LTE Kabel Abschlussbericht

Transcription

Abschlussbericht
Beeinflussung der Dienste auf TV-KabelInfrastrukturen durch bidirektionale terrestrische Anwendungen LTE (Long Term Evolution)
im UHF-Bereich
ANGA
Verband Deutscher Kabelnetzbetreiber e.V.
Friedrichstrasse 189
10117 Berlin
Tel.: +49 30 24 63 25 18
Bearbeiter
Dipl.-Ing. Carsten Engelke
[email protected]
IRT
Institut für Rundfunktechnik GmbH
Floriansmühlstraße 60
80939 München
Tel: +49 89 323 99-0
Bearbeiter
Dipl.-Ing. Jochen Mezger
[email protected]
Berlin / München
erstellt am 8. April 2009
Inhalt
1
Zusammenfassung (Management Summary) ..................................................... 4
2
Eingesetzte Messtechnik ..................................................................................... 6
3
Vorbereitende Untersuchungen zur Bewertung des LTE-Störpotenzials ............ 7
3.1
4
Beschreibung der LTE-Signale in der physikalischen Schicht ...................... 9
3.1.1
Beschreibung des LTE-Downlink-Signals ............................................. 9
3.1.2
Beschreibung der LTE-Downlink-Datenübertragung ........................... 11
3.1.3
Beschreibung des LTE-Uplink-Signals ................................................ 11
3.1.4
Beschreibung der LTE-Uplink-Datenübertragung ............................... 12
3.2
Erzeugung der LTE-Signale mit dem Vector Signal Generator R&S
SMU200A ................................................................................................... 12
3.3
Auswahl der möglichen Konfigurationen, Bandbreiten und
Frequenzen des LTE-Signals ..................................................................... 17
3.3.1
Messmethode zur Bewertung des LTE-Störpotenzials ....................... 19
3.3.2
Notwendige LTE-FDD-Downlink-Schutzabstände............................... 20
3.3.3
Notwendige LTE-FDD-Uplink-Schutzabstände, 1 UE (User
Equipment).......................................................................................... 22
3.3.4
Bewertung der Ergebnisse aus der Downlink- und UplinkMessung ............................................................................................. 24
Messungen des LTE-Störpotenzials im Labor und im Feld ............................... 25
4.1
Messung der Störungen durch LTE-Signale in Kabeln,
Anschlussdosen und Empfangsgeräten ..................................................... 25
4.1.1
Beschreibung des Messaufbaus ......................................................... 26
4.1.2
Störmessung mit LTE-Downlink-Signal, 5 MHz Bandbreite, alle
Subframes belegt ................................................................................ 27
4.1.3
Störmessung mit LTE-Uplink, 5 MHz Bandbreite, Subframe 0
belegt. ................................................................................................. 28
4.2
Vergleich der direkten Einspeisung eines Störsignals in eine TVKabelinfrastruktur mit einer Einstrahlung über Antenne ............................. 28
5
Messung von Störungen durch abgestrahlte Mobilfunksignale auf eine
TV-Kabelinfrastruktur im Feld ............................................................................ 29
2
ANGA IRT LTE-Projekt 2009
5.1
Prüfung vorhandener terrestrischer Mobilfunk-Signale im UHFBereich ....................................................................................................... 29
5.2
LTE-Basisstation als angenommener Störer .............................................. 30
5.3
LTE-Mobilstation als angenommener Störer .............................................. 37
6
Ergebnisse ........................................................................................................ 43
7
Anhang A – Abkürzungsverzeichnis .................................................................. 47
8
Anhang B – Tabellenverzeichnis ....................................................................... 49
9
Anhang C – Abbildungsverzeichnis ................................................................... 51
10 Anhang D – Referenzen .................................................................................... 53
11 Anhang E – Beteiligte Mitarbeiter ...................................................................... 54
3
1
Zusammenfassung (Management Summary)
Anlass für die von ANGA und IRT gemeinsam durchgeführten Untersuchungen war die auf Grundlage der World Radio Conference 07 (WRC 07) für die
Region 1 (Afrika, Asien und Europa) getroffene Festlegung, wonach die terrestrischen Fernsehkanäle K 61 bis K 69, dies entspricht dem Frequenzbereich 790 MHz bis 862 MHz, den Mobilfunkbetreibern ab dem 17. Juni 2015
als co-primäre Nutzung zuzuordnen sind. Dieser Umstand führte im Sommer
2008 zur Veröffentlichung der neuen Frequenzbereichszuweisungsplanverordnung durch das Bundesministerium für Wirtschaft, die mittlerweile vom
Bundeskabinett beschlossen und zum Zeitpunkt der Abfassung dieser Studie
dem Bundesrat zur Zustimmung zugeleitet wurde. Im Rahmen der Verordnung soll dieser Frequenzbereich für die mobile breitbandige Internetversorgung vorgesehen werden, die Nutzung durch Rundfunkdienste soll auslaufen.
Neben vielen anderen Industriezweigen sehen die TV-Kabelnetzbetreiber
und Rundfunkveranstalter diese grundlegende Änderung kritisch und die
ANGA hat im September 2008 auf konkret befürchtete Störungen im Rahmen einer schriftlichen Anhörung hingewiesen.
Die von der ANGA und dem IRT gemeinsam durchgeführten Untersuchungen auf Basis der LTE-Technologie, die als die präferierte Technik der Mobilfunkbetreiber zur Belegung dieses Frequenzbereiches identifiziert wurde,
haben ergeben, dass mit erheblichen Störungen der im Kabel genutzten
Dienste durch die Gleichkanal-Belegung zu rechnen ist.
Nach umfangreichen Laboruntersuchungen wurde der Betrieb eines LTENetzes im Up- und Downlink im Feld simuliert und jeweils die Auswirkungen
auf die Übertragung von Signalen im TV-Kabel bis zum Endgerät untersucht.
Ziel war es, das schwächste Glied in der kabelgebundenen Bezugskette zu
identifizieren. In der Untersuchung wurden nur Gleichkanalstörungen betrachtet. Die Auswirkungen auf analoge (PAL G) und digitale Signale
(DVB-C, 64 QAM) wurden gleichermaßen untersucht. Die Auswirkungen eines LTE-Betriebes auf Dienste, die im TV-Kabel auf anderen Frequenzbereichen (Nachbarkanal-Störungen) verbreitet werden, waren nicht Gegenstand
der Untersuchung.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Kabel selbst unempfindlich gegenüber
Einstrahlungen im Downlink/Uplink sind, während die Endgeräte (Set Top
Boxen (STB) und TV-Geräte) durch die Einstrahlung zum Teil massiv beeinflusst wurden. Als Hauptstörer wurden die Mobilfunk-Endgeräte im UplinkBetrieb, d.h. vom Nutzer aus der Wohnung zurück zur Basisstation, identifiziert. Dabei spielte es kaum eine Rolle, ob der Sender sich im selben Raum
wie das Rundfunkempfangsgerät oder in einem benachbarten Raum und
getrennt durch eine Stahlbetonwand befand. Im Downlink-Bereich wurde die
TV-Kabel-Infrastruktur im Testszenario durch die Gebäudedämpfung gegen
äußere Feldstärken geschützt.
4
Die Untersuchungen kamen dabei zu dem Ergebnis, dass bereits geringe Leistungen von 10 mW, dies entspricht ca. einem hundertstel der
heute üblichen Spitzenleistungen von Mobiltelefonen, massive Störungen verursachen.
Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass in dem der Untersuchung zugrundeliegende Szenario mit einem im gleichen Frequenzbereich erfolgenden LTEBetrieb eine Nutzung von Diensten über die TV-Kabel-Infrastruktur nicht
möglich ist. Dies würde zu einem Verlust von 9 Kanälen mit je 8 MHz führen,
was einer Bandbreite von ca. 800 Mbit/s auf den TV-Kabelnetzen entspricht.
Daher besteht dringender Handlungsbedarf für eine gründliche Untersuchung
im Markt befindlicher Endgeräte hinsichtlich ihrer Störfestigkeit und einer Begrenzung der Mobilfunkfeldstärken im relevanten Frequenzbereich. Zusätzlich sollten Kabelmodem-Endgeräte bezüglich ihrer Funktion unter Einwirkung von LTE-Signalen untersucht werden, da die Kabelmodem-Technologie
ebenfalls 8 MHz DVB-C Downstream-Kanäle nutzt.
