SİMGE LİSTESİ C Kapasite Bant Genişliği Isıl gürültü güç yoğunluğu Sinyal gücünün gürültü gücüne oranı

ii İÇİNDEKİLER

Sayfa

SİMGE LİSTESİ ... iv

KISALTMA LİSTESİ ... v

ŞEKİL LİSTESİ... viii

ÇİZELGE LİSTESİ ... ix

ÖNSÖZ ... x

ÖZET ... xi

ABSTRACT ... xii

1. GİRİŞ ... 1

2. MOBİL HABERLEŞME GELİŞİMİ VE LTE TEKNİK ÖZELLİKLERİ ... 2

2.1 Mobil Şebekelerin Gelişimi ... 2

2.2 Tanımlanmış LTE Bantları... 4

2.3 LTE‟de Uyarlanabilir Modülasyon ve Kodlama ... 5

2.4 LTE‟de Çoklu Erişim ... 7

2.4.1 Dikey Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (OFDMA) ... 7

2.4.2 Tek Taşıyıcılı Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (SC-FDMA) ... 10

2.5 LTE‟de Çoklu Giriş Çoklu Çıkış (MIMO) Yapısı ... 11

3. LTE ŞEBEKE MİMARİSİ ... 13

3.1 Çekirdek Şebeke ... 13

3.1.1 Gelişmiş Sistem Mimari Ağ Geçidi (SAE-GW) ... 14

3.1.1.1 Paket Veri Şebekesi Ağ Geçidi (PDN-GW) ... 14

3.1.1.2 Servis Sağlayan Ağ Geçidi (S-GW) ... 15

3.1.2 Hareket Yönetim Aygıtı (MME) ... 16

3.1.3 Davranış Kontrol ve Ücretlendirme Kuralları Fonksyonları (PCRF)... 17

3.1.4 Abone Veritabanı Sunucusu (HSS) ... 18

3.2 Erişim Şebekesi ... 18

3.2.1 Evrimleşmiş Baz İstasyonu (eNodeB) ... 18

3.2.2 Kullanıcı Cihazı (UE) ... 19

4. LTE‟DE KAPASİTE PLANLAMASI ... 20

4.1 Shannon Kapasite Eşitliği ... 20

4.2 SNR ve Hata Olasılıklarının Hesabı ... 21

4.3 Bant Verimliliği Hesabı ... 22

4.3.1 Yan Kanal Sızıntı Oranı (ACLR) Başlıkları ... 22

4.3.2 OFDM Sembol Yapısı ve Periyodik Önek Başlıkları ... 22

4.3.3 Referans Sinyal Başlıkları ... 23

4.3.4 Senkronizasyon Sinyal Başlıkları ... 24

4.3.5 Fiziksel Yayın Kanalı (PBCH) Başlıkları ... 26

4.3.6 Rastlantısal Erişim Başlıkları ... 27

4.3.7 L1/L2 Katmanı Kontrol Sinyali Başlıkları ... 28

4.3.8 Bant Verimliliğinin hesaplanması ... 29

iii

4.4 SNR Verimliliği Hesabı ... 30

4.5 MIMO Kapasitesi ... 32

4.6 Şebeke Boyutlandırması ... 33

5. LTE‟DE KAPSAMA HESAPLAMALARI ... 35

5.1 Yol Kayıp Hesaplamaları ... 35

5.2 Link Hesaplamaları ... 37

5.3 Radyo Kaynakları Yönetimi ... 39

6. ÖRNEK BİR TEST SİSTEMİNİN PLANLAMASI ... 43

7. SONUÇ ... 47

KAYNAKLAR ... 48

INTERNET KAYNAKLARI ... 49

ÖZGEÇMİŞ ... 50

iv SİMGE LİSTESİ

C Kapasite

Bant Genişliği

Isıl gürültü güç yoğunluğu

Sinyal gücünün gürültü gücüne oranı

Değişik güç kazanclarına sahip alt kanallar

(k,q). alt kanal güç yerleşimi

SNR verimliliği

Bant verimliliği

Yatay sönümlemeli alt kanal sayısı Bit hızı

Bit enerjisi

Alt taşıyıcı bant genişliği

Aşağı link alt taşıyıcı sayısı

Aşağı link sembol sayısı

Kaynak bloğu alt taşıyıcı sayısı

Yukarı link sembol sayısı

Aşağı link referans sinyali başlıkları bant verimliliği

Aşağı link senkronizasyon sinyali başlıkları bant verimliliği

Aşağı link BCH başlıkları bant verimliliği

ACLR başlıkları bant verimliliği

CP başlıkları bant verimliliği

Aşağı link referans sinyali başlıkları bant verimliliği

Aşağı link senkronizasyon sinyali başlıkları bant verimliliği

Aşağı link BCH başlıkları bant verimliliği

Yukarı link RAP başlıkları bant verimliliği

Aşağı link L1/L2 kontrol sinyalleşmesi başlıkları bant verimliliği

Yukarı link L1/L2 kontrol sinyalleşmesi başlıkları bant verimliliği

Aşağı link link seviyesi bant verimliliği

Aşağı link sistem seviyesi bant verimliliği

Yukarı link link seviyesi bant verimliliği

Yukarı link sistem seviyesi bant verimliliği PRx Alıcıya gelen güç

PTx Verici çıkış gücü G_Tx Verici anten kazancı G_Rx Alıcı anten kazancı

LTx Verici kablo kayıpları ve diğer kayıplar LRx Alıcı kablo kayıpları ve diğer kayıplar Planlama toleransı

Yol kaybı

NF Gürültü faktörü

Hizmet veren s. hücre ile k. kullanıcı arasındaki kanal kazancını S. hücrenin verici gücü

v KISALTMA LİSTESİ

3GPP Third Generation Partnership Project Üçüncü Nesil Ortaklık Projesi ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio

Yan Kanal Sızıntı Oranı aGW Access Gateway

Erişim Geçit Santrali

AMC Adaptive Modulation and Coding Uyarlanabilir Modülasyon ve Kodlama AMPS Advanced Mobile Telephony System

Gelişmiş Mobil telefon Sistemi AWGN Additive white Gaussian noise

Eklenenir Beyaz Gauss Gürültüsü BER Bit Error Rate

Bit Hata Oranı CP Cyclic Prefix

Periyodik Önek

CQI Channel Quality Indicator Kanal Kalite Göstergesi CSI Channel State Information

Kanal Durum Bilgileri

DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Dinamik Sunucu Ayarları Protokolu DL-SCH Downlink Shared Channel

Aşağı link Paylaşımlı Kanal

EDGE Enchanced Data rates for GSM Evolution GSM Evrimi için Geliştirilmiş Veri Hızları E-NodeB Evolved – Node B

Evrimleşmiş Baz İstasyonu EPC Evolved Packet Core

Evrimleşmiş Paket Çekirdek Şebekesi

ETSI European Telecommunications Standards Institute Avrupa telekomunikasyon standartları enstitüsü E-UTRAN Evolved – UMTS Terrestial Radio Access Network

Evrimleşmiş – UMTS Karasal Radyo Erişim Şebekesi FDD Frequency Division Duplex

Frekans Bölmeli Çoğullama GGSN Gateway GPRS Support Node

Geçit GPRS Destek Düğümü GPRS General Packet Radio Service

Paket Anahtarlamalı Radyo Hizmeti

GSM Global System for Mobile Communications Küresel Mobil Haberleşme Sistemi

GTP GPRS Tunelling Protocol GPRS tünelleme protokolü HSS Home Subscriber Server

Abone Veritabanı Sunucusu IP Internet Protocol

İnternet Protokolü

J-TACS Japanese Total Access Communication System Japon Genel Erişim Haberleşme Sistemi

vi LOS Line of Sight

Doğrudan Görüş Hattı LTE Long Term Evolution

Uzun Vadeli Evrim

MCS Modulation and Coding Scheme Modülasyon ve Kodlama Planını ME Mobile Equipment

Mobil Cihaz

MIMO Multiple Input Multiple Output Çoklu Giriş Çoklu Çıkış MME Mobility Management Entity

Hareket Yöetim Aygıtı NLOS None Line of Sight

Doğrudan Görüş Hattı Olmayan NMT Nordic Mobile Telephony

Nordic Mobil Telefon

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Dikey Frekans Bölmeli Çoklu Erişim

PBCH Phsicaly Broadcast Channel Fiziksel Yayın Kanalı

PCRF Policy Control and Charging Rules Function

Davranış Kontrol ve Ücretlendirme Kuralları Fonksyonları PDN-GW Packet Data Network Gateway

Paket Veri Şebekesi Ağ Geçidi PMIP Proxy Mobile IP

Vekil Gezgin IP

PRACH Physicaly Random Access Channel Fiziksel Rastlantısal Erişim Kanalı PSS Primary Synchronization Signal

Birincil Senkronizasyon Sinyali PUCCH Physical Uplink Control Channel

Fiziksel Yukarı Link Kontrol Kanalı PUSCH Physical Uplink Shared Channel

Fiziksel Yukarı Link Paylaşımlı Kanalı QAM Quadrature Amplitude Modulation

Dördül Genlik Modülasyonu QPSK Quadrature Phase Shift Keying

Dördül Faz Kaydırmalı Anahtarlama RB Resource Block

Kaynak Bloğu RE Resource Element

Kaynak Elementi

RNC Radio Network Controller Radyo Şebeke Denetçisi

RSRP Reference Signal Received Power Alıcıya Gelen Referans Sinyal Gücü SAE-GW System Architecture Evolved – Gateway

