【 01 INVOERING 】
Door het groeiende aantal smartphonegebruikers is de vraag naar jaarlijkse verhogingen van de spraak- en datacapaciteit in mobiele netwerken een probleem waar elke operator wereldwijd mee te maken heeft en dat niet zal verdwijnen met de komst van nieuwe technologieën en frequentiespectra. De buitengewone groei van draadloos dataverkeer, zoals videoconferenties, mediastreaming en mobiele tv, zorgt voor een voortdurende toename van de vraag naar capaciteit in het mobiele netwerk.
Vooral in stadions, op pleinen en andere plekken waar veel smartphonegebruikers komen, is de vraag naar capaciteit voor spraak en data enorm. Om aan deze vraag te voldoen, onderzoeken serviceproviders verschillende manieren om de netwerkcapaciteit uit te breiden.
1) Het toevoegen van zendmasten is een effectieve, maar dure manier om de capaciteit te vergroten. Het verwerven van nieuwe grond is over het algemeen tijdrovend en steeds moeilijker te realiseren. Doordat de gemiddelde afstand tussen zendmasten daalt van 5 km naar 2 km en recentelijk zelfs naar minder dan 200 meter in dichtbevolkte stedelijke gebieden, heeft de operator minder keuzevrijheid bij het selecteren van betaalbare locaties. Het verdubbelen van het aantal zendmasten verdubbelt ongeveer de netwerkcapaciteit en de doorvoer per gebruiker (ervan uitgaande dat de gebruikersdichtheid constant blijft), en verbetert de piekbelasting per gebruiker en de totale doorvoer per km² aanzienlijk.
2)Het toevoegen van draaggolven (of nauwkeuriger gezegd, bandbreedte) verhoogt direct de capaciteit. De LTE-standaard is bijzonder geschikt voor het benutten van een grotere bandbreedte. Bovendien staat de FCC in de VS toe dat het uitgestraalde vermogen toeneemt met de bandbreedte in de PCS-, AWS- en lagere 700 MHz-banden, wat zorgt voor een betere penetratie en dekking. Een verdubbeling van de bandbreedte verdubbelt minstens de doorvoer.
3)Ruisonderdrukking. In 3G- en 4G LTE-netwerken is ruisbeheersing in het RF-pad cruciaal. Externe ruis van diverse bronnen – waaronder meerpadreflectie, omgevingsruis en interferentie van aangrenzende of nabijgelegen cellen – kan de ontvangstgevoeligheid van het basisstation aanzienlijk verminderen. Naarmate de ruis in de sector toeneemt, verhogen mobiele apparaten hun signaalvermogen, wat leidt tot meer uplink-interferentie. Ruis in het RF-pad is ook problematisch, waarbij thermische ruis en passieve intermodulatie (PIM) de belangrijkste boosdoeners zijn.
4)Het vergroten van frequentiehergebruik. Een andere manier om de capaciteit te vergroten is door meer mogelijkheden voor frequentiehergebruik te creëren via sectorisering van hogere orde.
5)Van de hierboven beschreven strategieën brengt de traditionele methode voor het toevoegen van cellen en het aanschaffen van extra spectrum aanzienlijke kosten en tijdsdruk met zich mee. Normaal gesproken kan de verwerving en bouw van locaties tot 2-3 jaar duren. De totale kosten bedragen meer dan 0,2 miljoen dollar vanwege de verwerving, bouw en ingebruikname. Het toevoegen van extra spectrum, indien beschikbaar, kan gemakkelijk miljarden dollars kosten. De inzet van small cells wordt ook geprezen als een uitstekende manier om de netwerkcapaciteit te vergroten. Deze methode kan echter niet voldoen aan de directe behoefte van serviceproviders aan meer capaciteit.
【 02 TRADITIONELE SECTORISATIE 】
Om interferentie in kanaalsystemen te voorkomen, moeten frequentiekanalen geografisch van elkaar gescheiden worden. Door sectorisering wordt het aantal sectoren (cellen) dat aan interferentie onderhevig is, verminderd, omdat het vermogen van de sector naar voren wordt geconcentreerd.
In de afgelopen 50 jaar is de draadloze capaciteit met een factor van ongeveer 1.000.0006 toegenomen. Deze groei is te danken aan een betere spectrale efficiëntie, meer spectrum en meer cellen/sectoren. Sinds de jaren negentig is sectorisering een van de meest populaire en effectieve strategieën voor het vergroten van de capaciteit van locaties en netwerken.