5
2
Eingesetzte Messtechnik
Messeinrichtung
Hersteller
Typ
Messaufgabe
LTE Signalgenerator
Rohde & Schwarz
SMU 200A
LTE Down- und Uplink-Signal
DVB Signalgenerator
Rohde & Schwarz
SFQ
DVB-C Signal
Messantenne
WISI
FT01
Sendeantenne Downlink
Messantenne
Kathrein
AOI 65
Sendeantenne Uplink
Leistungsverstärker
Mini Circuits
50dB
Powersplitter
Suhner
Signalaufteilung
Anpassglied 50/75 Ω
Suhner
Widerstandsanpassung
Spektrumanalysator
Hewlett Packard
8591 E
Messung Umgebungsfeldstärken
Spektrumanalysator
Hewlett Packard
8594 Q
Messung BK-Signal
Antennenmessautomat
KWS
AMA 300
Messung BK-Signal
Signalgenerator
Rohde & Schwarz
SMT 02
Test Messaufbau
Verstärker
WISI
VX 54
Verstärker
Bandfilter
Polytron
BK
021450/470
BK-Kombinationsfilter
5-450 MHz / 470-862 MHz
4-fach geschirmtes Messkabel
Belden
RG-59/U
Typ 8281 B
Abschirmung Störsignal
Messfahrzeug
Mercedes Benz
Sprinter
315 CDI
Ausfahrbarer Antennenmast
Geroh/
Waischenfeld
10KVL6
10 m Antennenmast zur
Downlink Messung
Kanal Umsetzer
WISI
OV 45D
Kanal-Umsetzung
Set Top Box
Thomson
DCI 1500K
Digital Empfänger
Set Top Box
Galaxis
POP C
Digital Empfänger
CRT TV-Empfänger
Philips
52KV2523
/02B
TV Bildempfang
Tabelle 1: Eingesetzte Messtechnik zur Untersuchung der Auswirkung von
LTE-Down- und Uplink-Signalen auf TV-Kabel-Infrastrukturen
6
3
Vorbereitende Untersuchungen zur Bewertung
des LTE-Störpotenzials
Bereits kurz nach der WRC 07 wurden im IRT erste theoretische Abschätzungen zum Einfluss von Mobilfunksendern auf TV-Kabelinfrastrukturen im
UHF-Bereich durchgeführt und auf der Sitzung der ECC Task Group 4 (TG4)
im Dezember 2007 vorgestellt [Ref 1]. Die Ergebnisse zeigten, dass bei realen, normgerecht aufgebauten Kabelanlagen mobile Terminals im Uplink bereits aus einer Entfernung von etwa 10 m Störungen beim DVB-C-Empfang
verursachen könnten. Die ECC TG4 betrachtete sich jedoch für diese Problematik für nicht zuständig, da dort nur Störungen von Funkanwendungen
behandelt werden. Das Pilotprojekt der Medienanstalt Berlin-Brandenburg
(mabb) in Wittstock/Dosse, mit dem die Nutzung von Rundfunkspektren innerhalb des geltenden Rahmens der Rundfunkfrequenznutzung untersucht
werden soll, unterstützte die Entscheidung, die vorliegende Untersuchung
durchzuführen.
Ein wesentlicher Baustein der Untersuchung war der Einsatz eines LTESenders. LTE ist eine Technologie, die im Frequenzbereich 450 MHz bis
2,5 GHz betrieben werden kann. Im Downlink (DL) wird ein OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Verfahren eingesetzt, dabei
werden die Modulationsformen QPSK, 16 QAM und 64 QAM zugelassen. Im
Uplink (UL) wird ein SC-FDMA (Single carrier – Frequence Division Multiple
Access) genutzt mit den zulässigen Modulationen QPSK und 16 QAM. LTE
lässt dabei verschiedene Bandbreiten von 1,25 MHz bis 20 MHz für die einzelnen Kanäle zu. Die Standardisierung von LTE startete bereits im Jahre
2005 und derzeit werden erste Feld-Tests durchgeführt. Entsprechende
Messtechnik ist von der Firma Rohde & Schwarz verfügbar. Diese moderne
Messtechnik, die die derzeitigen Anforderungen von LTE abdeckt, ist in der
Untersuchung zum Einsatz gekommen.
7
Spectrum
allocation
(FDD
mode)
1.4 MHz
Slot duration
0.5 ms
Sub-frame
duration
1.0 ms ( = 2 slots)
Sub-carrier
spacing
15 kHz (7.5 kHz for MBMS)
Sampling
frequency
1.92 MHz
(1/2 × 3.84)
3.84 MHz
128
Number of
subcarriers
Number of
resource
blocks
FFT size
3 MHz
5 MHz
10 MHz
15 MHz
20 MHz
7.68 MHz
(2 × 3.84)
15.36 MHz
(4 × 3.84)
23.04 MHz
(6 × 3.84)
30.72 MHz
(8 × 3.84)
256
512
1024
1536
2048
75 (76)
150 (151)
300 (301)
600 (601)
900 (901)
1200
(1201)
6
15
25
50
75
100
Tabelle 2: Überblick über die LTE OFDM Charakteristik
(Quelle: 3 GPP Release 8)
Tabelle 2 zeigt einen Überblick über die Möglichkeiten von LTE OFDM im
Downlink. Im weiteren Verlauf der Untersuchung wird eine entsprechende
Einstellung für den Feldversuch bestimmt. Dabei werden ebenfalls Untersuchungen der verschiedenen Einstellungen hinsichtlich ihres Störpotenzials
auf die 8 MHz Kabel-TV-Übertragung durchgeführt.
Die LTE-Übertragung kann grundsätzlich in ländlichen sowie in städtischen
Gebieten eingesetzt werden. Nach derzeitigem Kenntnisstand werden die
Mobilfunkbetreiber die LTE-Technik sowohl zur Versorgung der sogenannten
White Spaces (ländliche Breitband-Entwicklungsgebiete), aber auch zur Versorgung der städtischen Gebiete einsetzen. Dabei ist grundsätzlich zu bewerten, dass ein Störszenario in ländlichen Gebieten etwas weniger kritisch
ist, da man versuchen wird, von einer hoch gelegenen Örtlichkeit das Gebiet
zu versorgen. In städtischen Gebieten wird auf Grund der baulichen Struktur
mit Pico- oder Femto-cells [Ref 2] gearbeitet, wobei die Antennen der Basisstationen niedrigere Standorte haben und deutlich näher an den Gebäuden
und damit an den TV-Kabelanlagen stehen werden. Dieser Umstand ist besonders bei der Bewertung des Downlink zu beachten.
8
3.1
Beschreibung der LTE-Signale in der physikalischen
Schicht
Die Abkürzung LTE steht für Long Term Evolution und ist ein Mobilfunkstandard, der als UMTS-Nachfolger im Rahmen des 3GPP (Release 8) definiert
wurde. In diesem Kapitel erfolgt eine kurze und vereinfachte Beschreibung
des LTE-Signals in der physikalischen Schicht, die für die Schutzabstandsmessungen relevant ist. Im LTE-Standard werden verschiedene Bandbreiten
zwischen 1,25 MHz und 20 MHz unterstützt [Ref 3]. Zwei Übertragungsmodi
FDD (Frequency Division Duplex) und TDD (Time Division Duplex) sind möglich. Das LTE-Signal wird sowohl im Downlink (von Basisstation zu Mobilstation) als auch im Uplink (von Mobilstation zu Basisstation) betrachtet. Die
Mobilstation wird als User Equipment (UE) bezeichnet.
Die Übertragung wird sowohl im Downlink als auch im Uplink in Radio Frames mit einer Dauer von 10 ms organisiert. Im LTE-Standard gibt es zwei
verschiedene Typen von Radio Frames:
Frame Structure Type 1 für den FDD-Modus
Ein Radio Frame wird in 20 Slots mit einer Dauer von 0,5 ms eingeteilt.
Ein Subframe besteht aus zwei Slots und hat eine Dauer von 1 ms.
Frame Structure Type 2 für den TDD-Modus
Ein Radio Frame besteht aus 2 Half-Frames mit einer Dauer von je 5 ms.
Jeder Half-Frame ist in 5 Subframes mit einer Dauer von 1 ms unterteilt.
Die Subframes sind als 2 Slots mit einer Dauer von jeweils 0,5 ms definiert. Ausnahmen sind die speziellen Subframes. Es sind sieben UplinkDownlink-Konfigurationen im TDD-Modus möglich. Es folgt eine Beschreibung der beiden Übertragungswege.
3.1.1 Beschreibung des LTE-Downlink-Signals
Das Übertragungsverfahren im Downlink ist OFDMA (Orthogonal Frequency
Division Multiple Access), das auf OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) basiert. Das OFDM-Spektrum ist in einzelne orthogonale Träger
(Subcarriers) unterteilt, die eine niedrige Datenrate haben. Zu jedem Subcarrier wird ein Guard Interval CP (Cyclic Prefix) addiert. Als Trägermodulation
sind QPSK, 16 QAM und 64 QAM möglich. Im Unterschied zu OFDM erlaubt
OFDMA die Zuweisung des verfügbaren Spektrums an verschiedene Nutzer
(User). Jedem User wird ein Zeit-Frequenz-Block zugeteilt.
Die Träger im LTE haben einen konstanten Abstand von ∆f=15 kHz (siehe
Tabelle 2). Ein Resource Block ist als 12 Subcarrier im Frequenzbereich und
ein Slot mit einer Dauer von 0,5 ms im Zeitbereich definiert Abbildung 1. Ein
Slot mit einem normalen Cyclic Prefix beinhaltet 7 OFDM-Symbole. Die Größe von einem Resource Block ist für alle Bandbreiten konstant. Die Anzahl
von Resource Blocks für verschiedene Bandbreiten ist unten aufgelistet.
9
Kanalbandbreite/MHz
1,4
3
5
10
15
20
Anzahl von Resource
Blocks
6
15
25
50
75
100
Tabelle 3: Anzahl der Resource Blocks in Abhängigkeit von der Bandbreite
Die Tabelle 3 zeigt, wie groß die Anzahl der Resource Blocks, bei einer entsprechend zugewiesenen Kanalbandbreite ist. Dabei korrespondiert ein Resource Block jeweils mit einem OFDM Symbol und einem Single Subcarrier.
Die folgende Abbildung erläutert diesen Zusammenhang für die DownlinkSignale nochmals etwas genauer.
