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Interference Management in UMTS Femtocells.pdf

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FF UMTS_Interference_Managementx.pdf
FF_WG2_UMTS_Interference_Management_White_Paper_v0.pdf
www.femtoforum.org Interference Management in UMTS Femtocells Published by the Femto Forum December 2008
What is the Femto Forum? The Femto Forum is the only organisation devoted to promoting femtocell technology worldwide. It is a not-for-profit membership organisation, with membership open to providers of femtocell technology and to operators with spectrum licences for providing mobile services. The Forum is international, representing around 100 members from three continents and all parts of the femtocell industry, including: l Major operators l Major infrastructure vendors l Specialist femtocell vendors l Vendors of components, subsystems, silicon and software necessary to create femtocells The Femto Forum has three main aims: l To promote adoption of femtocells by making available information to the industry and the general public; l To promote the rapid creation of appropriate open standards and interoperability for femtocells; l To encourage the development of an active ecosystem of femtocell providers to deliver ongoing innovation of commercially and technically efficient solutions. The Femto Forum is technology agnostic and independent. It is not a standards-setting body, but works with standards organisations and regulators worldwide to provide an aggregated view of the femtocell market. A full current list of Femto Forum members and further information is available at www.femtoforum.org Interference Management in UMTS Femtocells is published by the Femto Forum © December 2008. All rights reserved. telephone +44 (0)845 644 5823 • fax +44 (0)845 644 5824 • email info@femtoforum.org • PO Box 23 GL11 5WA UK www.femtoforum.org
  Contents  1 2 3 4 5 6 7 8 Executive Summary ............................................................................................................................. 5 Femtocells, Femtocell Access Points and the Femto Forum ............................................................... 7 2.1 What are Femtocell Access Points? ................................................................................................. 7 2.2 What Do Femtocells Offer? ............................................................................................................. 8 2.3 What is the Femto Forum? .............................................................................................................. 9 Introduction ....................................................................................................................................... 10 3.1 Objectives and Methods of this Paper .......................................................................................... 10 Previous Work ................................................................................................................................... 12 Simulation Scenarios and Definitions ................................................................................................ 14 Abbreviations and Defined Terms ..................................................................................................... 18 Scenario A: Macrocell Downlink Interference to the Femtocell UE Receiver ................................... 19 7.1 Description .................................................................................................................................... 19 7.2 Analysis .......................................................................................................................................... 19 7.3 Extended scenario ......................................................................................................................... 24 7.4 Microcell coverage ........................................................................................................................ 26 7.5 Conclusions .................................................................................................................................... 29 Scenario B: Macrocell Uplink Interference to the Femtocell Receiver ............................................. 31 8.1 Description .................................................................................................................................... 31 8.2 Analysis .......................................................................................................................................... 31 8.2.1 HSUPA .................................................................................................................................... 35 8.3 Discussion ...................................................................................................................................... 37 8.4 Conclusions .................................................................................................................................... 38 Customer (MUE) impact ........................................................................................................ 39 8.4.1 8.4.2 Customer (FUE) Impact.......................................................................................................... 39 8.4.3 Mitigation techniques............................................................................................................ 39 9 Scenario C: Femtocell Downlink Interference to the Macrocell UE Receiver ................................... 40 9.1 Description .................................................................................................................................... 40 9.2 Analysis: ......................................................................................................................................... 40 9.3 Extended scenario – Capacity Analysis .......................................................................................... 42 9.4 Conclusions .................................................................................................................................... 46 9.4.1 Network and Customer Impact ............................................................................................. 46 10 Scenario D: Femtocell Uplink Interference to the Macrocell NodeB Receiver ................................. 47 Description................................................................................................................................. 47 Analysis ...................................................................................................................................... 48 10.1 10.2
