNORM E 8850 gemessen werden soll.
3. Anforderungen an ein Immissions-Messsystem zur Ermittlung der
maximal möglichen Feldverhältnisse und Zuordnung von Signalen zu
verschiedenen Basisstationen
Um Rückschlüsse auf die maximal möglichen Feldverhältnisse am Immissionspunkt zu erlauben, ist
die Ermittlung einer konstanten Größe, die von der Auslastung der Basisstation unabhängig ist, nötig.
Da es aber kein dauerhaft ausgesendetes Signal gibt, welches im Spektrum auftritt und einfach
gemessen werden könnte, ist eine genauere Analyse des Signals nötig.
Theoretisch ist es möglich den Signalisierungsbereich in der Kanalmitte zu messen und aus diesem
auf das Gesamtsignal unter maximaler Auslastung zurückzuschließen. Dieser Ansatz liefert jedoch in
der Praxis aufgrund von selektivem Fading keinen brauchbaren Messwert. Auch hier können, wie
schon in 2.1 beschrieben, Messfehler zwischen -10dB (1/10 der Leistungsflussdichte) und +6dB
(Faktor 4), bzw. in Extremfällen noch mehr, auftreten.
Ebenso ist es möglich, wenn es das Messgerät erlaubt, den Spitzenwert über die gesamte
Signalbandbreite zu ermitteln. Dieser ist aber, zwar in deutlich geringerem Ausmaß als der RMS Wert,
dennoch abhängig von der Auslastung der Basisstation.
Keines dieser beiden Verfahren liefert überdies eine Möglichkeit der Zuordnung des Signals zu
bestimmten Basisstationen. In der Praxis werden, bei einem gut ausgebauten Netz, am
Immissionspunkt immer mehrere Aussendungen messbar sein. Ohne Zuordnung zur Basisstation und
in weitere Folge zur einzelnen Sendeantenne kann immer nur die Summe der Aussendungen
betrachtet werden.
Einen, in der Praxis brauchbaren, Anhaltspunkt zur Ermittlung der maximal möglichen
Feldverhältnisse kann nur die Ermittlung einer konstanten, möglichst über die gesamte
Signalbandbreite verteilten Größe liefern. Die einzigen Signale in LTE, welche beide Anforderungen
erfüllen, sind die Referenzsignale. Diese sind über den gesamten LTE-Kanal verteilt und werden mit
konstanter Leistung abgestrahlt. Durch die Messung aller Referenzsignale über die gesamte LTE-
Kanalbandbreite kann eine Größe ermittelt werden, die den Rückschluss auf die maximalen
Feldverhältnisse erlaubt. Wichtig ist jedoch, die Sendeleistung der Referenzsymbole zu kennen, da
diese von den übrigen Symbolen (Datenverkehr und Synchronisation) abweichen kann. Üblicherweise
werden die Referenzsymbole mit höherer Sendeleistung übertragen, damit die Endgeräte ein
robusteres Signal zur Kanalschätzung zur Verfügung haben.
Ein Messgerät, welches die Messung der Referenzsignale ermöglicht, hat üblicherweise auch die
Möglichkeit die Zelldaten (Cell-ID) des Signals zu ermitteln. Damit ist dann auch eine Zuordnung zu
einzelnen Basisstationen möglich
Version 1.0 Seite 5 von 7 10.02.20124. Frequenznutzung durch LTE in Österreich
4.1. 800 MHz
Derzeit wird ein Vergabeverfahren für dieses Frequenzband vorbereitet.
Im 800 MHz Band stehen 2x30MHz für mobile Breitbanddienste zur Verfügung:
4.2. 2600 MHz
Am 18.10.2010 wurde das Vergabeverfahren F4/08 für diesen Frequenzbereich abgeschlossen.
Das Frequenzband hat eine Bandbreite von 190 MHz und setzt sich aus 14 gepaarten
Frequenzpaketen und 10 ungepaarten Frequenzpaketen zusammen:
Version 1.0 Seite 6 von 7 10.02.20125. Messverfahren unter Berücksichtigung der besonderen Gegebenheiten
in Österreich
Aufgrund der Frequenzvergabe und der damit verbundenen benutzten LTE Bandbreiten, sowie der
normativen Bestimmungen zur Immissionsmessung (ÖVE/ÖNORM E 8850:2006) in Österreich
können folgende Verfahren zusammengefasst werden:
5.1. Messung der Exposition gemäß ÖVE/ÖNORM E 8850:2006
LTE Bandbreite Messbandbreite bzw. Detektor Mittelungszeit /
in MHz Integrationsbandbreite Mittelungsverfahren
5 4,5 bis 5 MHz
Mittelwert über ein
10 9 bis 10 MHz RMS beliebiges 6 Minuten
Zeitintervall
20 18 bis 20 MHz
5.2. Messung der Exposition am Immissionspunkt und Berechnung der
Exposition unter Berücksichtigung der Auslastung der zu
betrachtenden Zelle, sowie Zuordnung zu dieser
LTE Bandbreite Erfassungsbandbreite Zu dekodierende Berechnungsverfahren
in MHz Parameter für Maximalauslastung
5 4,5 MHz Summenleistung RS Summenleistung
(Leistungsflussdichte) (je Cell-ID) mal 21(*)
aller Referenzsymbole dividiert durch den
10 9 MHz (RS) innerhalb der Faktor der höheren
Erfassungsbandbreite. RS-Leistung ergibt den
Dekodierung der hochgerechneten
20 18 MHz Cell-ID und Zuordnung Immissionswert für
der Leistungsanteile maximale Verkehrslast.
(*) … der Faktor 21 ergibt sich, da nur auf jedem dritten Einzelträger Referenzsymbole gesendet
werden und diese auch nur ein siebentel der Zeit (nach 6 Datensymbolen kommt wieder ein
Referenzsymbol).
Version 1.0 Seite 7 von 7 10.02.2012Sie können auch lesen