Gelişmiş Sistem Mimari Ağ Geçidi

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access Tek Taşıyıcılı Frekans Bölmeli Çoklu Erişim

vii SGSN Serving GPRS Support Node

Servis GPRS Destek Düğümü S-GW Serving Gateway

Servis Sağlayıcı Geçit

SINR Signal to Interference and Noise Ratio Sinyal Girişim ve Gürültü Oranının SISO Single Input Sıngle Output

Tek Girişli Tek Çıkışlı SNR Signal to Noise Ratio

Sinyal Gücünün Gürültü Gücüne Oranı SSS Secondary Synchronization Signal

İkincil Senkronizasyon Sinyali

TACS Total Access Communication System Genel Erişim Haberleşme Sistemi TDD Time Division Duplex

Zaman Bölmeli Çoğullama TTI Transmission Time Interval

İletim Zaman Aralığı UE User Equipment

Kullanıcı Cihazı

UMTS Universal Mobile Telecommunications System Evrensel Mobil Haberleşme Sistemi

UP User Plane

Kullanıcı Düzlemi

U-SIM Universal Subscriber Identity Module Evrensel Abone Kimlik Modülü

viii ŞEKİL LİSTESİ

Şekil 2.1 Hücresel telsiz şebeke teknolojisi gelişimi[24]... 3

Şekil 2.2 OFDM ve SC – FDMA zaman frekans düzlemi yerleşimi ... 7

Şekil 2.3 OFDM sinyali ... 8

Şekil 2.4 Zaman-frekans düzleminde OFDM sembollerinin yerleşimi[26] ... 9

Şekil 2.5 FDMA yapısı[3] ... 10

Şekil 2.6 SC – FDMA çerçevesi[3] ... 10

Şekil 2.7 SU-MIMO ve MU-MIMO yapısı [17] ... 11

Şekil 2.8 MIMO çalışma yapısı[17]... 12

Şekil 3.1 3. ve 4. nesil şebeke mimarileri... 13

Şekil 3.2 LTE çekirdek şebekesi[2] ... 14

Şekil 3.3 P-GW bağlantıları ve fonksiyonları[2] ... 15

Şekil 3.4 S-GW bağlantıları ve fonksiyonları[2] ... 16

Şekil 3.5 MME bağlantıları ve fonksiyonları[2] ... 17

Şekil 3.6 PCRF bağlantıları ve fonksiyonları[2] ... 18

Şekil 3.7 LTE erişim şebekesi[2] ... 18

Şekil 3.8 eNodeB bağlantıları ve fonksiyonları[2] ... 19

Şekil 4.1 OFDM sembol yapısı ... 22

Şekil 4.2 Aşağı link normal periyodik önekli referans sinyal yapısı[11]... 23

Şekil 4.3 Yukarı link normal periyodik önekli referans sinyal yapısı[8] ... 24

Şekil 4.4 FDD modunda PSS-SSS çerçeve ve zaman dilimi yapısı[3] ... 25

Şekil 4.5 TDD modunda PSS-SSS çerçeve ve zaman dilimi yapısı[3] ... 25

Şekil 4.6 Zaman-frekans düzleminde PSS ve SSS yerleşimi[3] ... 26

Şekil 4.7 PBCH yapısı ... 27

Şekil 4.8 Rastlantısal erişim iletimi[8] ... 27

Şekil 4.9 Yukarı link L1/L2 kontrol sinyalleşmesi kaynak yapısı[8] ... 28

Şekil 4.10 SNR verimliliği ... 31

Şekil 4.11 SNR verimliliği ... 32

Şekil 4.12 MIMO kapasitesi ... 33

Şekil 4.13 Trafik ve veri hızı bazlı boyutlandırma[2]... 34

Şekil 5.1 900 MHz mikro hücre kentsel alan yol kayıpları ... 36

Şekil 5.2 2000 MHz mikro hücre kentsel alan yol kayıpları ... 36

Şekil 5.3 900 MHz mikro hücre kentsel alan alıcıya gelen güç grafiği ... 38

Şekil 5.4 2000 MHz mikro hücre kentsel alan alıcıya gelen güç grafiği ... 39

Şekil 5.5 Girişim sinyal oranına bağlı veri hızı kaybı grafiği[3] ... 41

Şekil 5.6 Kullanıcıların hücre merkezine yakın olduğu durum ... 41

Şekil 5.7 Kullanıcıların hücre kenarında olduğu durum ... 41

Şekil 5.8 Parçalı frekans kullanımı[3]... 42

Şekil 6.1 Test aşamasındaki LTE şebekesi ... 43

Şekil 6.2 Aşağı ve yukarı link kapasitesi ... 44

Şekil 6.3 Test şebekesinin veri hızı boyutlandırması... 46

ix ÇİZELGE LİSTESİ

Çizelge 2.1 LTE ile UMTS karşılaştırması[3] ... 4

Çizelge 2.2 3GPP‟nin belirlediği FDD bant listesi[2] ... 5

Çizelge 2.3 3GPP‟nin belirlediği TDD bant listesi[2] ... 5

Çizelge 2.4 LTE aşağı link CQI tablosu[12] ... 6

Çizelge 2.5 Bant genişliklerine karşılık kaynak bloğu sayısı[11] ... 9

Çizelge 2.6 Periyodik önek uzunlukları[12]... 9

Çizelge 4.1 20 MHz için aşağı link bant verimliliği katsayıları ... 29

Çizelge 4.2 20 MHz için yukarı link bant verimliliği katsayıları ... 30

Çizelge 4.3 SNR ve bant verimlilikleri katsayıları ... 32

Çizelge 4.4 Kullanıcı cihazları kategorileri[27] ... 34

Çizelge 5.1 Kullanılan parametreler ... 38

Çizelge 5.2 Hesaplanan hücre yarıçapları ... 39

Çizelge 6.1 Test şebekesinin çalışma parametreleri ... 43

Çizelge 6.2 Şebekenin aşağı link hesabı ... 45

Çizelge 6.3 Şebekenin yukarı link hesabı ... 45

x ÖNSÖZ

Bitirme tezi çalışmam süresince değerli zamanını ayıran, bilgi ve deneyimlerini paylaşan, çalışmalarımı yönlendiren ve herzaman destek olan proje danışmanım sayın Yrd. Doç. Dr.

Aktül Kavas‟a ayrıca çalışmalarımda büyük katkıları bulunun Betül Altınok ve Yüksel Yılmaza son olarak eğitimime sonsuz katkıları olan aileme teşekkürü borç bilirim.

Mayıs 2011 Ahmet ÇALIŞKAN

xi ÖZET

Günümüzde teknolojinin gelişmesiyle birlikte cep telefonları üzerinden gerçek zamanlı oyun, televizyon, internet ve akışkan video gibi yüksek veri hızları gerektiren uygulamalara olan talep hızla artmıştır. Artan talebi karşılamak üzere 3. Nesil Ortaklık Projesi (3GPP) tarafından uzun vadeli evrim (LTE) standartları geliştirilmiştir. Bugün itibariyle uzun vadeli evrim hücresel telsiz şebeke teknolojisinde gelinen son standart olup dünya üzerinde 19 adet uzun vadeli evrim hizmeti veren şebeke mevcuttur.

Bu çalışmada 3GPP Versiyon 8 standartları esas alınarak, uzun vadeli evrim şebekesi boyutlandırması için uzun vadeli evrim teknolojisi özelliklerinin tanımlanmasının ardından, kapasite ve kapsama hesaplamaları için model ve metotlar tanımlanmış ve hesaplamalar MATLAB ortamında gerçekleştirilmiştir. Elde edilen hesaplama sonuçları ülkemizde de test aşamasında olan sistem sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır.

Anahtar Kelimeler: Dördüncü nesil, LTE,kapsama, kapasite, uzun vadeli evrim, link hesaplamaları, sistem hesaplamaları

xii ABSTRACT

Nowadays, with the development of technology in real time games, television, internet and video streaming applications via mobile phones that require high data rates by the demand has increased rapidly. To meet the increasing demand by the Third Generation Partnership Project (3GPP), long-term evolution (LTE) standard was developed. Today the long-term evolution is the latest cellular wireless network technology and 19 long-term evolution network available in the in the world.

This study is based on 3GPP standards, Version 8, the long-term evolution after the identification of technology features for designing long-term evolution network, capacity and coverage calculations, and calculations made on MATLAB for defined model and methods.

Calculation results compared withthe results of the testing system obtained in our country.