Abbildung 1: Downlink Resource Grid
Abbildung 1 [Ref 4] zeigt, wie ein DL-Slot in seiner Struktur aufgebaut ist.
Dieser DL-Slot enthält 7 OFDM-Symbole und hat eine Dauer von 0,5 ms. Ein
Subframe besteht aus zwei DL-Slots, hat entsprechend 14 OFDM-Symbole
und eine Dauer von 1 ms. Ein Resource Block ist definiert als 12 Subcarrier
und 7 OFDM-Symbole. Diese Zeichnung dient zum Verständnis der weiteren
Einstellungen für die vorgenommenen Messungen. Die Einstellungen sind
bezogen auf short CP.
10
Im rechten Teil der Abbildung ist nochmals der Resource Block (RB) zusammen mit einem Resource Element dargestellt. Diese einzelnen Blöcke
sind je in einem LTE-Subframe enthalten. Insgesamt ergeben 20 DL-Slots
ein Radio Frame und das Radio Frame hat eine Dauer von 10 ms. Eine entsprechende Übersicht zum Slot und Subframe erhält man auch in Tabelle 2.
3.1.2 Beschreibung der LTE-Downlink-Datenübertragung
Die Daten zu den einzelnen UE werden als ganze Zahl von Resource Blocks
zugeteilt. Die zugeteilten Resource Blocks müssen nicht aufeinander folgen.
Im Zeitbereich kann die Entscheidung, wie die Resource Blocks den UE zugewiesen werden, in einem Übertragungszeitintervall von 1 ms modifiziert
werden. Die Entscheidung (scheduling decision) wird in der Basisstation
durchgeführt. Die Nutzdaten werden auf dem Physical Downlink Shared
Channel (PDSCH) übertragen. Weitere Kanäle sind die physikalischen
Steuerkanäle Physical Downlink Control Channel (PDCCH), Physical Control
Format Indicator Channel (PCFICH), Physical Hybrid ARQ Indicator Channel
(PHICH) und Physical Broadcast Channel (PBCH). Die Zellsuche im LTE
erfolgt durch die Synchronisationssignale. Im LTE sind Primary Synchronisation Signal und Secondary Synchronisation Signal definiert. Sie werden
zweimal pro 10 ms in definierten Slots übertragen.
Abbildung 2: Aufbau einer Downlink-Verbindung bei LTE
Die Abbildung 2 zeigt noch einmal schematisch den Aufbau einer Verbindung von der Basisstation hin zum UE. Der Traffic wird über den PDSCH
übertragen.
3.1.3 Beschreibung des LTE-Uplink-Signals
Im Uplink kommt eine SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple
Access) Technik zum Einsatz. SC-FDMA hat ein besseres PAPR (Peak-toAverage Power Ratio) als OFDMA und ist aus diesem Grund im Uplink besser geeignet. OFDMA und SC-FDMA sind ähnlich, so dass die Parameter für
beide Systeme harmonisiert werden konnten. SC-FDMA wird als DFTspread-OFDM (DFT-s-OFDM) generiert. Die DFT (Discrete Fourier Transformation) transformiert die m-Modulationssymbole in den Frequenzbereich.
Sie werden dann den verfügbaren Subcarriern zugeordnet. Es sind nur die
aufeinander folgenden Subcarrier erlaubt. Danach erfolgt OFDM wie im
Downlink-OFDMA. Durch DFT enthält jeder Subcarrier die Informationen von
allen Modulationssymbolen. Beim OFDMA trägt ein Subcarrier nur Informationen zu den spezifischen Modulationssymbolen.
11
3.1.4 Beschreibung der LTE-Uplink-Datenübertragung
Die Daten werden in mehreren Resource Blocks übertragen. Ein Resource
Block ist wie im Downlink als 12 Subcarrier im Frequenzbereich und ein Slot
von 0,5 ms im Zeitbereich definiert. Das Übertragungszeitintervall (transmision time interval) ist genau wie beim Downlink 1 ms. Die Daten werden auf
dem Physical Uplink Shared Channel übertragen (PUSCH) übertragen. Im
LTE wird Uplink Frequency Hopping unterstützt. Die Steuerkanäle sind Physical Uplink Control Channel (PUCCH) und Physical Random Access Channel (PRACH). Es gibt zwei Typen von Referenzsignalen: Demodulation Reference Signal und Sounding Reference Signal.
Abbildung 3: Aufbau einer Uplink-Verbindung bei LTE
Abbildung 3 zeigt die schematisierte Verbindungsaufnahme für den Uplink.
Auf dem PUSCH werden dann die jeweiligen Daten übertragen.
Zusammenfassend kann man zu Downlink und Uplink sagen, dass beide mit
einem unterschiedlichen physikalischen Verhalten arbeiten. Der Downlink
nutzt eine OFDMA-Übertragung, die viele einzelne Träger enthält, während
der Uplink eine SC-FDMA nutzt. Daher ist es wichtig, in den folgenden Messungen den Down- und Uplink jeweils einzeln zu betrachten und bei den
Messungen auch auf die einzelnen Anwendungen zu achten.
3.2
Erzeugung der LTE-Signale mit dem Vector Signal
Generator R&S SMU200A
Der Vector Signal Generator SMU200A ist ein Generator der neuester Generation. Mit der Option LTE 3GPP Release 8 ist es möglich, die LTE-Signale
sowohl im Downlink als auch im Uplink zu erzeugen. Die Signale werden nur
im FDD-Modus erzeugt. Die TDD-Option wird bei dieser Ausführung des Generators nicht unterstützt und ist bisher nur für den chinesischen Markt relevant. Dort gab es zur Olympiade 2008 einen entsprechenden Feldversuch
[Ref 5]. Daher wird diese Option in der Untersuchung nicht weiter beachtet.
Nachdem die LTE-Option im SMU200A ausgewählt wird, kann das Hauptmenü für diese Option aufgerufen werden. Hier kann der Übertragungsmodus (FDD) sowie die Übertragungsrichtung (Downlink oder Uplink) eingestellt
werden. Aus dem Hauptmenü können weitere Untermenüs ausgewählt wer-
12
den. Die Bandbreite des LTE-Signals wird in General Settings eingestellt.
Das wichtigste Untermenü für die Konfiguration des LTE-Signals ist Frame
Configuration. Hier unterscheidet man zwischen Downlink (DL) Frame Configuration und Uplink (UP) Frame Configuration.
Im Menü DL Frame Configuration können die Subframes sowie die OFDMA
Resource Blocks konfiguriert werden. Für die Messungen wurden verschiedene Kombinationen der Subframebelegung eingestellt. Im Frequenzbereich
wurden alle Resource Blocks mit Daten- oder Steuerkanälen belegt. Die Konfiguration des Subframes 0 für ein LTE-Signal mit der Bandbreite von 5 MHz
ist in Abbildung 4 dargestellt. Mit der Funktion Show Time Plan kann auch
der Zeitplan der Konfiguration angezeigt werden (Abbildung 6).
Im Menü UP Frame Configuration werden die Subframes für SC-FDMA Resource Blocks konfiguriert. Es ist möglich bis zu vier User Equipment einzurichten. Abbildung 7 zeigt eine Uplink-Konfiguration mit einem UE und einem Datenkanal. Die Anzahl der belegten Resource Blocks ist 23 bei einer
Bandbreite von 5 MHz. Der Zeitplan der Konfiguration für den Uplink ist in
Abbildung 8 dargestellt.
Abbildung 4: Downlink Frame Configuration für Subframe 0 bei einer Bandbreite von 5 MHz
Abbildung 4 zeigt die Einstellungen an dem Vector Signal Generator SMU
200A für ein 5 MHz Downlink-Signal. Diese Signaleinstellungen werden während der Messungen verwendet.
13
LTE-Downlink-Signalparameter
Frequenz
786 MHz (Mittenfrequenz von Kanal K 60)
Channel Bandwidth
5 MHz
Method
FDD
Number of Carriers
301
Filter
Cosine, Roll-off 0,1; Cut-off-frequency shift -0,2
Channel Modulation
QPSK
Tabelle 4: Einstellung der LTE-Signalparameter für das Downlink-Signal
Die Tabelle 4 stellt in einer Übersicht die Parameter der Einstellungen der
Signalparameter im Downlink dar, die auch bei den Messungen genutzt wurden.
Abbildung 5: Spektrum des Downlink-Signals
Abbildung 5 zeigt das Spektrum eines LTE-Downlink-Signals mit einer
Bandbreite von 5 MHz bei einer Mittenfrequenz von 786 MHz. Das DownlinkSignal ist dauernd vorhanden und kann daher mit einem Durchgang des
Analysators dargestellt werden (Clear-Write, CLRWR) (siehe Bild links oben).
14
Abbildung 6: Zeitplan des Subframes 0 bei einer Downlink-Bandbreite von
5 MHz
Abbildung 6 zeigt den zeitlichen Ablauf des Subframes 0 bei einer Downlink-Bandbreite von 5 MHz. Verglichen mit der Abbildung 1 findet man hier
die 1 ms für das gesamte Subframe mit 14 OFDM Symbols wieder.
