Alcatel-Lucent: Główne wyzwania w realizacji sieci mobilnych z metrokomórkami

Obecnie jesteśmy świadkami wzrostu transmisji danych w sieciach mobilnych na niespotykaną dotąd skalę. Według obliczeń Alcatel-Lucent Bell Labs do 2016 roku ilość tych danych wzrośnie 25-krotnie. Powszechnie wiadomo, że tradycyjne rozwiązania bazujące jedynie na makrokomórkach nie są w stanie długofalowo zapewnić wymaganej przepustowości (zarówno z przyczyn ekonomicznych, jak i praktycznych). Powodem jest ograniczone pasmo radiowe, wyczerpujące się możliwości usprawniania transmisji wraz ze zbliżaniem się do teoretycznych limitów określonych przez Claude'a Shannona oraz ograniczenia prawne i ekonomiczne w rozmieszczaniu makrokomórek wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba zwiększenia przepustowości. Rozwiązaniem zapewniającym duże przepustowości jest raczej skuteczny podział pasma częstotliwości radiowych na mniejsze „sektory” lub obszary pokrycia. Taki podział można przeprowadzić na wiele sposobów: od rozmieszczenia aktywnych układów anten (AAA), po zastosowanie małych komórek. W tym drugim przypadku jedno z głównych rozwiązań stanowi „zagęszczenie” instalacji sieci mobilnej za pomocą komórek typu „metro” – niewielkich stacji bazowych, należących do operatorów sieci i przez nich zarządzanych, które umożliwiają tworzenie heterogenicznych sieci radiowych (HetNet).

Metrokomórki – kluczowy element każdej sieci heterogenicznej, to rozwiązanie atrakcyjne dla OSM z wielu powodów. Umożliwiają one ekonomiczne zwiększanie przepustowości w strategicznych obszarach o dużym natężeniu ruchu, co przekłada się na lepsze postrzeganie jakości usług przez klientów. Ponadto pozwalają rozszerzyć zasięg sieci do wnętrz budynków, co stanowi często problem dla rozwiązań opartych wyłącznie na makrokomórkach (zob. ilustracja 1).

Ilustracja 1. Metrokomórki zapewniają przepustowość i zasięg radiowy dokładnie tam, gdzie jest potrzebny

Operatorzy mają jednak wiele wątpliwości związanych z rozmieszczaniem stacji bazowych typu „metro”, zarówno w istniejących sieciach 3G, jak i w sieciach LTE, stawiając pytania takie, jak:

Ponadto, duże wdrożenia metrokomórek niosą ze sobą szereg problemów, które trzeba rozwiązać, aby utrzymać koszty na niskim poziomie.

DLACZEGO WARTO STOSOWAĆ METROKOMÓRKI ?

Metrokomórki  – małe stacje bazowe umieszczane przez operatorów w miejscach publicznych lub ogólnodostępnych, to odpowiedź na potrzebę zwiększenia przepustowości po niższych kosztach, dokładnie w obszarze zapotrzebowania. Ich wdrożenie przyczynia się zarazem do poprawy jakości oferowanych usług.

Metrokomórki, ze względu na małe wymiary i niskie zużycie energii, zapewniają niższy całkowity koszt użytkowania (TCO) niż rozwiązanie oparte wyłącznie na makrokomórkach. W celu oszacowania oszczędności oferowanych przez metrokomórki, w Alcatel-Lucent Bell Labs porównano koszty TCO dla dwóch przypadków: rozwiązania opartego wyłącznie na makrokomórkach oraz rozwiązania łączącego makro- i metrokomórki, w wariantach z wczesnym wdrożeniem LTE oraz bez niego. Wyniki uzyskane przez Bell Labs pokazały, że rozwiązanie łączące makro- i metrokomórki W-CDMA daje około 38% oszczędności na całkowitych kosztach użytkowania w porównaniu z rozwiązaniem opartym wyłącznie na makrokomórkach W-CDMA (zob. wykres 2). W przypadku LTE, gdy makrokomórki LTE są rozmieszczane wraz z metrokomórkami W-CDMA i LTE, koszty TCO w okresie pięciu lat są o 45% niższe w porównaniu do zastosowania wyłącznie makrokomórek WCDMA (zob. wykres 3).