10.2.1 Analysis of Scenario D‐ 12k2 Voice .................................................................................... 48 10.2.2 Analysis of Scenario D–HSUPA .......................................................................................... 56 11 10.3 Conclusions ................................................................................................................................ 57 Scenario E: Femtocell Downlink Interference to nearby Femtocell UE Receiver. ............................. 59 Description................................................................................................................................. 59 Analysis ...................................................................................................................................... 59 Conclusions: ............................................................................................................................... 63 Network and Customer Impact ......................................................................................... 64 11.3.1 11.1 11.2 11.3 12 Scenario F: Femtocell Uplink Interference to Nearby Femtocell Receivers ...................................... 65 Description................................................................................................................................. 65 Analysis ...................................................................................................................................... 65 Assumptions and Method ..................................................................................................... 66 1.1. 12.1 12.2 13 14 14.1 14.2 12.3 13.1 13.2 13.3 Conclusions ................................................................................................................................ 67 Scenario G: Macrocell Downlink Interference to an adjacent channel Femtocell UE Receiver ........ 68 Description................................................................................................................................. 68 Analysis ...................................................................................................................................... 68 Conclusions ................................................................................................................................ 71 Scenario H: Macrocell Uplink Interference to the adjacent channel Femtocell Receiver ................. 72 Description................................................................................................................................. 72 Analysis ...................................................................................................................................... 73 Parameter settings ............................................................................................................ 73 14.2.1 14.2.2 Impact of MUE interference on AMR ................................................................................ 75 14.2.3 Impact of MUE interference on HSUPA ............................................................................. 78 14.3 Conclusions ................................................................................................................................ 80 Femto System Impact ........................................................................................................ 81 14.3.1 14.3.2 Mitigation techniques........................................................................................................ 81 15 Scenario I: Femtocell Downlink Interference to the adjacent channel macrocell UE Receiver ........ 82 Description................................................................................................................................. 82 Analysis ...................................................................................................................................... 83 Parameter settings ............................................................................................................ 83 15.2.1 15.1 15.2 15.2.2 Impact of Femtocell interference on AMR service ............................................................ 85 15.2.3 Impact of Femtocell interference on HSDPA ..................................................................... 87 15.3 Conclusions ................................................................................................................................ 88 Customer (MUE) Impact .................................................................................................... 89 15.3.1 15.3.2 Mitigation techniques........................................................................................................ 89 16 Scenario J: Femtocell Uplink Interference to the adjacent channel Macrocell NodeB Receiver (J) . 90 © 2008 Femto Forum Limited page 2 
16.1 16.2 Description................................................................................................................................. 90 Analysis ...................................................................................................................................... 91 Analysis of Scenario J.1 ‐12k2 Voice service ...................................................................... 91 16.2.1 16.2.2 Analysis of Scenario J – HSUPA .......................................................................................... 96 16.3 Conclusions ................................................................................................................................ 98 16.3.1 Maximum Femto UE allowed transmission Power Proposal ............................................ 98 17 Downlink and Uplink Scenarios Modelling Power Control Techniques for Interference Mitigation   102 17.1 setting  System Simulation of the Downlink Scenario, with specific focus on HNB transmit power  102 Description ....................................................................................................................... 102 17.1.1 17.1.2 Analysis ............................................................................................................................ 102 17.1.3 Conclusions ...................................................................................................................... 117 17.2 System Level Simulation of  the Uplink Scenario (idealised network configuration) .............. 118 Description ....................................................................................................................... 118 17.2.1 17.2.2 Analysis ............................................................................................................................ 118 17.2.3 Conclusions ...................................................................................................................... 124 17.3 System Level Simulation of the Uplink Scenario (real network configuration) ....................... 124 Description ....................................................................................................................... 124 17.3.1 17.3.2 Analysis ............................................................................................................................ 124 17.3.3 Conclusions ...................................................................................................................... 126 18 Detailed Summary of Findings ......................................................................................................... 128 19 Overall Conclusions ......................................................................................................................... 133 Further Reading ............................................................................................................................... 134 20 Scenario A ................................................................................................................................ 134 Scenario B ................................................................................................................................ 134 Scenario C ................................................................................................................................ 134 Scenario D ................................................................................................................................ 134 Scenario E ................................................................................................................................ 134 Scenario F ................................................................................................................................ 134 Scenario G ................................................................................................................................ 135 Scenario H ................................................................................................................................ 135 Scenario I ................................................................................................................................. 135 Scenario J ............................................................................................................................. 135 Scenarios – Section 17 ......................................................................................................... 135 References ....................................................................................................................................... 136 Simulation Parameters and Path Loss Models ................................................................................ 141 Simulation parameters ............................................................................................................ 141 20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.8 20.9 20.10 20.11 21 22 22.1 © 2008 Femto Forum Limited page 3 