Keywords: The fourth-generation, LTE, coverage, capacity, long-term evolution, link calculations, system calculations

1. GİRİŞ

Telgrafla sınırlı bir başlangıç yapan, telefonun keşfi ile de bireysel iletişimin yolunu açan haberleşme teknolojileri; mobil telefonların ilk nesli olan analog mobil telefonların ardından 2. Ve 3. nesil sistemlerle birlikte günümüzde cep telefonu, akıllı mobil cihazlarla yüksek hızlı internet erişimi gibi yüksek hız ve bant genişliği gerektiren hizmetleri sunmaktadır. Bu hizmetlerin kullanımının artması ile birlikte talebi karşılamak üzere 3. Nesil Ortaklık Projesi (3GPP) tarafından uzun vadeli evrim (LTE) standartları geliştirilmiştir. Şu anda dünya 14 farklı ülkede 19 uzun vadeli evrim şebekesi hizmet vermektedir.[1]

4. nesil olan uzun vadeli evrim standardının genel amacı, kullanıcılara internet tabanlı ve çoklu ortam hizmetlerini hızlı ve verimli bir biçimde verebilmektir. 4. nesil sistemler tarafından sağlanacak hizmetler, ikinci ve üçüncü nesil sistemler tarafından sağlanan ses ağırlıklı hizmetler ile karşılaştırıldığında, tamamen veri bazlı hizmetler olarak karakterize edilebilir. Bu hizmetler, kullanıcıya çoklu ortam yetenekleri kazandıracaktır. Bir başka deyişle kullanıcıya veri, müzik ve gerçek zamanlı video gibi çeşitli hizmetler eş zamanlı olarak sağlanabilecektir. 4. nesil haberleşme sistemleri, kullanıcılarına çoklu ortam haberleşmesi, internet erişimi, hareketli ve hareketsiz resim transferi, görüntülü konuşma, gerçek zamanlı oyun gibi hizmetler için gerekli servis kalitesini sağlayabilmek amacıyla yüksek veri hızlarını destekleyebilmektedir.

Bu tezde ana amaç, uzun vadeli evrim erişim şebekesinin tasarımında kullanılan model ve metodların incelenmesi ve bu model ve metodların sonucunun ülkemizde henüz test aşamasında olan bir şebekenin parametreleri ile karşılaştırılmasıdır.

2. bölümde mobil haberleşme sistemlerinin gelişimi ve LTE özellikleri anlatılmaktadır.

Birinci ve ikinci nesil sistemlerden bahsedildikten sonra üçüncü ve dördüncü nesil sistemlerin karşılaştırması yapılmış ve LTE standardının erişim teknolojileri kullandığı çerçeve yapıları ve modülasyonlar anlatılmıştır.

3. bölümde LTE erişim ve çekirdek şebekeleri anlatılmış ve topolojideki her düğüm çalışma şekli ile birlikte tek tek açıklanmıştır.

4. bölümde LTE radyo arayüzünün kapasitesinin hesaplanabilmesi için gerekli modeller incelenmiş ve radyo arayüzünün kapasitesi hesaplanmıştır

5. bölümde LTE radyo arayüzün kapsama alanının hesaplanabilmesi için gerekli modeller incelenmiş ve örnek değerler için kapsama hesaplamaları yapılmıştır.

6. bölümde ise test şebekesi için kapasite ve kapsama hesaplamaları yapılmıştır.

2. MOBİL HABERLEŞME GELİŞİMİ VE LTE TEKNİK ÖZELLİKLERİ

2.1 Mobil Şebekelerin Gelişimi

Hücresel telsiz şebeke teknolojisinin gelişimine bakacak olursak, hücre kavramı ilk olarak 1947‟de ünlü Bell Laboratuvarları‟nda ortaya ortaya atılmıştır. Hücrelerin kullanımı kapsanacak alanın daha küçük parçalara bölünelerek her parçanın kendine ait farklı frekanslarda çalışan baz istasyonları ile telsiz şebeke kapasitesinin arttırılması prensibine dayanmaktadır.

İlk sistemler, ulusal sınır ile sınırlandırılmış olup küçük bir kullanıcı sayısına ulaşabildi.

Kullanıcı cihazları çok pahalı, biçimsiz, çok güç tüketen cihazlar idi bu nedenle pratik olarak sadece araç içlerinde kullanılabiliyordu.

Ticari amaçlı büyük ölçekli ilk hücresel telsiz şebekesinin gelişimi 1980‟lerdedir, „1. Nesil Sistemler‟ olarak adlandırılmıştır. 1. Nesil olarak adlandırılan sistemler dünya genelinde birbirinden bağımsız olarak geliştirilmiş birkaç analog hücresel telsiz şebekesinden oluşmaktadır. Bunlar,

 Amerika‟da, Gelişmiş Mobil telefon Sistemi (Advanced Mobile Telephony System, AMPS)

 İngiltere‟de, Genel Erişim Haberleşme Sistemi (Total Access Communication System, TACS)

 İskandinav ülkelerinde, Nordic Mobil Telefon (Nordic Mobile Telephony, NMT)

 Japonya‟da, Japon Genel Erişim Haberleşme Sistemi (Japanese Total Access Communication System, J-TACS)

Geniş çaplı dolaşım ilk defa GSM (Global System for Mobile Communications) olarak bilinen 2. Nesil sistemin geliştirilmesi ile mümkün olmuştur. GSM‟in başarısı bir grup firmanın uzman mühendislerinin bir araya gelerek ETSI (European Telecommunications Standards Institute) çatısı altında sistemi geliştirmesindedir. Bununla birlikte GSM güçlü, diğer sistemlerle birlikte çalışabilen ve kabul gören standart haline gelmiştir.

Şekil 2.1‟i inceleyecek olursak teknolojinin gelişim süreci daha rahat anlaşılabilir. Faz 1,2 kısmında yukarıda anlattılan tamamen devre anahtarlamalı sistemi kapsamaktadır. Faz 2+ ise 2,5. Nesil olan GPRS, R97 ise 2,75. Nesil olan EDGE anlamına gelmektedir. GPRS sistemi mevcut GSM şebekesi üzerinden yüksek hızlı ve uçtan uca paket veri iletimi sağlayan bir teknolojidir. Veri hızları teorik olarak 9 ile 115 Kb/sn arasındadır. Uygulamada ise veri hızları 50 Kb/sn seviyelerinde gerçekleşmektedir. GSM sisteminde kullanılan modülasyon

metodunun değiştirilmesi ile oluşturulan EDGE sistemi ile ise veri hızları 384Kb/sn seviyelerine çıkartılmıştır

Versiyon 99‟da (R99) ise 3. Nesil sistemlere adım atılmıştır. Çekirdek şebeke kısmında ise önceki versiyonlara göre ciddi değişiklikler olup hem devre anahtarlama hem paket

anahtarlama kullanılmaktadır. Versiyon 5,6,7‟de ise mevcut 3. Nesil şebeke elemanları değiştirilmeden bazı topoloji değişiklikleri ve yazılım güncellemeleri yapılarak veri hızları arttırılmıştır.

Şekil 2.1 Hücresel telsiz şebeke teknolojisi gelişimi[24]

Son kullanıcıların gün geçtikçe artması ve internet, televizyon, gerçek zamanlı oyun gibi yüksek veri hızları gerektiren uygulamalara olan talebin artması ile birlikte 2. Nesil sistemlerin talebi karşılayamaz duruma geldikleri için 3. Nesil sistemler ve ardından 4. Nesil sistemler geliştirilmiştir. Uzun Vadeli Evrim (LTE) gelişen mobil haberleşme sistemlerinde son adımlardan biridir.

LTE teknolojisini daha iyi anlamak için 3. Nesil UMTS sistemi ile karşılaştıralım. Çizelge 2.1‟den anlaşılacağı gibi 3. Nesil sistemlerin kapasitesinin çok üstünde olduğu görülmektedir.

Çizelge 2.1 LTE ile UMTS karşılaştırması[3]

LTE UMTS Yorum

Dow n li n k

maksimum iletim hızı 100 Mbit 7 x 14 Mbit 20 Mhz FDD ve 2x2 MIMO kullanıldığı durumda maksimum bant verimi 5 bps/Hz 3 bps/Hz

Ortalama hücre bant verimi

1.6 - 2.1 bps/Hz/hücre

3-4 x 0.53 bps/Hz/hücre

2x2 MIMO ve IRC alıcı kullanıldığı durumda Hücre kenarında bant

verimi

0.04 - 0.06 bps/Hz/Kullanıc

ı

2-3 x 0.02 bps/Hz

Hücre başına 10 kullanıcı durumunda Tüme

gönderim(Broadcast)

bant verimliliği 1 bps/hz Mevcut değil

Upl in k

maksimum iletim hızı 50 Mbit 5 x 11 Mbit 20 Mhz FDD ve 2x2 MIMO kullanıldığı durumda maksimum bant verimi 2.5 bps/Hz 2 bps/Hz

Ortalama hücre bant verimi

0.66 - 1 bps/Hz/hücre

2-3 x 0.33 bps/Hz

2x2 MIMO ve IRC alıcı kullanıldığı durumda Hücre kenarında bant

verimi

0.04 - 0.06 bps/Hz/Kullanıc

ı

2-3 x 0.01 bps/Hz

Hücre başına 10 kullanıcı durumunda

S ys te m

Kullanıcı düzlemi

gecikmesi 10 ms

Bağlantı kurulma

gecikmesi 100 ms

Çalışma Bantgenişliği 1.4 - 20 Mhz 5 Mhz 2.2 Tanımlanmış LTE Bantları

3GPP‟nin belirlediği LTE frekans bantları 17 Frekans Bölmeli Çoğullamalı (Frequency Division Duplex, TDD) ve 8 Zaman Bölmeli Çoğullamalı (Time Division Duplex, TDD) banttan oluşmaktadır. Çizelge 2.2‟de FDD ve Çizelge 2.2‟de TDD bantlar görülmektedir.