Abbildung 7: Uplink Frame Configuration für Subframe 0 bei einer
Bandbreite von 5 MHz
15
Die Abbildung 7 zeigt die Konfiguration des Uplink auf eine Kanalbandbreite
von 5 MHz. Konkret wird hier die Einstellung für das UE 1 vorgenommen und
man findet die Einstellungen für den PUSCH, der auch in Abbildung 3 schon
beschrieben wurde. Auf diesem physikalischen Layer ist die QPSK Modulation aufgebracht.
LTE-Uplink-Signalparameter
Frequenz
786 MHz (Mittenfrequenz von Kanal K 60)
Channel Bandwidth
5 MHz
Method
FDD
Number of Carriers
300
Filter
Cosine, Roll-off 0,1; Cut-off-frequency shift -0,2
Channel Modulation
QPSK
Tabelle 5: Einstellung der LTE-Signalparameter für das Uplink-Signal
Abbildung 8: Der Zeitplan der Uplink Frame Configuration (UE=1, Offset=2
Resource Blocks)
16
Abbildung 8 zeigt den Zeitplan für den Uplink-Frame, der in einer SingleCarrier-FDMA übertragen wird. Der zeitliche Ablauf ist in der Darstellung auf
1 ms begrenzt.
Abbildung 9: Darstellung des Spektrums des Uplink-Signals
Abbildung 9 zeigt das Spektrum eines LTE-Uplink-Signals mit einer Bandbreite von 5 MHz bei einer Mittenfrequenz von 786 MHz. In seinem Spektrum
unterscheidet sich das Uplink-Signal nicht grundlegend vom LTE-DownlinkSignal (Abbildung 5). Da das Uplink-Signal gepulst ist, wurde es mit Maxhold (MAXH) (siehe Bildrand links oben) aufgenommen.
3.3
Auswahl der möglichen Konfigurationen, Bandbreiten
und Frequenzen des LTE-Signals
Nutzsignal am Generatorausgang:
DVB-C, 64 QAM, U= -40 dBm / 69 dBµV (Umrechnung: 0 dBm entspricht
108,75 dBµV an 75 Ω, also ~ 109 dBµV)
Störsignal: LTE, FDD
Frequenz: 562 MHz (Mittenfrequenz vom Kanal K 32)
Für diesen Test wurde ein beliebiger Kanal in der Mitte des UHF-Bereichs
gewählt.
Kanalmodell: Gauss
Fehlerkriterium: SFP (Subjective Failure Point)
Empfänger: Thomson Modell DCI 1500K und Galaxis Modell POP C
17
Es wurden nur Gleichkanalstörungen gemessen.
Gerät
Hersteller
Einstellungen
SFQ
Rohde & Schwarz
DVB-C
Signalpegel
SFQ
am
Ausgang
69 dBµV / - 40 dBm
SMU 200A
Rohde & Schwarz
LTE Option
Kabel MK90
WISI
Schirmung > 85 dB
Modulation
64 QAM
Combiner
6 dB Dämpfung
Anpassung
4,2 dB Dämpfung
Signalpegel
STB
am
Eingang
59 dBµV / - 50 dBm
STB Modell DCI 1500K
Thomson
STB Modell POP C
Galaxis
Tabelle 6: Eingesetztes Mess-Equipment zur Ermittlung des
Schutzabstandes
Tabelle 6 zeigt die grundlegenden Einstellungen bei diesen Messungen.
Wichtig ist dabei darauf zu achten, dass an der STB der normgerechte Pegel
von U=59 dBµV anliegt. Dies bedurfte eines Pegels von U=69 dBµV am
Ausgang des Rohde & Schwarz Generators SFQ. Bei diesem Aufbau können
die Dämpfungen durch die Messkabel vernachlässigt werden.
18
Abbildung 10: Schutzabstandsmessung im Labor für den Fall „LTE stört
DVB-C“
Abbildung 10 zeigt den prinzipiellen Aufbau zur Bewertung des Störpotenzials der LTE-Signale. Diese Untersuchung ist wichtig, um den Schutzabstand zu definieren, der notwendig ist, um einen sicheren Betrieb von DVB-C
sicherzustellen. Der Aufbau wurde gewählt, um möglichst viele Fehlerquellen
auszuschließen, die aus externen Randparametern resultieren. Das DVB-CSignal, nach EN 300 429 [Ref 6] mit 8 MHz Bandbreite generiert, konnte mit
dem Labor-Messaufbau direkt mit einem LTE-Signal über einen Combiner
zusammengemischt werden. Zur Bewertung der Störung diente das Ausgabegerät TV-Monitor. Dort konnte quantitativ entschieden werden, wann das
TV-Bild entsprechende Artefakte aufweist. Durch eine entsprechende Regelung der Ausgangsspannung des R&S SMU 200A LTE-Generators konnte
definiert ein Störsignal erzeugt werden. Beim entsprechenden Schwellenwert
konnten ebenfalls verschiedene Einstellungen der Signalparameter der
Downlink- und Uplink-Signale vorgenommen werden.
3.3.1 Messmethode zur Bewertung des LTE-Störpotenzials
Der Einfluss des Störsignals auf das Nutzsignal wurde durch den Ausfall des
Bildes oder Artefakte im Bild auf dem TV-Monitor festgestellt, das am Ausgang des Testempfängers angeschlossen war. Der Eintritt eines der beiden
Ereignisse bestimmt den ermittelten C/I-Wert (Carrier to Interference). Der
jeweilige Ausfall wurde dann in den entsprechenden Tabellen eingetragen.
In Analogie zu den bei der Planung von terrestrischen Übertragungsnetzen
üblichen Gleichkanalschutzabständen wurden auch für die Kabelübertragung
die Gleichkanalschutzabstände für DVB-C-Signale ermittelt. Sie dienen als
Basis für den Vergleich mit den LTE-Schutzabständen. Die DVB-C-Signale
wurden nach der Norm EN 300 429 erzeugt. Der Schutzabstand zwischen
zwei DVB-C-Signalen im gleichen Kanal beträgt C/I=24 dB. In der Untersuchung wurde bewusst auf die messtechnische Untersuchung relevanter Signalparameter verzichtet, da das entscheidende Fehlerkriterium die Blockbildung bei digitalen Signalen und die Intermodulation (Kreuzmodulation) bei
analogen Signalen ist.
19
Das heißt, bei einem Einangspegel von 59 dBµV am Eingang des Tuners der
STB, dürfte der Störpegel des zweiten DVB-C-Signals höchstens 35 dBµV
betragen. In der Untersuchung wurde festgelegt, dass man als derzeit stabilste Übertragung 64 QAM bei DVB-C auswählt. Wenn Dienste eines DVB-C
Signals mit einer 64 QAM-Modulation gestört werden, wird auch auf jeden
Fall der Dienst mit der höheren Modulation von 256 QAM gestört. [Ref 7].
Daher beschränkt man sich in der Untersuchung auf die Betrachtung der
DVB-C 64 QAM-Modulation.
3.3.2 Notwendige LTE-FDD-Downlink-Schutzabstände
Wie aus den nachfolgenden Tabelle 7 und Tabelle 8 hervorgeht, ergeben
sich die größten Schutzabstände für den Fall, dass alle Subframes belegt
sind. Ein Subframe hat die Länge von 1 ms und ein LTE-Frame besteht aus
10 Subframes. Die kritischen Bandbreiten für ein 64 QAM-DVB-C-Signal sind
5 und 10 MHz. In diesem Fall ergibt sich ein minimal benötigter Schutzabstand (Protection Ratio (PR)) von 30 dB für den Empfänger von Thomson
und 31 dB für den Galaxis-Empfänger.
Der Schutzabstand ist der Abstand zwischen dem Nutzsignal (hier DVB-C
mit QAM 64) und dem Störsignal (hier LTE). D. h., bei dem vorgenannten
DVB-C-Eingangspegel von 59 dBµV am Eingang der STB darf das LTEStörsignal nur noch einen Pegel von 29 dBµV bzw. 28 dBµV (je nach STB)
haben. Eine Erhöhung des LTE-Störpegels würde zur Sichtbarkeit der Störung in Form von Artefakten / Klötzchenbildung führen.
Ein LTE-Signal weist also ein bis zu 7 dB höheres Störpotenzial gegenüber
einer theoretischen Gleichkanalstörung DVB-C DVB-C auf. Die Erhöhung
des LTE-Störpotenzials gegenüber DVB-C ist zudem abhängig von der Anzahl genutzter Subframes im LTE-Downlink und-Uplink.
20
3.3.2.1
Messergebnisse des Schutzabstandes für den DVB-CEmpfänger Thomson (Downlink)
Störsignal LTE B = 5 MHz
ULTE /dBm
ULTE /dBµV
PR /dB
Kein Subframe belegt
-64
45
24
Subframe 0 belegt
-68
41
28
Subframe 0 und 2 belegt
-69
40
29
-69
40
29
-69
40
29
-69
40
29
Subframe 0,2,5 und 7 belegt
-69
40
29
Subframe 0,1,4,5,7 und 8 belegt
-70
39
30
Alle Subframes belegt
-70
39
30
PR: Protection-Ratio = minimal benötigter Schutzabstand Störsignal/Nutzsignal im Kanal
Tabelle 7: Schutzabstände LTE-Downlink (5 MHz) stört DVB-C (ThomsonSTB)
Tabelle 7 zeigt das minimal benötigte Protection-Ratio (PR) einer ThomsonSTB bei einer Gleichkanalbelegung mit einem 5 MHz LTE-Downlink-Signal
und einem 8 MHz DVB-C-Signal (QAM 64) in Abhängigkeit der Anzahl belegter Subframes im LTE-Signal. Deutlich zu erkennen ist der Anstieg des benötigten PR bei Erhöhung der Belegung mit Subframes. Das Maximum des geforderten Schutzabstandes wird bei der Belegung aller Subframes erreicht.