22.2 Path Loss Models ..................................................................................................................... 142 COST231‐Okumura‐Hata ................................................................................................. 142 22.2.1 22.2.2 ITU P.1411........................................................................................................................ 143 22.2.3 ITU‐R P.1238 .................................................................................................................... 144 22.2.4 System Simulation (Section 17) Path Loss Models .......................................................... 145 22.2.5 Comparison of Path Loss Models .................................................................................... 145 Contact Information ........................................................................................................................ 147 23       © 2008 Femto Forum Limited page 4 
1 Executive Summary    Femtocells, by virtue of their simultaneous small size, low cost and high performance, are a potentially  industry‐changing disruptive shift in technology for radio access in cellular networks.  Their small size means  that  the  spectrum  efficiency  they  can  attain  is  much  greater  than  that  achievable  using  macrocells  alone.   Their low cost means they can be deployed as consumer equipment, reducing the capital load and operating  expenses of the host network.  And their high performance means that all this can be gained at no loss of  service to the customer, and in many cases, owing to the improved link budgets, improved service.  However,  for  these  apparent  benefits  to  translate  into  real  advantage  for  network  operator  and  consumer alike, we must answer serious questions about the interaction between the femtocell technology  and the host macrocellular radio network into which they are deployed.  If femtocells can only achieve their  potential by disrupting the macro network, then they will be relegated to niche deployments, of little overall  relevance to next generation networks.  On the other hand, if the interactions between macro and femto  radio layers can be managed to the benefit of all, then their properties (in terms of lowered cost, improved  spectrum efficiency and link budget and general performance) can be fully realised, and femtocells will find  themselves an essential component of all future radio access network designs  So, what are these interactions, and  how can they  be managed, and what does that all  mean for the  technology,  to  the  operator  and  to  the  consumer?    These  are  the  questions  that  this  paper  is  helping  to  answer.  In doing so, it has deliberately maintained a tight focus, according to the priorities of its authors.  It  is exclusively concerned with W‐CDMA as an air interface technology.  (Other teams within Femto Forum are  looking at other air interfaces.)  It is, at this edition, concerned exclusively with operation around 2GHz – this  being seen as the most important frequency range for early, in‐building deployment.  (Further editions of  this  paper  will  look  at  850/900MHz  deployment.)    And  it  is  exclusively  a  theoretical  treatment,  using  link  level and system level simulations to draw its conclusions, though we expect to back these conclusions up in  due course with trial campaign data.  In view of the residential application that femtocells are addressing,  this paper is also exclusively concerned with femtocells operating with closed user groups.  Perhaps most  importantly, this paper “stands on the shoulders of giants”, drawing on the great mass of study work that  has already been undertaken by 3GPP RAN4 participants in analysing these issues, and referencing them for  further reading.  The interacting components of the femto‐enabled network include femtocells themselves, which can be  interacting in their downlinks with other nearby femtocells and macro cells; macrocells, which interact with  nearby femtocells; users and user equipment (UEs) which by virtue of intentional radio links to femtocells  © 2008 Femto Forum Limited page 5 
and macrocells, may be causing unintentional interactions with both.  In  approach,  this  paper  has  chosen  to  look  at  extreme  cases,  to  complement  as  far  as  possible  the  average, or typical scenarios that RAN4 has already studied in 3GPP.  In the main, the analysis has shown up  internal contradictions in those extreme cases – meaning that they will never occur.  For instance: analysing  the case when the UE is operating at full power in its uplink towards a femtocell is shown to occur only when  the macro cell is nearby – in which case the macro downlink signal is so strong that the UE will never select  the femtocell over the macrocell.  This contradiction shows, for instance, that the high noise rise that a UE  could in principle cause will happily never occur.  In other cases, the extreme cases are avoided by uplink  power‐capping or other techniques recommended in the paper.  With these extreme cases disarmed, then of the many potential interactions between UEs, femtocells  and  macrocells,  the  summary  conclusion  that  we  have  reached,  in  common  with  other  studies,  is  that  in  order to be successful, femtocell technology must manage three things,   Femtocell downlink power – if femtocells transmit inappropriately loudly, then the cell may be  large, but non‐members of the closed user group will experience a loss of service close to the  femtocell.  On the other  hand, if the femtocell transmits too softly, then non‐group members  will be unaffected, but the femtocell coverage area will be too small to give benefit to its users.   Femtocell receiver gain – since UEs have a minimum transmit power below which they cannot  operate,  and  since  they  can  approach  the  femtocell  far  more  closely  than  they  can  a  normal  macrocell, we must reduce the femtocell receiver gain, so that nearby UEs do not overload it.   This  must  be  done  dynamically,  so  that  distant  UEs  are  not  transmitting  at  high  power,  and  contributing to macro network noise rise on a permanent basis.   UE uplink power – since UEs transmitting widely at high power can generate unacceptable noise  rise interference in the macro network, we signal a maximum power to the UE (a power cap) to  ensure that it hands off to the macro network in good time, rather than transmit at too high a  power in clinging to the femtocell.  We have also shown that, with these issues addressed, the net effect of deploying femtocells alongside a  macro network is significantly to increase its capacity.  In numerical terms, and in terms of the simulated  scenario,  the  available  air  interface  data  capacity  is  shown  to  increase  by  over  a  hundredfold  by  the  introduction of femtocells.        © 2008 Femto Forum Limited page 6 
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