De eerste sectorsystemen vervingen de standaard 360-graden omnidirectionele antennes door drie afzonderlijke directionele antennes. De meest gebruikte configuratie maakt gebruik van drie antennes, elk met een nominale azimutale bundelbreedte van 65 graden. Hoewel de antennes binnen een sectorcel een gemeenschappelijk basisstation (BTS) delen, wordt elke antenne onafhankelijk beheerd en bediend met een eigen vermogensniveau, frequenties en kanalen.
Het gebruik van drie directionele sectorantennes in plaats van één omnidirectionele antenne vermindert de interferentie tussen cellen op hetzelfde kanaal aanzienlijk en verdrievoudigt de mogelijkheden voor frequentiehergebruik. Hierdoor realiseren serviceproviders een aanzienlijke capaciteitswinst.
【 03SECTORISATIE VAN HOGE ORDE 】
Meer dan tien jaar geleden begonnen serviceproviders het capaciteitspotentieel van sectorisering van hogere orde te onderzoeken, waarbij het conventionele systeem met drie sectoren wordt opgesplitst in een systeem met zes sectoren. Een systeem met zes sectoren gebruikt twee smalle bundels van 33° ter vervanging van één sectorantenne met een bundel van 65°. Door de smalle azimutbundelbreedte vermindert sectorisering van hogere orde niet alleen de overlappende interferentie, maar ook het soft handoff-gebied, waardoor de efficiëntie van frequentiehergebruik wordt verbeterd.
Bij een vergelijking tussen de smalle bundelantenne met een azimuthoek van 33° en een normale sectorantenne met een azimuthoek van 65°, biedt de smalle bundelantenne een snellere afname van het stralingspatroon en een betere onderdrukking van zijlobben en achterlobben. Bovendien, wanneer een sector van 120° wordt opgesplitst in twee kleinere, gelijkmatig verdeelde sectoren door één normale sectorantenne te vervangen door twee smalle bundelantennes, kunnen de twee opgesplitste sectoren onafhankelijk van elkaar worden aangestuurd om het netwerk te optimaliseren en de dekkingsgraad van de zendmast aan te passen.
Figuur 1 illustreert de aanzienlijke vermindering van de overlap tussen sectoren bij het overschakelen van een 65-graden naar een 33-graden antenne. Het verminderen van de overlap verkleint het soft handoff-gebied en levert extra capaciteitswinst op.
Voor de implementatie met zes sectoren kunnen twee overgangspunten tussen de gesplitste sectoren worden geoptimaliseerd op -6 tot -10 dB. Dit is een goed overgangsniveau voor de handover tussen sectoren in 2G-, 3G- en LTE-systemen.
【 04 DE NADELEN VAN SECTORISATIE VAN HOGERE ORDE DOOR 】
De traditionele manier om een zessectorige antenne-installatie te plaatsen, is door drie 65°-sectorantennes te vervangen door zes smalle bundelpaneelantennes. Dit betekent een verdubbeling van het aantal antennes bij een hogere orde sectorisering. Het toenemende aantal antennes betekent een verdubbeling van de kosten, inclusief aanschaf-, verpakkings-, transport- en installatiekosten.
Een smalle bundelantenne van 33° is doorgaans veel breder dan een paneelantenne van 65°, omdat er fysiek een extra antenne-array nodig is om een smallere azimutbundel te realiseren. De grotere afmetingen hebben daardoor een aanzienlijk grotere visuele impact op de locatie. Bovendien is het grote oppervlak van de paneelantenne aanzienlijk gevoeliger voor wind dan bij een paneelantenne van 65°. Daarnaast is de grotere smalle bundelantenne ook zwaarder voor de mast dan een paneelantenne van 65°.
Een ander probleem bij het gebruik van twee smalle bundelantennes ter vervanging van de 65°-paneelantenne zijn uitlijnfouten tijdens de installatie. Twee smalle bundelantennes moeten nauwkeurig worden uitgelijnd om een 120°-sector te vervangen en zo het overlappende gebied, de interferentie binnen de sector en de kruispunten te optimaliseren.
Om de bovengenoemde redenen heeft de zessectorige site met smalle bundelantennes niet veel aandacht gekregen op de telecommunicatiemarkt.
Lees meer over dit project.
Download de volledige casestudy.pdf