Bazı bantlar diğer teknolojiler tarafından kullanılmaktadır, LTE kendinden önceki teknolojilerle birlikte çalışabilecek şekildedir.

Çizelge 2.2 3GPP‟nin belirlediği FDD bant listesi[2]

Çalışma Bandı 3GPP adı Toplam Spektrum Yukarı link Aşağı link

Bant 1 2100 2x60 MHz 1920-1980 2110-2170

Bant 2 1900 2x60 MHz 1850-1910 1930-1990

Bant 3 1800 2x75 MHz 1710-1785 1805-1880

Bant 4 1700/2100 2x45 MHz 1710-1755 2110-2155

Bant 5 850 2x25 MHz 824-849 869-894

Bant 6 800 2x10 MHz 830-840 875-885

Bant 7 2600 2x70 MHz 2500-2570 2620-2690

Bant 8 900 2x35MHz 880-915 925-960

Bant 9 1700 2x35MHz 1750-1785 1845-1880

Bant 10 1700/2100 2x60 MHz 1710-1770 2110-2170

Bant 11 1500 2x25 MHz 1427.9-1452.9 1475.9-1500.9

Bant 12 US700 2x18 MHz 698-716 728-746

Bant 13 US700 2x10 MHz 777-787 746-756

Bant 14 US700 2x10 MHz 788-798 758-768

Bant 17 US700 2x10 MHz 714-716 734-746

Bant 18 Japan800 2x30 MHz 815-130 860-875

Bant 19 Japan800 2x30 MHz 830-845 875-890

Çizelge 2.3 3GPP‟nin belirlediği TDD bant listesi[2]

Çalışma Bandı 3GPP adı Yukarı link Aşağı link

Bant 33 UMTS TDD1 1x20 MHz 1900-1920

Bant 34 UMTS TDD2 1x15 MHz 2010-2025

Bant 35 US1900 UL 1x60 MHz 1850-1910

Bant 36 US1900 DL 1x60 MHz 1930-1990

Bant 37 US1900 1x20 MHz 1910-1930

Bant 38 2600 1x50 MHz 2570-2620

Bant 39 UMTS TDD 1x40 MHz 1880-1920

Bant 40 2300 1x50 MHz 2300-2400

2.3 LTE’de Uyarlanabilir Modülasyon ve Kodlama

LTE teknolojisinde kullanılan modülasyon türleri Dörtlü Faz Kaydırmalı Anahtarlama (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK), 16-QAM ve 64-QAM olarak tanımlanmıştır. İlk ikisini tüm LTE uyumlu cihazlar desteklerken, 64-QAM modülasyonunu sadece uyumlu cihazlar desteklemektedir.

Hücresel haberleşme sistemlerinde, kullanıcı cihazlarına gelen sinyal kalitesi, hücre içi servis veren baz istansyonu kanal kalitesine, diğer hücrelerden gelen girişim seviyesine ve ortamdaki gürültü seviyesine bağlıdır. Kullanılan iletim gücünü, sistem kapasitesi ve kapsamayı, en uygun şekilde tutmak için verici alınan sinyaldaki bilgi veri hızını her kullanıcı

için karşılaştırır. Bu işlemde Uyarlanabilir Modülasyon ve Kodlama (Adaptive Modulation and Coding, AMC) tekniğine dayanan link uydurmadır. Modülasyon planı ve kod hızından oluşmuştur.

 Modülasyon Planı: Düşük seviyeli modülasyonlar (QPSK gibi sembol başına birkaç bitten oluşan modülasyonlar) girişim etkilerine daha dayanıklı ve iyi bir iletim sağlarken düşük hızlı iletime sebep oluyor. Yüksek seviyeli modülasyonlar (64-QAM gibi sembol başına daha çok bitten oluşan modülasyonlar) yüksek hızlı iletimsağlarken girişim etkilerine dayanıksızdır. Bu nedenle sadece Sinyal Girişim ve Gürültü Oranının (Signal to Interference and Noise Ratio, SINR) belirli bir seviyede olduğu durumlarda kullanılabilir.

 Kod Hızı: Kullanılan modülasyonda veri hızı radyo link koşullarına göre seçilebilir. Kötü kanal koşullarında düşük veri hızları kullanılırken SINR‟ın yeterli seviyede olduğu durumlarda daha yüksek veri hızları kullanılır.

LTE aşağı link iletim için, baz istasyonu Modülasyon ve Kodlama Planını (Modulation and Coding Scheme, MCS) kullanıcı cihazı tarafından yukarı linke gönderilen Kanal Kalite Göstergesi (Channel Quality Indicator, CQI) geri beslemesine göre seçer. Kanal kalite göstergesi geri beslemesi, kullanıcı cihazı tarafından kanal tarafından sağlanabilecek veri hızlarını seçmek için bir belirteçtir. Bu belirteç sayesinde baz istasyonu QPSK, 16-QAM ve 64-QAM şeması arasından kod hızına göre seçim yapar.

LTE yukarı link iletimi için, link uyum işlemi aşağı linktekine benzerdir. MCS seçimi baz istasyonu kontrolü altındadır. Fakat baz istasyonu direkt olarak da kanal yukarı link veri hızlarını kanal seslendirmesi ile hesaplayabilir.

3GPP standartları tarafından desteklenen CQI değerleri ile birlikte modulasyon şeması ve kod hızları çizelge 2.4‟te verilmiştir.

Çizelge 2.4 LTE aşağı link CQI tablosu[12]

Modülasyon Kod Hızı (k/n)

1 QPSK 1/8

2 QPSK 1/5

3 QPSK 1/4

4 QPSK 1/3

5 QPSK 1/2

6 QPSK 2/3

7 QPSK 4/5

8 16-QAM 1/2

9 16-QAM 2/3

10 16-QAM 4/5

11 64-QAM 2/3

12 64-QAM 3/4

13 64-QAM 4/5

2.4 LTE’de Çoklu Erişim

LTE de çoklu erişim 3. Nesil sistemlerden biraz farklıdır. Aşağı link çoklu erişim Dikey Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) tekniğine dayanırken yukarı link çoklu erişim, Tek Taşıyıcılı Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA) tekniğine dayanır. Şekil 2.2‟de açıklayıcı bir şekilde anlatılmaktadır. Bununla birlikte LTE‟de çoklu anten iletimi, Çoklu Giriş Çoklu Çıkış (Multiple Input Multiple Output, MIMO), teknolojisi geliştirilmiştir.

Şekil 2.2 OFDM ve SC – FDMA zaman frekans düzlemi yerleşimi 2.4.1 Dikey Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (OFDMA)

Dikey frekans bölmeli çoklu erişim tekniğine göre, veri büyük bant genişlikli tek taşıyıcı yerine merkez frekansı etrafında daha küçük alt taşıyıcılara ayrılarak gönderilir. Her bir alt taşıyıcının istenen örnekleme anında komşu alt taşıyıcının sıfır değeri olmalıdır. Bu şekilde taşıyıcılar arasında dikeylik sağlanır. LTE‟de alt taşıyıcılar arası frekans farkı 15 kHz olarak seçilmiştir. Şekil 2.3‟te gösterilmiştir.

Şekil 2.3 OFDM sinyali

LTE aşağı linki daha ayrıntılı inceleyecek olursak, frekans domeninde tüm alt taşıyıcılar arasında 15 kHz fark bulunurken her bir OFDM sembolünde koruma zamanı olarak periyodik önek (Cyclic Prefix, CP) eklenmiştir. OFDM sembolünün devam süresi ise 1/∆f + periyodik önek olur. Bir kaynak bileşeni QPSK, 16-QAM, 64-QAM ile farklı sayıda bit taşır.

OFDM sembolleri kaynak blokları şeklinde gruplanmıştır. Bir kaynak bloğu baz istasyonu programında tanımlanan en küçük bant genişlikli birimdir. Bir kaynak bloğu frekans domeninde 12 alt taşıyıcı toplam 180 kHz, zaman domeninde ise 0.5 ms 7 OFDM sembolünden oluşur (normal periyodik önek kullanıldığı durumda). Her 1 ms iletim zaman aralığı (Transmission Time Interval, TTI) iki slottan oluşmaktadır. Şekil 2.4‟te ayrıntılı bir şekilde görülebilir. Her kullanıcı zaman-frekans domeninde birkaç kaynak bloğuna yerleşmiştir. Kullanıcı nekadar çok kaynak bloğuna yerleşirse kaynak bileşenlerinde o derece yüksek modülasyon olur bununla birlikte daha yüksek bit hızlarına ulaşılır.

Şekil 2.4 Zaman-frekans düzleminde OFDM sembollerinin yerleşimi[26]

Hangi bant genişliği seçilirse seçilsin kaynak bloklarının büyüklğü sabittir. Fakat kaynak bloklarının sayısı değişebilir. Çizelge 2.5‟ten farklı bant genişliklerinde kaynak blokları sayısını görülmektedir.

Çizelge 2.5 Bant genişliklerine karşılık kaynak bloğu sayısı[11]

Kanal Bant Genişliği

(MHz) 1.4 3 5 10 15 20

Kaynak bloğu

sayısı 6 15 25 50 75 100

Bir aşağı yönlü slot 6 veya 7 tane OFDM sembolü içerebilir. Bu sayı periyodik önekin normal periyodik önek veya genişletilmiş periyodik önek seçilmesi durumuna göre değişir.