Die Bandmitte des LTE-Downlink liegt in der Mitte des DVB-C-Kanals.
Störsignal LTE
ULTE /dBm
ULTE /dBµV
PR /dB
B = 1,25 MHz
-61
48
21
B = 5 MHz
-70
39
30
B = 10 MHz
-70
39
30
B = 20 MHz
-68
41
28
Tabelle 8: Schutzabstände für den Fall LTE-Downlink stört DVB-C für verschiedene Bandbreiten (alle Subframes belegt)
21
Tabelle 8 zeigt das minimal benötigte Protection-Ratio (PR) einer ThomsonSTB bei einer Gleichkanalbelegung mit einem LTE-Downlink-Signal unterschiedlicher Bandbreite von 1,25 MHz bis 20 MHz, jeweils bei Nutzung aller
Subframes und einem 8 MHz DVB-C-Signal (QAM 64), in Abhängigkeit der
genutzten Bandbreite des LTE-Signals. Deutlich zu erkennen ist das maximal
benötigte PR bei den Bandbreiten 5 MHz und 10 MHz. Damit sind die LTEBelegungen des LTE-Downlink Signals mit Bandbreiten 5 MHz und 10 MHz
die „worst case Belegungen“ für die DVB-C-Übertragung im Gleichkanalbetrieb.
Die Untersuchung der Schutzabstände (PR) eines LTE-Downlink, der DVB-C
für verschiedene Bandbreiten (alle Subframes belegt) stört, mit einer Galaxis
STB ergab nahezu die gleichen Ergebnisse, wie in Tabelle 8. Der Schutzabstand bei einer Galaxis STB erhöht sich um 1 dB auf 31 dB im „worst case“
Fall für die TV-Kabelinfrastruktur.
3.3.3 Notwendige LTE-FDD-Uplink-Schutzabstände, 1 UE (User
Equipment)
Die Schutzabstände für den Uplink hängen ab von der Anzahl der Resource
Blocks und der zeitlichen Belegung des Subframes. Wie aus den nachfolgenden Tabelle 9 bis Tabelle 11 hervorgeht, ergeben sich die größten
Schutzabstände bei Signalen mit der Bandbreite von 5 MHz und 10 MHz,
wenn der Subframe 0 belegt ist. Der Schutzabstand beträgt in diesem Fall
32 dB für den Empfänger von Thomson und 33 dB für den Empfänger von
Galaxis. Verglichen mit dem DVB-C-Schutzabstand von 24 dB benötigt ein
LTE-Uplink-Signal einen bis zu 9 dB höheren Schutzabstand.
3.3.3.1
Messergebnisse des Schutzabstandes für den DVB-CEmpfänger Thomson (Uplink-Betrieb)
ULTE /dBm
ULTE /dBµV
PR /dB
RB=11, alle Subframes
-65
44
25
RB=23, alle Subframes belegt
-63
46
23
RB=23, Subframe 0 belegt
-72
37
32
-71
38
31
RB=23, Subframe 0 und 2 belegt
-69
40
29
RB=23, Subframe 0 und 5 belegt
-69
40
29
RB=23, Subframe 0,2,5 und 7 belegt
-66
43
26
Störsignal LTE Uplink
Tabelle 9: Schutzabstände für den Fall LTE-Uplink (5 MHz) stört DVB-C
22
Tabelle 9 zeigt das minimal benötigte Protection-Ratio (PR) einer ThomsonSTB bei einer Gleichkanalbelegung mit einem LTE-Uplink-Signal (Bandbreite
5 MHz) und einem 8 MHz DVB-C-Signal (64 QAM). Die Werte sind in Abhängigkeit der Anzahl belegter Resource Blocks und Subframes im LTESignal aufgelistet. Hier ist zu erkennen, dass das benötigte PR abhängig ist
von der Belegung des LTE-Uplink-Signals mit Resource Blocks (RB) und
Subframes. Das größte PR ist erforderlich bei der Belegung mit 23 Resource
Blocks und Subframe 0 und beschreibt damit den „worst case“ für die TVKabelinfrastruktur.
ULTE /dBm
ULTE /dBµV
PR /dB
-62
47
22
-63
46
23
-72
37
32
Tabelle 10: Schutzabstände LTE-Uplink (10 MHz) stört DVB-C
Tabelle 10 zeigt wie in Tabelle 9 die Abhängigkeit des minimal benötigten
PR von der Anzahl der Resource Blocks und Subframes, aber bei einer LTEUplink-Signal-Bandbreite von 10 MHz. Es ergeben sich vergleichbare Werte.
Damit ergibt sich auch hier der „worst case“ Fall für die TV-Kabelinfrastruktur
wenn alle Subframes, inklusive dem Subframe 0, belegt sind.
ULTE /dBm
ULTE /dBµV
PR /dB
-59
50
19
-67
42
27
Tabelle 11: Schutzabstände LTE-Uplink (1,25 MHz) stört DVB-C
Tabelle 11 zeigt wie in Tabelle 10 die Abhängigkeit des minimal benötigten
PR von der Anzahl der Resource Blocks und Subframes, aber bei einer LTEUplink-Signal-Bandbreite von 1,25 MHz. Es ergeben sich günstigere Werte
hinsichtlich des Störpotenzials des LTE-Uplink-Signals, was auf die schmale
Bandbreite zurückzuführen ist.
Für die Galaxis STB ergeben sich wieder ähnliche Ergebnisse, die im
Schutzabstand jeweils um 1 dB höher liegen. Das bedeutet, dass die Galaxis
STB eher gestört wird.
23
3.3.4 Bewertung der Ergebnisse aus der Downlink- und UplinkMessung
Ein entscheidender Punkt der Untersuchung ist, dass in der TVKabelinfrastruktur der Begriff des Schutzabstandes eingeführt wurde, der
eigentlich ein typischer Begriff aus der terrestrischen Funkwelt ist. Der
Schutzabstand ist ein Wert, der aufzeigt, welcher Abstand in dB notwendig
ist, um ein DVB-C-Signal gerade nicht durch ein weiteres überlagertes DVBC Signal zu stören. Die Tabellen (Tabelle 7 bis Tabelle 11) zeigen die Bewertung des Schutzabstandes, basierend auf dem 64 QAM-DVB-CReferenzstörer.
Nach Auswertung und Analyse der vorher genannten Tabellen wurde festgestellt, dass die LTE-Kanalbandbreiten 5 MHz und 10 MHz für den Downlink und den Uplink eine TV-Kabelinfrastruktur extrem stören. Der Schutzabstand der einzelnen Geräte variiert über die Herstellerbandbreite.
Es ist weiter zu erkennen, dass der Schutzabstand im Uplink-Betrieb um ca.
2 dB höher sein muss als im Downlink-Betrieb, bezogen auf den Schutzabstand einer Gleichkanalstörung. Da man gerade Störungen durch den LTEUplink-Betrieb erwartet, ist dieses Ergebnis sehr bezeichnend und gibt eine
Tendenz der zu erwartenden Störsituation an.
Dabei muss man bedenken, dass das Dowlink-Signal dauerhaft vorhanden
ist (siehe Abbildung 5) und das Uplink-Signal gepulst ist (siehe Abbildung
9).
24
4
Messungen des LTE-Störpotenzials im Labor
und im Feld
Im Rahmen des Projektes wurden Untersuchungen im Labor und im Feld
vorgenommen. Diese Untersuchungen basieren auf dem „worst case“ Fall für
die TV-Kabelinfrastrukturen, der bei den Einstellungen der Signale im Kapitel
3.3 erarbeitet wurde. Dieser Fall wurde für die weiteren Messungen genutzt
und in den folgend dargestellten Messaufbauten behandelt. An der Stelle
wird nochmals darauf hingewiesen, dass der Downlink und der Uplink bei
den Messungen unterschiedlich behandelt werden muss.
4.1
Messung der Störungen durch LTE-Signale in Kabeln,
Anschlussdosen und Empfangsgeräten
In diesem Teil der Untersuchung wurde das definierte LTE-Signal über eine
Antenne auf einen definierten Prüfaufbau, der eine TV-Kabelinfrastruktur in
einer Hausverteilung simuliert, eingestrahlt. Der prinzipielle Messaufbau ist in
der folgenden Zeichnung dargestellt.
TV-Monitor
Video/
Audio
PC mit DekTec
HW/SW
für TS-Ausgabe
R&S SFQ
TV-Messsender
Kabel
Dose
DVB-C
Empfänger
3m
TS
DVB-C-Signal
Adapter
50/75
Ohm
6-dBTeiler
R&S SMU 200A
LTE-Generator
Verstärker
49 dB
Abbildung 11: Simulation einer TV-Kabelinfrastruktur mit DVB-C-Signal;
LTE strahlt ein und stört
Abbildung 11 stellt den prinzipiellen Messaufbau zur Ermittlung der Schutzabstände bei Einstrahlung des Antennensignals auf eine Kabelinfrastruktur
dar. Im Vergleich zu Abbildung 10 speist der Signalgenerator die Antenne,
die auf die Nachbildung einer TV-Kabelinfrastruktur gerichtet ist. Da der zweite Eingang des Signalteilers hier nicht benötigt wird, ist er mit einem Abschlusswiderstand von 50 Ω terminiert. Durch diese Änderung ist der Versuchsaufbau nicht grundlegend geändert worden.