Wykres 2. TCO w okresie pięciu lat dla makrokomórek W-CDMA oraz makrokomórek W-CDMA, uzupełnionych metrokomórkami W-CDMA

Wykres 3. TCO w okresie pięciu lat dla makrokomórek W-CDMA oraz makrokomórek LTE uzupełnionych o metrokomórki W-CDMA i LTE.

KIEDY WDRAŻAĆ MAKROKOMÓRKI ?

Najlepszy czas na wdrażanie metrokomórek zależy od tego, czy mają one rozwiązać kwestię przepustowości, czy zasięgu.

Jako rozwiązanie dla przepustowości, metrokomórki rozmieszczane są zazwyczaj w miejscach o wysokim natężeniu danych ruchu. W ten sposób odciąża się przeładowane stacje bazowe typu „makro”. Z badań przeprowadzonych przez Alcatel Lucent Bell Labs wraz z z wiodącym operatorem sieci W-CDMA w Europie wynika, że około 2% wszystkich makrokomórek W-CDMA jest już przepełnionych. Dlatego operator posiadający sieć o dużej gęstości komórek, który planuje wprowadzić technikę LTE na późniejszym etapie, już obecnie skorzystałby z wdrożenia metrokomórek W-CDMA, odciążając istniejącą sieć. Jeśli natomiast technika LTE ma zostać wdrożona szybko, operator może rozpocząć rozmieszczanie metrokomórek od razu, ale raczej wybiórczo, by w 2013 lub 2014 r., gdy lokalizacje makrokomórek zaczną się przepełniać, zwiększyć intensywność tego procesu. Z drugiej strony, metrokomórki LTE powinny zostać uwzględnione w projektach sieci LTE od samego początku, szczególnie w strefach o wysokim natężeniu ruchu, w których można oczekiwać przepełnienia zasobów już w krótkim czasie po uruchomieniu usługi.

Jako rozwiązanie dla zwiększenia zasięgu, metrokomórki umieszczane są zazwyczaj na obszarach o słabym zasięgu makrokomórek lub przy jego braku. Są to zarówno lokalizacje wewnątrzbudynkowe, jak i zewnętrzne, takie jak obrzeża zasięgu komórek podmiejskich czy niewielkie miejscowości na obszarach wiejskich. Uzupełnienie takich luk w zasięgu jest bardzo kosztowne przy zastosowaniu konwencjonalnych stacji bazowych typu „makro”. Nie należy zatem zwlekać z rozmieszczeniem metrokomórek W-CDMA – rozwiązują one zarówno problem braku pokrycia radiowego, jak i ekonomicznego zwiększenia jakości oferowanych usług.

GDZIE STOSOWAĆ METROKOMÓRKI ?

Metrokomórki są stosowane w obszarach miejskich o dużym natężeniu ruchu, do zwiększenia pokrycia radiowego wewnątrz budynków oraz zwiększenia zasięgu i przepustowości sieci na obszarach wiejskich.

Jako rozwiązanie zwiększające przepustowość w obszarach miejskich o dużym zapotrzebowaniu na usługi, metrokomórki rozmieszczane są zwykle w wybranych lokalizacjach, takich jak centra miast, stacje kolejowe lub centra handlowe. W przypadku zwiększania zasięgu sieci w budynkach, typowe lokalizacje metrokomórek to centra konferencyjne, lobby hoteli lub biurowce. Metrokomórki stosuje się wszędzie tam, gdzie chcemy umożliwić dostęp do usług głosowych i pakietowej transmisji danych o wysokiej jakości, a obecnie nie ma tam zasięgu makrokomórek lub jest on bardzo słaby. Dotyczy to tak samo obszarów wiejskich, gdzie metrokomórki umieszczane są we wsiach i innych rejonach, zapewniając dostęp do usług.

Podsumowując, metrokomórki mogą być rozmieszczane tam, gdzie zapewniają koszty TCO niższe od pozostałych metod rozszerzania zasięgu w budynkach i na zewnątrz.