Genişletilmiş periyodik önek radyo kanalının yayılım gecikmesi ile daha geniş hücreleri kapsayabilir. Periyodik önek uzunlukları Çizelge 2.6‟da görülmektedir.

Çizelge 2.6 Periyodik önek uzunlukları[12]

Kaynak Blok Genişliği

Sembol

sayısı Örnekler içinde periyodik önek uzunluğu

µs cinsinden periyodik önek

uzunluğu Normal periyodik

önek 12 7 ilk sembol için 160

diğer semboller için 144

ilk sembol için 5.2 µs diğer semboller için 4.7 µs Genişletilmiş

periyodik önek 12 6 512 16.7 µs

2.4.2 Tek Taşıyıcılı Frekans Bölmeli Çoklu Erişim (SC-FDMA)

Tek taşıyıcılı iletim verinin sadece tek bir taşıyıcı ile module edildiği anlamına gelir.

Taşıyıcının fazının veya gengiliğinin yada her ikisinin değiştirilmesi ile ayarlanır. Frekans bölmeli çoklu erişim tekniğine göre farklı kullanıcılar Şekil 2.5‟teki gibi farklı taşıyıcılar yada alt taşıyıcılar kullanır.

Şekil 2.5 FDMA yapısı[3]

Yukarı linkte tek taşıyıcılı frekans bölmeli çoklu erişim hem Frekans Bölmeli Çoğullama (Frequency Division Duplex, FDD) hem Zaman Bölmeli Çoğullama (Time Division Duplex, TDD) modlarında çalışabilmektedir. SC-FDMA‟nın temel formu QAM modulasyonuna benzerdir. Pratikte işaretleşme 180 kHz lik kaynak blokları üzerinden yapılmaktadır. Çalışma mantığı aşağı linktekine benzerdir.

Şekil 2.6 SC – FDMA çerçevesi[3]

SC-FDMA için baz istasyonu alıcısı kullanıcı cihazlarındaki OFDM vericisine göre çok daha karmaşıktır. Bunun sebebi ise alıcının karşı sembol girişimini sembol bloklarından sonra dağıtmasıdır, OFDM‟deki gibi her uzun sembolden sonra dağıtması gibi değildir. Bu da işlem gücüne ihtiyacı arttırır bununla birlikte SC-FDMA ile yukarı link mesafesi ve cihaz batarya ömründen kazanç sağlar.

2.5 LTE’de Çoklu Giriş Çoklu Çıkış (MIMO) Yapısı

Çoklu giriş çoklu çıkış sistem formu uzun vadeli evrimin troughputu ve spektral verimliliği arttıran önemli yeniliklerinden biridir. Bu sayede alıcı ve verici tarafında birden çok anten kullanmak mümkün olmaktadır. LTE aşağı linki için 2x2 MIMO (Alıcı tarafında iki anten, verici tarafında iki anten) sistemi temel alınarak tasarlanmıştır.

MIMO‟nun iki fonksyonel modu bulunmaktadır. Kullanılan moda göre farklı kazançlar elde edilmektedir. Uzaysal Çoğullama (Spatial Multiplexing) modu farklı veri katarının farklı uzaysal boyutlardan aynı kaynak blokları üzerinden gönderilmesi şeklinde yapılır buda veri hızını ve kapasiteyi arttırır. Diğeri ise İletim Çeşitliliği (Transmit Diversity) modudur.

Gönderilen sinyaldeki sönümlemenin ve çokyolluluğun etkilerini gidermek için aynı işaretin farklı antenlerden iletilmesi şeklinde yapılır.

Uzaysal çoğullama modunda veri katarları tek kullanıcıya yada birden çok farklı kullanıcıya gönderilebilir. Eğer tek kullanıcıya gönderiliyorsa SU-MIMO (Single User – Multi Input Multi Output), çok kullanıcıya gönderiliyorsa MU-MIMO (Multi User – Multi Input Multi Output), olarak adlandırılır. Şekil 2.7de daha ayrıntılı görülebilir. SU-MIMO tek kullanıcının veri hızını arttırır, MU-MIMO ise sistemin toplam kapasitesini arttırır.

Şekil 2.7 SU-MIMO ve MU-MIMO yapısı [17]

MIMO sisteminde iletim ilişkisini iletim kanal matrisi [H] ile tanımlayabiliriz. Katsayılar ise hij ile verici anten için j, alıcı anten için i alırsak alıcı ile verici arasındaki tüm mümkün olan yolları tanımlamış oluruz. Şekil 2.8‟de daha açık bir şekilde görülebilir.

Şekil 2.8 MIMO çalışma yapısı[17]

Alınan sinyal vektörü y, iletilen sinyal vektörü x, gürültü vektörü de n‟dir. Bu durumda MIMO sisteminin iletim yapısı Şekil 2.8‟deki gibi formülize edilebilir.

3. LTE ŞEBEKE MİMARİSİ

LTE önceki hücresel haberleşme sistemlerinden farklı olarak sadece paket anahtarlamalı şekilde geliştirilmiştir. Paket veri şebekesi ile kullanıcı cihazları arasındaki bağlantı İnternet Protokolü (Internet Protocol, IP) üzerinden sağlanır.

Bütün hücresel sistemlerde olduğu gibi LTE‟de çekirdek şebeke ve erişim şebekesinden oluşmaktadır. Çekirdek şebeke, Evrimleşmiş Paket Çekirdek Şebekesi (Evolved Packet Core, EPC) olarak adlandırılmışken, erişim şebekesi de Evrimleşmiş-UTRAN (Evolved-UTRAN) olarak adlandırılmıştır. LTE çekirdek şebeke ve erişim şebekelerinin ikisine birden ise Evrimleşmiş Paket Sistemi (Evolved Packet System, EPC) denmektedir. Şekil 3.1‟de 3. ve 4.

Nesil şebeke mimarileri görülmektedir. Arada bazı farklılıklar görülmektedir bu farklılkları daha yakından inceleyelim.[2][3]

Şekil 3.1 3. ve 4. nesil şebeke mimarileri 3.1 Çekirdek Şebeke

Çekirdek şebeke, taşıyıcıların sağlanması ve kullanıcı cihazlarının kontrolu başta olmak üzere LTE şebekesinin en önemli kısmıdır. Baz istasyonları ile diğer şebekeler (internet şebekesi, telefon şebekesi vb.) arasındaki bağlantıları yönetir ve sağlar. Şekil 3.1den de görüleceği gibi 3. ve 4. Nesil arasında ciddi farklılıklar vardır. 3. Nesildeki Servis GPRS Destek Düğümü (SGSN) ile Geçit GPRS Destek Düğümü (GGSN) 4. Nesildeki Gelişmiş Sistem Mimari Ağ Geçidi (SAE-GW) diğer adı ile erişim geçit santrali (aGW) içine birleştirilerek eklenmiştir.

Çekirdek şebeke Paket Veri Şebekesi Ağ Geçidi (Packet Data Network Gateway, PDN-GW),

Servis Sağlayıcı Ağ Geçit (Serving Gateway), Hareket Yönetim Aygıtı (Mobility Management Entity, MME), Davranış Kontrol ve Ücretlendirme Kuralları Fonksyonları (Policy Control and Charging Rules Function, PCRF), Abone Veritabanı Sunucusu (Home Subscriber Server, HSS) düğümlerinden oluşmaktadır. Bu yapıları daha yakından inceleyelim.

Şekil 3.2 LTE çekirdek şebekesi[2]

3.1.1 Gelişmiş Sistem Mimari Ağ Geçidi (SAE-GW)

Gelişmiş sistem mimarisi ağ geçidi elemanı fiziksel olarak tek cihaz olarak görülsede aslında paket veri şebekesi ağ geçidi (PDN-GW) ve servis sağlayıcı alt geçidi (S-GW) cihazlarının birleşmesinden oluşur. 3. Nesil sistemlerdeki GGSN ve SGSN‟nin tünel fonksyonlarının birleştirilmesi ile meydana gelmiştir. Böyle bir işlemin 3. Nesil sistemlere göre getirdiği üstünlük ise kullancı düzlemi ile kontrol düzlemini tamamen birbirinden ayırmasıdır.

SGSN‟nin bütün kontrol düzlemi görevleri MME cihazına aktarılmış ve tüm kullanıcı düzlemi görevleri GGSN ile birleştirilip SAE-GW cihazı oluşturulmuştur. Bu da şebekeye çok ciddi esneklik sağlamakta ve kontrol düzlemi trafiğinin kullanıcı düzlemi trafiği üzerindeki kısıtlayıcı etkisi tamamen kaldırılmıştır.

3.1.1.1 Paket Veri Şebekesi Ağ Geçidi (PDN-GW)

Paket veri şebekesi ağ geçidi, çekirdek şebeke ile diğer paket veri şebekeleri arasındaki kenar ağ geçididir. Sistemdeki en üst seviye hareket bağlantı elemanıdır. Kullanıcılar bir S-GW‟den başka bir S-GW servis alanına girdiğinde PDN-GW içinde anahtarlanması gerekir. Aynı zamanda kullanıcı cihazlarına IP adresini sağlayan elemandır. Kullanıcı cihazlarına paket veri şebekelerine (internet, vb.) bağlanmak istediklerinde PDN-GW üzerinde bulunan Dinamik

Sunucu Ayarları Protokolu (DHCP) tarafından IP adresleri atanır. IP versiyon 4 ve versiyon 6 uyumludur. Teknolojinin hızla ilerlemesinden dolayı IP versiyon 4‟ün gereksinimleri karşılayamadığı düşünüldüğünde sadece versiyon 6 kullanılacağı öngörülebilir.