25
Über die Antenne wird ein definiertes LTE-Downlink-Signal, 5 MHz Bandbreite und alle Subframes belegt, und ein entsprechendes Uplink-Signal, 5 MHz
Bandbreite und Subframe 0 belegt, abgestrahlt. In der weiteren Dokumentation werden der Messaufbau und die Auswirkung der Einstrahlung auf die
Infrastruktur beschrieben. Das Signal des SFQ, der das DVB-C-Signal erzeugt, wird über ein 50/75 Ω-Anpassungsglied auf ein 75 Ω koaxiales Kabel
gegeben und über eine typische BK-TAD für Sternnetze geleitet. Die STB ist
über ein handelsübliches Teilnehmeranschlusskabel an die TAD angeschlossen. Das Fernsehgerät ist über ein koaxiales Anschlusskabel mit der
STB verbunden.
4.1.1 Beschreibung des Messaufbaus
Nutzsignal:
Ein SFQ generierte ein DVB-C-Signal mit 64 QAM, 6,900 MSymb/s.
Die Frequenz betrug 786 MHz (Mittenfrequenz des Kanal K 60).
Das Signal passierte einen 6 dB-Teiler und ein Anpassungsglied 50/75 Ohm
(Dämpfung 4,2 dB) und wurde somit um 10,2 dB gedämpft.
Es folgte ein 10-m-Kabel Typ WISI MK90:
Kabeldämpfung laut Katalog:
• bei 600 MHz: 17,0 dB/100m
• bei 950 MHz: 19,1 dB/100m
• Schirmungsmaß oberhalb von 30 MHz: > 85 dB (laut Datenblatt)
• mit F-Anschlüssen, gemessen im Labor: 3,4 dB
Das Kabel war abgeschlossen mit einer Teilnehmeranschlussdose (TAD),
Typ ESD 84 für Sternnetze von Kathrein, mit einer gemessenen Dämpfung
von 3,9 dB.
Von der Anschlussdose führte ein Anschlusskabel mit einer Dämpfung von
1,1 dB zum DVB-C Receiver Thomson. Der Galaxis Receiver wurde in der
Reihe nicht untersucht.
Insgesamt ergibt sich eine Dämpfung von 18,6 dB in der Bezugskette und
das Ausgangssignal des SFQ muss diese Dämpfung des Signals ausgleichen. Damit am Eingang des Empfängers ein Pegel von -50 dBm (59 dBµV)
erreicht wird, ist die Ausgangsleistung des SFQ auf -31,4 dBm einzustellen
und bleibt für die folgenden Messungen konstant.
26
Störsignal:
Ein Generator SMU 200A erzeugte ein LTE-Signal bei einer Frequenz von
786 MHz. Ein Breitbandverstärker (Mini Circuits) verstärkte das Ausgangssignal um 49 dB. Dieses wurde über eine Antenne vom Typ FT01 abgestrahlt
und auf das Kabel gerichtet.
Die Entfernung Antenne – Kabel betrug 3 m, der Antennengewinn 12,5 dBd.
4.1.2 Störmessung mit LTE-Downlink-Signal, 5 MHz Bandbreite,
alle Subframes belegt
Störsignal
Generatorpegel
Strahlungsleistung
der Antenne (ERP)
Feldstärke am Kabel
und Endgerät
horizontal polarisiert
PSMU= -8 dBm
4,5 dBm = 2,5 mW
102 dBµV/m
vertikal polarisiert
PSMU= -1 dBm
11,5 dBm = 14 mW
109 dBµV/m
Tabelle 12: Störung der TV-Kabelinfrastruktur durch ein LTE-DownlinkSignal
Tabelle 12 zeigt das Störpotenzial des LTE-Downlink-Signals. Die Leistung,
die von der Antenne abgestrahlt wurde und auf die Kabelinfrastruktur gerichtet war, übersteigt den zulässigen Grenzwert für die Feldstärke, die an einem
Kabel aussen anstehen darf. Nach der Norm [Ref 8] EN 50083 Teil 8 (Cable
networks for television signals, sound signals and interactive services Part 8:
Electromagnetic compatibility for networks) gilt als Grenzwert eine Feldstärke
von 106 dBµV/m in 3 m Abstand zur Gebäudeaußenwand, die an einer Kabelinfrastruktur anliegen darf. Da üblicherweise mit einer Gebäudedämpfung
von 10 dB gerechnet wird, wäre ein Wert von 96 dBµV/m an dem Kabel in
3 m Abstand zur Kabelanlage (Indoor) der entsprechende Bezugswert. Für
normale Trennwände innerhalb Wohnungen wird eine Dämpfung der Wand
von 5 dB angenommen. Bei den Messungen sind natürlich auch Reflexionen
aus dem Raum mit zu beachten, da die Messungen nicht in einer EMV Halle
vorgenommen wurden.
27
4.1.3 Störmessung mit LTE-Uplink, 5 MHz Bandbreite, Subframe 0
belegt.
Störsignal
Generatorpegel
Strahlungsleistung
der Antenne (ERP)
Feldstärke am Kabel und Endgerät
horizontal polarisiert
PSMU= -7 dBm
5,5 dBm = 3,6 mW
103 dBµV/m
vertikal polarisiert
PSMU= -14 dBm
-1,5 dBm = 0,7 mW
96 dBµV/m
Tabelle 13: Störung der TV-Kabelinfrastruktur durch ein LTE-Uplink-Signal
Tabelle 13 zeigt, dass ein LTE-Uplink-Signal, bei dem das Subframe 0 belegt ist, eine erhöhte Störwirkung auf ein DVB-C-Signal hat. Es liegen hier
geringere Feldstärken an der Kabelinfrastruktur an, die schon zu dem Effekt
der Störung führen. Der Wert der vertikal polarisierten Messung entspricht
dem Wert, der laut Norm EN 50083 Teil 8 an einer Kabelinfrastruktur anliegen kann. Trotzdem kommt es zu Störungen des Signals. Dieses Ergebnis
korrespondiert auch mit dem Ergebnis aus Tabelle 9, in der ein erhöhter
Schutzabstand für den LTE-Uplink gemessen wurde.
4.2
Vergleich der direkten Einspeisung eines Störsignals
in eine TV-Kabelinfrastruktur mit einer Einstrahlung
über Antenne
Die direkte Einstrahlung im Labor auf die Kabelinfrastruktur zeigt deutlich den
Effekt, dass die Störeinflüsse von der jeweiligen Belegung bzw. der Struktur
der LTE-Down- und Uplink-Signale abhängen. Es ist ein Unterschied zwischen der Belegung mit Subframe 0 und ohne Subframe 0 festgestellt worden. Dies bedeutet, dass die Kabelinfrastruktur nach aussen mit der gleichen
Schirmung auftritt, aber die Störung durch eine Veränderung des Signals
erreicht wird. Für zukünftige Untersuchungen muss zu jeder relevanten Untersuchung der Störeinflüsse genau die Belegung der einzelnen Subframes
der LTE-Signale und die relevante Bandbreite der LTE-Signale beschrieben
werden.
Die Untersuchung zeigt, dass die TV-Kabelinfrastruktur die in der Norm
EN 50083 Teil 8 angegebenen Grenzwerte zur Gleichkanalstörung (In-BandStörung) gut einhalten kann. Das Ergebnis dieser Messungen ist ein guter
Startpunkt für die geplante Feld-Messung, in der die LTE-Infrastruktur in Bezug auf eine bestehende TV-Kabelinfrastruktur vermessen werden soll.
Die Messungen haben ebenfalls bestätigt, dass die Signale des SC-FDMAUplink noch störender wirken als die Signale des FDD-Downlink der LTEÜbertragung.
28
5
5.1
Messung von Störungen durch abgestrahlte
Mobilfunksignale auf eine TV-Kabelinfrastruktur
im Feld
Prüfung vorhandener terrestrischer Mobilfunk-Signale
im UHF-Bereich
Bevor die Messungen im Feld gestartet wurden, hat man eine Überprüfung
der vorhandenen terrestrischen Mobilfunksignale im Bereich um 790 MHz
vorgenommen. Im Bereich von 750 MHz wurde ein WCDMA Signal (Wideband Code Division Multiple Access) gefunden. Solch ein Verfahren wird z.B.
bei UMTS-Übertragungen genutzt.
Abbildung 12: Spektrum eines CDMA 700 Signals mit der Mittenfrequenz
746 MHz und einer Breite von 8 MHz
Abbildung 12 zeigt das mit dem HP 8591 E gemessene Downlink-Signal, das
eine Mittenfrequenz von 746 MHz hatte. Anders als das LTE-Signal änderte
dieses Signal ständig seine Signalform. Das Messteam hat über das Signal
noch ein kleines Video erstellt. Da der Gruppe zu dem entsprechenden
Downlink-Signal, das nicht einem LTE-Signal entsprach und das ebenfalls
nicht im Frequenzbereich 790 MHz bis 862 MHz lag, kein mobiles Endgerät
zur Verfügung stand, wurde jeweils der Downlink und der Uplink mit den definierten Messgeräten und den entsprechenden bekannten Antennen simuliert.