PASMO DEDYKOWANE CZY WSPÓŁDZIELONE?

Na zwrot inwestycji w sieć metrokomórek wpływa stopień odciążenia przez nie istniejących stacji bazowych, co z kolei zależy od pasma częstotliwości przydzielonego dla warstwy metrokomórek. Stacje bazowe typu „metro” mogą być uruchomione w dedykowanym paśmie częstotliwości lub współdzielić je z warstwą makokomórek  (zob. ilustracja 4).

Ilustracja 4. Obszar zasięgu metrokomórek w wariancie z pasmem dedykowanym i współdzielonym.

W przypadku pasma dedykowanego, operator rezerwuje je na wyłączny użytek metrokomórek w obszarach, gdzie wymagana jest dodatkowa przepustowość. Na wszystkich pozostałych obszarach makrokomórki mogą wykorzystywać ten sam zakres częstotliwości. W przypadku pasma współdzielonego, metrokomórki wykorzystują jeden z zakresów przypisanych już do warstwy makrokomórek. Pokrycie radiowe oraz wydajność odciążania sieci przez metrokomórki przy wykorzystaniu współdzielonego pasma są jednak niższe niż w przypadku częstotliwości dedykowanych. Ponadto, przy tym rodzaju rozmieszczenia nie można umieszczać metrokomórek zbyt blisko stacji bazowych „makro” o dużej mocy. Symulacje przeprowadzane przez Alcatel Lucent Bell Labs mogą stanowić cenną pomoc w wyborze odpowiedniego rozwiązania.

ROZWIĄZYWANIE PROBLEMÓW ZWIĄZANYCH Z WDRAŻANIEM METROKOMÓREK

Metrokmórki pokrywają swoim zasięgiem znacznie mniejsze obszary niż makrokomórki i z tego powodu trzeba je rozmieszczać w większych ilościach, w niestandardowych lokalizacjach, w tym na poziomie ulicy. Z uwagi na te różnice proces rozmieszczania metrokomórek rodzi szereg wyzwań, z którymi operatorzy sieci mobilnych muszą się zmierzyć, aby przeprowadzić go zarówno szybko, jak i oszczędnie. Główne wyzwania obejmują wybór i pozyskanie lokalizacji dla stacji bazowych oraz przyłączenie stacji do sieci transportowej (backhaul network).

Proces wyboru lokalizacji dla stacji bazowych jest dobrze znany operatorom sieci. Należy jednak zauważyć, że dotychczasowe modele i narzędzia wykorzystywane do planowania i projektowania sieci makrokomórek nie sprawdzają się w przypadku rozmieszczania stacji bazowych typu „metro”. Dzieje się tak, ponieważ metrokomórki odpowiadają za zasięg oraz przepustowość na znacznie mniejszych obszarach lub w „hot-spotach” leżących wewnątrz większych makrokomórek. Dla optymalnego rozmieszczenia metrokomórek niezbędne jest zatem opracowanie i zastosowanie nowych modeli, narzędzi i metod.

Operatorzy wiedzą, jak pozyskiwać lokalizacje dla makrokomórek. Wielu z nich ma także wieloletnie kontakty z przedsiębiorstwami zajmującymi się masztami przesyłowymi. Metrokomórek nie umieszcza się jednak na masztach ani dachach budynków lecz raczej montuje się je w znacznych ilościach w niestandardowych miejscach, jak np. na latarniach, słupach energetycznych oraz na zewnętrznych i wewnętrznych ścianach budynków. W celu szybkiego, a przy tym oszczędnego rozmieszczenia metrokomórek, operator musi znaleźć wiele dogodnych lokalizacji z niskimi kosztami wynajmu, łatwym dostępem do zasilania oraz infrastruktury sieci transportowej. Budowanie kontaktów z władzami miejskimi, zakładami użyteczności publicznej i innymi przedsiębiorstwami, które są właścicielami infrastruktury odpowiedniej dla instalacji metrokomórek lub mają do niej dostęp, jest skuteczną metodą osiągania ww. celów (zob. ilustracja 5)

Ilustracja 5. Warunkiem optymalnego pozyskania lokalizacji jest bogata sieć partnerów