Şekil 3.3 P-GW bağlantıları ve fonksiyonları[2]

3.1.1.2 Servis Sağlayan Ağ Geçidi (S-GW)

LTE mimarisinde S-GW‟nin en önemli görevi kullanıcı düzlemi (User Plane, UP) tünelleri kontrol ve anahtarlama işlemleridir. S-GW‟nin kullanıcı düzlemi arayüzlerinin tamamı GPRS tünelleme protokolü (GPRS Tunelling Protocol, GTP) tünellerine sahiptir. IP servis akışı ve GTP tünelleri arasındaki eşleşmeler PDN-GW‟de yapılır ve S-GW‟nin PCRF‟ye bağlı olmasına gerek yoktur. Bütün kontrol GTP tünellerine aittir, MME veya PDN-GW‟den gelir.

S5/S8 arayüzünde Vekil Gezgin IP (Proxy Mobile IP, PMIP) protokolü işlediği zaman S5/S8 arayüzündeki IP servis akışı ile S1-U arayüzündeki GTP tünelleri arasındaki eşleştirmeyi S-GW yapar, bu işlem sırasında eşleştirme bilgilerini almak için PCRF‟ye bağlanır. S-GW kontrol fonksyonları bazında çok az göreve sahiptir. Sadece kendi kaynaklarından ve kullanıcı için taşıyıcıların kurulması, düzenlenmesi ve tahsis edilmesi için MME, PDN-GW ve PCRF‟den gelen istekleri sağlar.

Baz istasyonları arasındaki hareketlilik sırasında S-GW yerel aktarmaların yönetilmesinde de rol oynar. Aktarma sırasında MME kullacı için oluşturulan tünelin bir baz istasyonundan

başka bir baz istasyonuna anahtarlanması için komut gönderir S-GW‟de aktarmayı sağlar.

Şekil 3.4 S-GW bağlantıları ve fonksiyonları[2]

3.1.2 Hareket Yönetim Aygıtı (MME)

Hareket yönetim aygıtı LTE çekirdek şebekesindeki temel kontrol elemanıdır. Genellikle operatörlerin yerleşkelerindeki güvenli bir alanda bulunan bir sunucudur. Sadece kontrol düzleminde çalışır, kullanıcı düzlemi veri yollarına karışmaz. MME‟nin temel görevleri şunlardır,

 Kimlik Doğrulama ve Güvenlik: Bir kullanıcı cihazı şebekeye ilk defa girdiği zaman önce MME kimlik doğrulamasını başlatır. Kalıcı kimlik bilgilerini önce bulunduğu şebekeden veya kullanıcı cihazının kendisinden ister ardından kalıcı kimlik bilgisi ile abone veritabanı sunucusundan kullanıcı bilgilerini içeren kimlik doğrulama vektörünü ister ve karşılaştırır. Doğrulama bu şekilde yapılmaktadır.

 Hareket Yönetimi: MME servis alanındaki bütün kullanıcı cihazlarının konumlarını saklar, servis alanına yeni bir kullanıcı cihazı girdiğinde ise cihaz için bir giriş yaratır ve HSS ve yeni cihazın bağlı bulunduğu şebeke ile haberleşir. Aktarma sırasında baz istasyonları ve S-GW‟ler arasındaki haberleşmeyide yönetir.

 Abone Profili ve Servis Bağlanabilirliği Kontrolü: Kullnıcı cihazlarına hangi paket veri şebekeleri bağlantılarının sağlanacağı abone profilinde mevcuttur. Aboneye tanımlanan

servisler bu şekilde belirlenir.

Şekil 3.5 MME bağlantıları ve fonksiyonları[2]

3.1.3 Davranış Kontrol ve Ücretlendirme Kuralları Fonksyonları (PCRF)

LTE mimarisindeki davranış kuralları ve ücretlendirme kurallarını barındıran çekirdek şebeke düğümüdür. Servis kalitesinin nasıl tutulacağı ile ilgili QoS sınırları içinde karar verir.

PDN-GW ve S-GW‟ye davranış kuralları ile ilgili bazı bilgileri sağlar. PCRF genellikle diğer çekirdek şebeke elemanları gibi operatörün anahtarlama merkezlerine yerleştirilmiş bir sunucudur.

Şekil 3.6 PCRF bağlantıları ve fonksiyonları[2]

3.1.4 Abone Veritabanı Sunucusu (HSS)

Abone veritabanı sunucusu bütün kullanıcıların kalıcı bilgilerinin depolandığı bir sunucudur.

Kullanıcıların dolaştıkları şebekenin kontrol düğümleri içerisinde kullanıcıların konumlarını kaydeder. Kullanıcı bilgilerini içeren abone profilinin ana kopyasını içerir.

3.2 Erişim Şebekesi

Önceki hücresel telsiz şebeke teknolojilerinden farklı olarak LTE erişim şebekesinde tek düğüm vardır. Bu da Evrimleşmiş Baz İstasyonu (E-NodeB) olarak adlandırılmaktadır. 3. ve 4. Nesil erişim şebekeleri arasında ciddi farklılıklar vardır. 3. Nesildeki Radyo Şebeke Denetçisi (RNC) 4. Nesilde baz istasyonu içine yerleştirilmiştir. Erişim şebekesindeki hava arayüzünün kullanımı da tamamen değişmiştir.

Şekil 3.7 LTE erişim şebekesi[2]

3.2.1 Evrimleşmiş Baz İstasyonu (eNodeB)

Sistemdeki bütün radyo fonksyonlarını yöneten birimdir. Fonksyonel olarak baz istasyonu kullanıcı cihazı ve çekirdek şebeke arasında ikinci seviye bir köprü görevi görmektedir. Baz istasyonu bir çok kullanıcı düzlemi fonksyonlarından ve radyo kaynakları yönetiminden sorumludur. Aynı zamanda hareketlilik yönetiminde de önemli rol oynar. Kullanıcı cihazlarının sinyal seviyelerini ölçerek gerek gördüğü yerlerde aktarma kararlarını verir.

Şekil 3.8 eNodeB bağlantıları ve fonksiyonları[2]

3.2.2 Kullanıcı Cihazı (UE)

Kullanıcı Cihazı (User Equipment, UE) sistemi tamamlayan diğer bir grup olarak değerlendirilir (ayrı bir başlık altında incelenmelidir fakat kısaca bahsetmek gerektiği için erişim şebekesi içinde değerlendirilmiştir). Kullanıcı cihazı Evrensel Abone Kimlik Modülü (Universal Subscriber Identity Modüle, U-SIM) ve Mobil Cihaz (Mobile Equipment, ME) birleşiminden oluşmaktadır. Mobil cihazı Uu arayüzü üzerinden, radyo haberleşmesi için kullanılan bir radyo terminalidir. U-SIM ise abonenin kimlik bilgilerini tutan, doğrulama algoritmasını gerçekleştiren, doğrulama ve şifreleme bilgilerini saklayan akıllı karttır.

4. LTE’DE KAPASİTE PLANLAMASI

Hücresel telsiz şebeke teknolojilerinin tümünde kapasite planlaması çok önemli bir yere sahiptir. Çünkü kapasite hesaplamaları ile mevcut yada kurulacak olan sistemin kaç aboneye hizmet vereceği bulunur, bu da hücre planlamada olmazsa olmaz parametrelerden biridir. Bu bölümde ilk olarak kapasite hesabında kullanılan Shannon kapasite eşitliğinden bahsedilmiş olup LTE için genişletilmiş Shannon kapasite eşitliği anlatılmıştır. Ardından LTE‟de bant verimliliği, SNR verimliliği ve MIMO kapasitesi kavramları anlatılarak hesaplanmıştır. Bu hesaplar sonucunda ise şebeke boyutlandırmasının nasıl yapılacağı anlatılmıştır.[6][8][9][22]

4.1 Shannon Kapasite Eşitliği

Shannon-Hartley teoremine göre, Shannon sınır kapasite formülü, eşitlik 4.1‟de verilmiştir, tanımlanan band içinde gürültü girişimine göre bit/s/Hz cinsinden hata serbest şekilde iletilebilecek maksimum sayısal verinin hesaplanmasında kullanılır.

Shannon sınır kapasite formülü tek başına LTE için radyo arayüzünden elde edilebilecek maksimum hızlarının hesaplanmasında kullanılamaz. Gerçek hızlar herzaman Shannon sınırından aşağıda olmak zorundadır. LTE‟de kapasiteyi hesaplarken geliştirilmiş Shannon kapasite formülü kullanılmaktadır. Aşağı link yönünde eşitlik 4.2, k. MIMO alt kanalının kapasitesini vermektedir. Aşağı link toplam kapasitesi ise tüm MIMO alt kanallarının toplanması ile elde edilir eşitlik 4.3‟te verilmektedir.

LTE yukarı link kapasitesi ise, yukarı linkte MIMO kullanılmadığı için biraz daha basit olup eşitlik 4‟teki gibidir.