Gerade bei den Uplink-Signalen der mobilen Endgeräte ist es sehr schwierig
eine genaue Messung - bezogen auf die abgestrahlte Leistung - zu erzeugen. Entsprechende Entwicklungs-Messgeräte, wie z.B. das Rohde &
Schwarz SMU 200A bieten hier sehr viel genauere Messwerte.
29
5.2
LTE-Basisstation als angenommener Störer
In Wittstock/Dosse im Bundesland Brandenburg wurde an einer Kabelanlage
in der Käthe-Kollwitz-Straße 25 der Einfluss von LTE-Signalen auf den Empfang von digitalen DVB-C- und analogen PAL-Signalen untersucht. Die Wohnung, in der die Untersuchungen stattfanden, befand sich im 4.Stock des
Wohnhauses. Die TV-Kabelinfrastruktur in moderner Sternverteilung entsprach dem derzeitigen Stand der Technik (Normenreihe EN 50083 Cable
networks for television signals, sound signals and interactive services), spiegelte aber ebenfalls den durchschnittlichen derzeitigen Stand der Kabel-TVAnlagen wieder. Zur Vorbereitung der Messung gab es keine besonderen
Wartungsmaßnahmen oder ähnliche Vorbereitungen. Bei der Betrachtung
der Normen-Reihe EN 50083 sind insbesondere der harmonisierte Teil 2 (gelistet im Official Journal of the European Union (OJ)) [Ref 9] (EN 50083 Teil
2) und der Teil 8 für diese Messungen relevant.
Da die getestete TV-Kabelinfrastruktur noch nicht durchgängig bis 862 MHz
mit Inhalten belegt ist, wurde mittels eines Umsetzers abwechselnd der
64 QAM-DVB-C-Kanal S39 (ZDF Vision) und der analoge Kanal 3 (Testbild)
auf den Kanal K62 (798 MHz – 806 MHz) umgesetzt, um in diesem Bereich
die Auswirkungen einer LTE-Einstrahlung im Downlink-Betrieb zu untersuchen.
Abbildung 13: Darstellung des analogen TV-Kabel-Signals (links) und des
digitalen TV-Kabel-Signals (rechts), jeweils im Kanal 62
Abbildung 13 zeigt die eingestellten und überprüften BK-Signale für das
analoge und das digitale Signal am Eingang der STB. Der analoge Bildträger
des PAL G Signals lag bei 799,25 MHz und die Mittenfrequenz des 64 QAM
DVB-C-Signals lag bei 802 MHz. Zur Anpassung des 50 Ω Eingangs des
Analysators an die 75 Ω BK-Infrastruktur wurde ein entsprechendes Anpassglied benutzt.
Zunächst wurde von außen über eine Antenne das LTE-Downlink-Signal auf
das Haus gestrahlt. Die Auswirkungen auf die Kabelinfrastruktur sind in Tabelle 14 dargestellt.
30
Abbildung 14: Einstellung des SMU 200A für die Erzeugung der LTEDownlink-Signale
Abbildung 14 zeigt einen Überblick über das Display des SMU 200A, dass
für die Erzeugung der LTE-Downlink-Signale genutzt wurde. Über dieses
Display werden die verschiedenen Komponenten der LTE-Übertragung konfiguriert und für die Testmessungen eingestellt. Man erkennt sehr gut die
Einstellung auf die Mittenfrequenz 802 MHz für das LTE-Signal.
Die angegebenen LTE-Pegel stellen beim DVB-C-Empfang in der TVKabelinfrastruktur die Störgrenze dar, bei der ein ungestörter Empfang gerade noch möglich war. Die Auswirkung der Störungen war weitestgehend
unabhängig von der Polarisation der Sendeantenne.
LTE-Signal-Downlink
Analogempfang
Digitalempfang
Generatorpegel
-28 dBm
-2 dBm
Kabeldämpfung
-5,6 dB
-5,6 dB
49 dB
49 dB
12,4 dB
12,4 dB
Störleistungspegel
27,8 dBm
53,8 dBm
Störleistung
600 mW
240 W
Mittenfrequenz 802 MHz
Verstärker
FT01 Antennengewinn
Tabelle 14: Störung des Analogempfang im Durchschleif-Betrieb der DVB-CSTB und Digitalempfang mit DVB-C-STB, Sender
im Außenbereich (Downlink)
LTE-Basisstationen werden verschiedene Leistungsklassen aufweisen, wobei derzeit bisher im ersten Schritt die maximale Sendeleistung auf 50 dBm
(100 W(ERP)) festgeschrieben ist. Die Werte der Tabelle 14 zeigen, dass bei
einem LTE-Sender der höchsten Leistungsklasse, in 85 m Abstand vom
Empfangsort, nur bei Digitalempfang keine Störungen aufgetreten wären,
allerdings nur mit einer geringen Reserve von 3,8 dB.
Dass diese Störungen nicht auf dem Endgerät sichtbar waren, liegt am Fehlerschutz der DVB-C-STB. Die BER (Bit Error Rate) und die PER (Packet
31
Error Rate) wurden von dem Signal schon stark beeinflusst. Analoger PAL G
Empfang wäre in jedem Fall massiv gestört, selbst bei der als geringste Sendeleistung angenommenen Leistung von 35 dBm (3 W (ERP)). Nachstehend
ein ungestörtes und ein gestörtes PAL G-Testbild. Die Fotos wurden während der Messungen aufgenommen.
Abbildung 15: Darstellung eines ungestörten PAL G Signals (links), Darstellung des gestörten PAL G Signals (rechts)
Abbildung 15 zeigt das deutlich gestörte analoge PAL G Bild. Die Störung
des Bildes kündigte sich schon sehr frühzeitig durch Intermodulation (Kreuzmodulation) im Bildinhalt an. Mit zunehmender Leistung des abgestrahlten
Signals wurden die Störungen immer stärker sichtbar.
Abbildung 16: Spektrum eines anlogen Signals, überlagert von einem theoretischen LTE-Signal (Amplitude des LTE-Signals nicht real!)
Abbildung 16 zeigt die Auswirkung der LTE-Signale (Bandbreite 5 MHz) auf
ein analoges PAL G Signal. Die Beeinflussung des analogen Signals liegt im
Bereich von 799,50 MHz bis 804,50 MHz. Hierdurch ergeben sich Störungen
des gesamten Y-Bereiches, sowie des Farbhilfsträgers bei der Frequenz
803,68 MHz (799,25 MHz + 4,43 MHz). Dieses ist deutlich in der Abbildung
32
15 rechts in Form von Farbveränderungen und Intermodulationen im Bildinhalt zu erkennen.
Abbildung 17: Schematische Messanordnung für den LTE-Downlink
Abbildung 17 zeigt schematisch die Situation für den Fall einer DownlinkSenderichtung. In diesem Fall wird von aussen mit einer Sendeantenne das
LTE-Downlink-Signal gesendet und es werden die Auswirkungen innerhalb
des Hauses aufgenommen. Die Kabelinfrastruktur innerhalb des Hauses entsprach dem Stand der Technik.
33
Abbildung 18: Umsetzung der Kanäle K 03 und S 39 auf den Kanal K 62
Abbildung 18 zeigt den Aufbau der Einspeisung der Signale in dem Frequenzbereich von 798 MHz bis 806 MHz. Dort wurde vor dem Multitap des
Typs Tratec TTB 5 eine analoge und eine digitale Zusatzeinspeisung, wie in
Abbildung 18 gezeigt, installiert. Die Signale wurden mit Hilfe eines Umsetzers vom Typ WISI OV 45D bei einem geringen Qualitätsverlust, der für die
Untersuchung keinen Beitrag liefert, eingespeist. Veränderungen der Fehlerrate in der BER und PER waren bei der Umsetzung nicht messbar. Die MER
(Modulation Error Ratio) erfährt durch die Umsetzung eine Degradation von
ca. 1,2 dB. Die eingespeisten BK-Signale lagen innerhalb der relevanten ÜPSpezifikation. Der Pegel an den Antennensteckdosen wurde normgerecht
eingestellt.
34
Abbildung 19: Durchlasskurve der in Abbildung 18 gezeigten Zusatzeinspeisung
Abbildung 19 zeigt die Durchlasskurven bei der Einspeisung eines Wobbelsignals im Bereich von 48 MHz bis 62 MHz (linkes Bild) und bei Einspeisung
im Bereich von 442 MHz bis 458 MHz (rechtes Bild). Zur Bewertung der Qualität der Zusatzeinspeisung wurde bewusst ein breiterer Frequenzbereich (für
K03 14 MHz und für S39 entsprechend 16 MHz) gewählt. Die Durchlasskurven wurden jeweils über alle zur Zusatzeinspeisung benötigten Geräte (in
Abbildung 18 rot gekennzeichnet) und Anschlusskabel ermittelt. Man erkennt sehr gut, dass bei der Umsetzung des analogen 7 MHz-Signals von
Kanal K03 in Kanal K62 eine saubere Umsetzung durchgeführt wird und Signale der Nachbarkanäle entsprechend gefiltert werden. Das Gleiche gilt für
die 8 MHz-Umsetzung von S39 auf Kanal K62. Weiter zeigen die beiden Bilder, dass sich keine wesentliche Beeinflussung der Parameter der Signale
durch die Umsetzung einstellt. Die Dachschräge im Signalverlauf des Übertragungskanals liegt bei ca. 1,5 dB.