İfadesinde Q = yatay sönümlemeli alt kanal sayısını

= değişik güç kazançlarına sahip alt kanalları (eigen değişkeni)

= (k,q)‟uncu alt kanal güç yerleşimini = sistem bant genişliği verimliliğini = sistem S/N verimliliğini

temsil eder.

4.2 SNR ve Hata Olasılıklarının Hesabı

Kapasitenin hesaplanabilmesi için LTE modellenirken, iletimin eklenenir beyaz Gauss gürültülü (AWGN) kanal üzerinden iki taraflı spektral gürültü güç yoğunluğu N0/2 ve mükemmel kanal durum bilgileri (Channel State Information, CSI) ile yapıldığı varsayılmıştır.

Kaynak bit hızı, Rb, kullanılan modülasyon türündeki sinyal sayısının, M, ve peryodunun, T, bir eşitliğidir.

(4.5) Modülatör tarafından sinyal başına verilen ortalama güç, S, ise,

Bw bant genişliğini, N0 gürültü güç yoğunluğunu temsil etmektedir.

Haberleşmede kullanılan modülasyon performansı sembol hata olasılıkları, P(e), ile tanımlanmış, farklı sembol sayısına, M, sahip modülasyon türleri arasında karşılaştırma yapabilmek için bit hata olasılıkları, Pb(e) ve bit hata oranı, BER, hesaplanmıştır.

Modülasyon performansını değerlendirmede üç önemli parametre olan bit hata olasılığı, Pb(e), bit enerjisinin gürültü güç yoğunluğuna oranı / N0 ve bant verimliliği Rb/Bw

incelenmiştir. Bu parametrelerin ilki iletim güvenilirliğini, ikincisi güç harcamasına bağlı verimliliği ve üçüncüsü de modülasyonun frekans bandının verimli kullanılmasının göstergesidir.[5]

LTE‟de kullanılan modülasyon türleri QPSK (M=4),, 16-QAM (M=16) ve 64-QAM‟dir (M=64). Verilen modülasyon türlerinin hata olasılık fonksiyonu, P(e), ise [10]

(4.8)

Maksimum bit hata oranı seviyesi (BER target, Pb,target) belirlemek için, eşitlik 4.7 ve 4.8‟i birleştirilirse SNR‟ın bir fonksyonu olarak spektral verimlik, Rb/B , bulunur.

4.3 Bant Verimliliği Hesabı

Burada anlatılan bant verimliliği radyo arayüzünde iletilen ve alınan LTE çerçevelerinin içindeki Payload diye adlandırılan kullanıcı verilerinin çerçevenin tamamına oranıdır. Bu oranı hesaplayabilmek için bir LTE çerçevesindeki tüm başlıkların ne kadar yer kapladığını bilmek gereklidir.

4.3.1 Yan Kanal Sızıntı Oranı (ACLR) Başlıkları

Yan kanal sızıntı oranı (Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR) genişbantlı şebekelerde verici performansının bir ölçüsüdür. İletilen gücün, alıcı filtreden sonra kalan güç içindeki komşu kanal gücüne oranı olarak tamınlanır. Eşitlik 4.10‟da ifadesi verilmiştir.

(4.10)

aşağı link veri alt taşıyıcı sayısını, alt taşıyıcı bant genişliğini ve B iletim bant genişliğini temsil eder. LTE için sabit sistem parametresi olup 15KHz‟dir. B ise daha önce bahsedildiği gibi LTE çalışma bant genişliğidir.

4.3.2 OFDM Sembol Yapısı ve Periyodik Önek Başlıkları

Şekil 1.4‟te bir OFDM sembolünün yapısı görülmektedir. OFDM sembolünün toplam uzunluğu T_cp ve T_u‟nun toplamıdır. O halde periyodik önekin toplam sembol süresine oranı,

Şekil 4.1 OFDM sembol yapısı

şeklinde hesaplanır. Tslot bir OFDM sembolünün zaman dilimidir ve sabit LTE sistem

parametresi olup değeri 0.5ms‟dir. ise Tu=1/ 66.7 µs olarak bulunur.

değeri ise tablo 2.2‟den bakılarak görülebilir. Normal periyodik önek için , genişletilmiş periyodik önek için olarak hesaplanır. Bu sesaplar aşağı link ve yukarı link için geçerlidir.

4.3.3 Referans Sinyal Başlıkları

Şekil 4.2‟de görüldüğü gibi referans sembolleri OFDM ve SC-FDMA sinyallerinin içine sinyaller birbirine karışıp girişim yaratmasın diye eklenmiştir. Sinyal içerisindeki referans sembollerin yoğunluğu MIMO konfigurasyonundaki verici, Tx,anten sayısına bağlıdır. Şekil 4.2‟de 1, 2 ve 4 verici anten bulunması durumundaki referans sinyal yapısı verilmiştir.

Şekil 4.2 Aşağı link normal periyodik önekli referans sinyal yapısı[11]

Referans sinyallerinin aşağı link için neden olduğu bant verimliliği, , ifadesi r tane Tx verici anten sayısına bağlı olarak eşitlik 4.12‟de verilmiştir.

kaynak bloğu başına alt taşıyıcı sayısı olup 12‟dir. ise aşağı link alt taşıyıcı başına OFDM sembol sayısı olup 7‟dir.

Yukarı linkte ise MIMO kullanılmadığı için referans yapısı aşağı linke göre daha basit olup şekil 4.3‟te gösterilmiştir.

Şekil 4.3 Yukarı link normal periyodik önekli referans sinyal yapısı[8]

Yukarı link referans sinyallerinin neden olduğu bant verimliliği ifadesi eşitlik 4.13‟teki gibidir.

yukarı link alt taşıyıcı başına SC-FDMA sembol sayısı olup 7‟dir.

4.3.4 Senkronizasyon Sinyal Başlıkları

LTE‟de Birincil Senkronizasyon Sinyali (Primary Synchronization Signal, PSS) ve İkincil Senkronizasyon Sinyali (Secondary Synchronization Signal, SSS) olmak üzere hem FDD modda hem TDD modda iki çeşit senkronizasyon prosedürü vardır. Şekil 4.4 ve şekil 4.5‟te gösterilmiştir.

Şekil 4.4 FDD modunda PSS-SSS çerçeve ve zaman dilimi yapısı[3]

Şekil 4.5 TDD modunda PSS-SSS çerçeve ve zaman dilimi yapısı[3]

Frekans ve zaman düzleminde PSS ve SSS alt taşıyıcılarının yerleşimi ise şekil 4.6‟da verilmiştir.

Şekil 4.6 Zaman-frekans düzleminde PSS ve SSS yerleşimi[3]

Şekil 4.6‟ya bakarak 10 ms‟lik FDD ve TDD radyo çerçevelerinin ikisindede dört tane OFDM senkronizasyon sinyali vardır. Merkezdeki 6 kaynak bloğunda iletilen senkronizasyon

sinyalleri sistem bandının stabil kalmasını sağlar. Kullanılan senkronizasyon başlıkları ve kullanılmayan kaynak elementlerinin (Resource Element, RE) oluşturduğu bant verimliliği katsayısı, , ifadesi eşitlik 4.14‟te verilmiştir.

4.3.5 Fiziksel Yayın Kanalı (PBCH) Başlıkları

Fiziksel Yayın Kanalı (Phsicaly Broadcast Channel, PBCH) temel bilgi bloklarının ve sistem bilgilerinin tüm şebekeye yayınlandığı kanaldır.

PBCH başlık bitleri ilk dört OFDM sembolünün ikinci zaman dilimi içerisindeki 0. alt taşıyıcı ve 72 merkez alttaşıyıcısı üzerinden iletilir. PBCH bant verimliliği, , ifadesi ise eşitlik 4.15‟te verilmiştir.

Şekil 4.7 PBCH yapısı

n kullanılan bant genişliği içerisindeki kaynak bloğu sayısıdır.

4.3.6 Rastlantısal Erişim Başlıkları

İletilen çerçeve üzerindeki her veri grubunun önünde eşzamanlama amacıyla yer alan karakter dizisidir. Zaman frekans kaynağında iletilen rastlantısal erişim başlıkları Fiziksel Rastlantısal Erişim Kanalı (Physicaly Random Access Channel, PRACH) olarak bilinir. Zaman frekans düzlemindeki yerleşimi şekil 4.8‟deki gibidir.

Şekil 4.8 Rastlantısal erişim iletimi[8]

Frekans düzleminde rastlantısal erişim başlıkları 6 kaynak bloğu bant genişliğine sahiptir (1.08MHz). Bu da teorik olarak LTE‟nin çalışabileceği en küçük bant genişliğini tanımlar.

Daha büyük bant genişliklerinde spektrum yerleşimi için rastlantısal erişim başlıkları kapasitesi arttırılır. PRACH başlıkları bant verimliliği, , çalışma bant genişliğine bağlıdır.

4.3.7 L1/L2 Katmanı Kontrol Sinyali Başlıkları

Aşağı ve yukarı link taşıma kanalları ile iletimi sağlayabilmek için aşağı ve yukarı link sinyalleşme kanallarına ihtiyaç vardır. Kontrol sinyalleşmesi büyük çoğunlukla fiziksel katman ve MAC katmanı sinyallerinin bir parçasıdır.

Aşağı link yönünde kontrol sinyali başlıkları Aşağı link Paylaşımlı Kanal (Downlink Shared Channel, DL-SCH) gibi aşağı link iletim kanallarından sorumludur. Aşağı link L1/L2 kontrol sinyalleri 1ms‟lik OFDM alt çerçevelerinin ilk bölümlerinde gönderilir ve 1ms‟lik alt çerçevenin 3 OFDM sembolü ile taşınır. Aşağı link L1/L2 kontrol sinyalleşmesi bant verimliliği ise eşitlik 4.17‟de ki gibidir.

kaynak bloğu başına taşıyıcı sayısını temsil eder değeri 12‟dir. alt taşıyıcı başına OFDM sembol sayısını temsil eder ve değeri 7‟dir. Son olarak r ise Tx anten sayısını temsil eder.

Yukarı link yönündeki L1/L2 kontrol sinyalleşme başlıkları Fiziksel Yukarı Link Paylaşımlı Kanalı (Physical Uplink Shared Channel, PUSCH) ve Fiziksel Yukarı Link Kontrol Kanalı (Physical Uplink Control Channel, PUCCH) ile ilgilidir.

Şekil 4.9 Yukarı link L1/L2 kontrol sinyalleşmesi kaynak yapısı[8]

Şekil 4.9‟dan de anlaşılacağı gibi L1/L2 kontrol sinyalleşmesi alt çerçevenin birinci zaman dilimi içindeki spektrumun üst kısmındaki ve eşit büyüklükte ikinci zaman dilimi içerisindeki spektrumun alt kısmındaki 12 alt taşıyıcıdan oluşmaktadır. Neden olduğu bant verimliliği şu şekilde hesaplanır,

n kullanılan bant genişliğine ait kaynak bloğu sayısıdır.

4.3.8 Bant Verimliliğinin hesaplanması

4.3.1 den 4.3.7‟ye kadar anlatılan tüm başlık bilgilerinin hesaplanması ile radyo arayüzü içerisindeki toplam verinin oranını bulabiliriz. Link seviyesi ve sistem seviyesi şeklinde hem aşağı hem yukarı link için bant verimliliği ifadeleri eşitlik 4.19-22‟deki gibi olur.

aşağı linkte link seviyesinde bant verimliliğini, aşağı linkte sistem seviyesinde bant verimliliğini, yukarı linkte link seviyesinde bant verimliliğini,

yukarı linkte sistem seviyesinde bant verimliliğini temsil eder.

20 MHz‟lik bant genişliği ve normal periyodik önek (Cyclic Prefix, CP) kullanılması durumunda aşağı ve yukarı link bant verimliliği sonuçları çizelge 4.1 ve çizelge 4.2‟de verilmiştir.

Çizelge 4.1 20 MHz için aşağı link bant verimliliği katsayıları

Bant Verimliliği Verici Anten Sayısı

1 2 3 4

0.8992

0.9338

0.9524 0.9048 0.8810 0.8571

0.9983

0.9983

0.7831 0.7805 0.7778 0.7550

0.7997 0.7597 0.7398 0.7198

0.6242 0.5909 0.5734 0.5559

Çizelge 4.2 20 MHz için yukarı link bant verimliliği katsayıları

Bant Verimliliği Sonuç

0.9338

0.8571

0.9940

0.99

0.8004

0.7876

4.4 SNR Verimliliği Hesabı

SNR verimliliği hesabı ile bulunmak istenen sonuç, SNR değerlerine karşılık spektral verimlilik, saniyede iletilen bit sayısı cinsinden, değerleridir. Bu değerler hücre planlamada önemli rol oynar, çünkü hücre içindeki abonelerin hedeflenen hızlarda haberleşebilmesi için gerekli SNR değerlerine karşılık gelir.

Kullanılan modülasyon türüne göre SNR verimliliği performansı, kod kazancı GMCS, kod hızı k/n, sembol başına bit sayısı olan M ve eşitlik 4.9‟da tanımlanan hata olasılık fonksiyonundan elde edilir.

Bölüm 2.3‟te verilen LTE aşağı link CQI parametreleri ve hedeflenen bit hata oranı, BER, 10^-3 için eşitlik 23 matlab yardımı ile hesaplanıp SNR verimliliği sonuçları şekil 4.10‟da verilmiştir.

Şekil 4.10 SNR verimliliği

Şekil 4.10‟da bulduğumuz SNR verimliliği grafiğinden eşitlik 4.24‟te verilen logaritmik bir ifade bulmak gerekir. Bu ifadeyi bulabilmek için öncelikle Shannon sınırını almadan grafiğin tepe değerlerini alarak şekil 4.11‟deki SNR verimliklerinin max değerleri grafiğini çizdirilir.

Ardından Matlab‟ın eğri uydurma araçları (Curve Fitting Toolbox, cftool) yardımı ile eğri uydurulur. Uydurulan bu eğriden değeri hesaplanır.

Şekil 4.11 SNR verimliliği

Aşağı link için, 20 MHz bant genişliği ve normal periyodik önek kullanılması durumunda, anten sayısına bağlı olarak bant verimliliği ve SNR verimliliği katsayıları çizelge 4.3‟teki gibi hesaplanmıştır.

Çizelge 4.3 SNR ve bant verimlilikleri katsayıları

Verici Anten Sayısı İlinti Katsayısı

1 0.7997 0.8992 0.9834

2 0.7597 1.0480 0.9855

3 0.7398 1.1360 0.9860

4 0.7198 1.2360 0.9861

4.5 MIMO Kapasitesi

Şekil 4.10‟da çizdirilmiş olan SNR verimliliği grafiği 1x1 SISO (tek girişli tek çıkışlı) anten yapısına göre hesaplanmıştır. MIMO kanal kapasitesi ise, nt verici nr alıcı anten yapısı ve Rayleigh sönümlü kanalları ile modellenip paralel kanallardaki güçler water-filling algoritması ile hesaplanarak şekil 4.12‟de çizdirilmiştir. Bu koşullar altında MIMO, 2x2 anten yapısı ile %70, 2x3 ve 3x2 anten yapısı ile %100, 4x4 anten yapısı ile %205 oranında kazanç

sağlamaktadır. [9]

Şekil 4.12 MIMO kapasitesi 4.6 Şebeke Boyutlandırması

Hücre planlamada önemli parametrelerden biriside kurulan baz istasyonunun kaç aboneye hizmet vereceğidir, bu da şebeke boyutlandırması ile bulunur. Trafik bazlı boyutlandırma ve veri hızı bazlı boyutlandırma olmak üzere LTE‟de iki çeşit boyutlandırma türü vardır, şekil 4.13‟te nasıl olduğu gösterilmiştir. Trafik bazlı boyutlandırmada önceki bölümlerdeki hesaplamalarla baz istasyonu kapasitesi Mbps cinsinden hesaplanır ardından baz istasyonunun aylık taşıdığı ortalama veri miktarı Gbayt cinsinden bulunur ve bir kullanıcının ortalama aylık Gbayt kullanım miktarına bölünmesi ile toplam abone sayısı bulunur. Veri bazlı boyutlandırmada ise hesaplanan baz istasyonu veri hızı, istenen kullanıcı veri hızına bölünerek abone sayısı hesaplanır. Burada önemli bir parametre ise aşırı yüklenme faktörüdür.

Aşırı yüklenme faktörü, istenilen kullanıcı veri hızının şebeke yüklendiğinde kullanıcılara sağlanacak minimum veri hızına oranıdır. Şekil 4.13‟teki örneğe bakacak olursak istenilen kullanıcı veri hızı 1 Mbps, yoğun saatlerdeki ortalama kullanıcı veri hızı ise 50 Kbps verilmiş bu durumda aşırı yüklenme faktörü 1Mps/50Kbps = 20 olur.

Şekil 4.13 Trafik ve veri hızı bazlı boyutlandırma[2]

3GPP‟nin LTE için tanımladığı 5 farklı kategori kullanıcı cihazı mevcuttur. Şebeke boyutlandırması yapılırken hücre içinde hangi kategoriden kullanıcı cihazlarının haberleşeceği de önemli bir parametredir. Eğer kategori 1‟e göre boyutlandırma yapılırsa kullanıcı cihazının daha üst bir kategoriden olması cihazın veri hızını etkilemeyecektir.

Çizelge 4.4 Kullanıcı cihazları kategorileri[27]

Kategori 1 Kategori 2 Kategori 3 Kategori 4 Kategori 5 Aşağı link pik hızı

(yaklaşık) 10 Mbps 50 Mbps 100 Mbps 150 Mbps 300 Mbps Yukarı link pik hızı

(yaklaşık) 5 Mbps 25 Mbps 50 Mbps 50 Mbps 75 Mbps

TTI süresince alınan

maksimum bit sayısı 10296 51025 102048 149776 299522

TTI süresince iletilen

maksimum bit sayısı 5160 25456 51024 51024 75376

Bant Genişliği 20 MHz 20 MHz 20 MHz 20 MHz 20 MHz

Aşağı link modülasyonu 64 QAM 64 QAM 64 QAM 64 QAM 64 QAM Yukarı link modülasyonu 16 QAM 16 QAM 16 QAM 16 QAM 16 QAM

Alıcı anten çeşitliliği Var Var Var Var Var

Baz istasyonu anten

çeşitliliği 1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx 1-4 tx

MIMO aşağı link Opsyonel 2 x 2 2 x 2 2 x 2 4 x 4