Abbildung 20: Messfahrzeug des IRT vor der Wohnanlage in der KätheKollwitz-Straße 25 in Wittstock
35
Abbildung 20 zeigt eine Ansicht der realen Messumgebung, die für die
Downlink-Übertragung vorgenommen wurde. Von diesem Standort wurde auf
eine Wohnung im vierten Stock das LTE-Downlink-Signal gesendet. Innerhalb der Wohnung wurden von dem Messteam die Störungen auf dem Monitor des TV-Gerätes und parallel auf dem angeschlossenen Spektrumanalysator HP 8594 Q bewertet.
Abbildung 21: Innenansicht des Mess-Fahrzeugs mit den Geräten zur LTESignalerzeugung
Abbildung 21 zeigt die verwendete Technik in dem genutzten MessFahrzeug. Die Messgeräte wurden zur Erzeugung der LTE-Signal genutzt
und über den 10 m Mast im Downlink abgestrahlt.
DVB-C
Empfänger
TV
Balkon
Sende
antenne
LTE
Generator
Abbildung 22: Empfang im Wohnzimmer mit einer Galaxis DVB-C Box und
Sendeantenne im Außenbereich
36
Abbildung 22 zeigt den schematischen Messaufbau, der in Abbildung 20
durch ein entsprechendes Foto dokumentiert wurde. Das TV-Gerät mit der
angeschlossenen STB wurde an dem vorgesehenen Ort, an dem sich auch
die TAD der TV-Kabelinfrastruktur befindet, platziert.
5.3
LTE-Mobilstation als angenommener Störer
Die weiteren Untersuchungen fanden in einer leer stehenden Wohnung des
Gebäudes statt. Dabei wurde das LTE-Signal direkt in der Wohnung über
Luft abgestrahlt. Die entsprechende Anordnung des Empfangs- und Sendeequipments ist in Abbildung 23 und Abbildung 26 dargestellt. Der Abstand
zwischen Antenne und Kabelempfänger betrug dabei etwa 2,5 m. Für eine
LTE-Mobilstation ist mit einer maximalen Sendeleistung von 23 dBm
(200 mW (ERP)) zu rechnen [Ref 10].
25
74
,6
1
Die abgestrahlte LTE-Störleistung (siehe Tabelle 15 bis Tabelle 18) ist für
den Fall des gerade gestörten DVB-C-Empfangs angegeben. Dabei wurden
der Fernsehempfänger und die DVB-C-STB in der Nähe der Antennensteckdose aufgestellt. Die Sendeantenne wurde jeweils an eine Position gebracht,
an der sich eine Person aufhalten könnte, wenn sie mit einem LTE-System
senden würde. Dabei befand sich der Sendestandort in einem Fall im gleichen Raum (Wohnzimmer), während er im zweiten Fall im Nachbarzimmer
war. Die angegebenen Werte stellen eine Momentaufnahme dar und gelten
für die Situation eines ruhigen Umfeldes. Falls im Raum bei aktivem LTESignal Bewegung vorhanden war, verschlechterte sich der Empfang über
DVB-C und es kam schon bei kleineren Sendepegeln zu Ton- und Bildausfällen.
Abbildung 23: Empfang im Wohnzimmer und Sendeantenne im
Wohnzimmer
37
Abbildung 23 zeigt den prinzipiellen Messaufbau, bei dem mit der Antenne
im Innenraum ein LTE-Uplink Signal abgestrahlt wird.
Abbildung 24: Bild des Messaubaues innerhalb der Wohnung zur
Simulation des LTE-Uplink
In Abbildung 24 sieht man sehr gut, wie das digitale Programm durch eine
LTE-Uplink Strahlung beeinflusst wird. Das Bild auf dem Fernseher ist gestört.
Abbildung 25: Messaufbau der LTE-Uplink Simulation
38
Die Abbildung 25 zeigt den Aufbau der notwendig war, um die LTE-UplinkSimulation durchzuführen. In einem weiteren Messszenario wurde die Sende
Antenne in dem Nachbarraum in Betrieb genommen.
LTE-Signal-Uplink
Sendeantenne
horizontal
Sendeantenne
vertikal
Generatorpegel
0 dBm
-2 dBm
Kabeldämpfung
-2 dB
-2 dB
Verstärker
0 dB
0 dB
AOI 65 Antennengewinn
8 dB
8 dB
Störleistungspegel
6 dBm
4 dBm
Störleistung
4 mW
2,5 mW
Tabelle 15: Digitalempfang mit DVB-C-Box und Sendeantenne im Wohnzimmer (Uplink-Betrieb)
Tabelle 15 zeigt die Werte für die Beeinflussung der TV-Kabelinfrastruktur
durch ein LTE-Uplink Signal für den digitalen DVB-C 64 QAM-Empfang auf.
Schon bei 2,5 mW aus einer Entfernung von ca. 3 m Entfernung kam es zu
Ausfällen.
LTE-Signal-Uplink
Sendeantenne
horizontal
Sendeantenne
vertikal
Generatorpegel
-10 dBm
-11 dBm
Kabeldämpfung
-2 dB
-2 dB
Verstärker
0 dB
0 dB
8 dB
8 dB
Störleistungspegel
-4 dBm
-5 dBm
Störleistung
0,4 mW
0,3 mW
Tabelle 16: Analogempfang im Durchschleif-Betrieb der DVB-C-Box und
Sendeantenne im Wohnzimmer (Uplink-Betrieb)
Tabelle 16 zeigt die entsprechenden Werte für den analogen Empfangsweg
auf. Hier sind die Störungen deutlich eher zu bemerken. Schon Sendeleistungen des LTE-Uplink von 0,3 mW führen zu Störungen der TVKabelinfrastruktur.
39
Nachbarzimmer
LTE-Signal-Uplink
Sendeantenne
horizontal
Sendeantenne
vertikal
Generatorpegel
-40 dBm
-40 dBm
Kabeldämpfung
-2 dB
-2 dB
Verstärker
49 dB
49 dB
8 dB
8 dB
Störleistung / dBm
15 dBm
15 dBm
Störleistung
32 mW
32 mW
Tabelle 17: Digitalempfang mit DVB-C-Box und Sendeantenne im Nachbarzimmer (Uplink-Betrieb)
Tabelle 17 zeigt den Wert an, bei dem der digitale Empfang gestört wird,
wenn in einer Nachbarwohnung (Wandstärke 15 cm Stahlbeton) der LTEUplink in Betrieb genommen wird. Hier reichen schon 32 mW, um den digitalen Empfang zu stören. Gerade dieses Fehlerszenario ist für die Kabelnetzbetreiber nicht in den Begriff zu bekommen, da eine Korrelation zu der LTEUplink-Nutzung in der Nachbarwohnung und den Störungen bei dem Kunden
nicht herzustellen ist.
40
LTE-Signal-Uplink
Sendeantenne
horizontal
Sendeantenne
vertikal
Generatorpegel
-46 dBm
-46 dBm
Kabeldämpfung
-2 dB
-2 dB
Verstärker
49 dB
49 dB
Sendeantenne AOI 65
8 dB
8 dB
Störleistungspegel
9 dBm
9 dBm
Störleistung
8 mW
8 mW
Tabelle 18: Analogempfang über den Antennenverstärker der DVB-C-Box
und Sendeantenne im Nachbarzimmer (Uplink-Betrieb)
Tabelle 18 zeigt den entsprechenden Wert für den analogen Empfangsweg.
Hier wird der Empfang bei einem Wert der LTE-Uplink-Leistung von 8 mW
gestört. Zur Fehlereingrenzung des Feld-Service der Kabelnetzbetreiber
bzgl. des Fehlerbildes bei den Kunden gilt das Gleiche wie bei Tabelle 17
genannt.
Um festzustellen, welche Teile der Empfangsanlage innerhalb der Wohnung
besonders kritisch auf das abgestrahlte LTE-Signal reagieren, wurde mit einer Richtantenne gezielt auf die einzelnen Elemente gestrahlt.
Die Ergebnisse dieser Messungen lassen vermuten, dass die DVB-C-STB
die Schwachstelle für die LTE-Einstrahlung darstellte. Bereits bei einer Sendeleistung von -4 dBm (0,4 mW (ERP)) kam es bei einem Abstand von 2,5 m
zwischen Sendeantenne und Empfänger zu Bildstörungen, wenn der Sender
sich im gleichen Zimmer befand. War der Sender im benachbarten Raum,
führte aufgrund der Wanddämpfung eine Sendeleistung von 15 dBm zu Bildstörungen. Dieser Wert liegt aber immer noch um 8 dB unter der derzeit maximal zulässigen Sendeleistung von 23 dBm. [Ref 10] / [Ref 11]
41
Abbildung 27: Geöffnete Galaxis POP C Set Top Box zur optischen Feststellung der Schwachstellen
Abbildung 27 zeigt eine geöffnete STB des Typs Galaxis POP C. Optisch
sehen die eingesetzten Bauteile gut geschirmt aus. In der Realität zeigte sich
aber, dass gerade die STB die Schwachstelle in der TV-Kabelinfrastruktur
war. Dies wurde dadurch nachgewiesen, dass ein PAL G Signal mit Durchgang durch die STB an die Störgrenze gebracht wurde. Danach wurde die
STB aus der Bezugskette herausgenommen und das Fernsehgerät durch ein
hoch geschirmtes Anschlusskabel direkt an der TAD angeschlossen. Die
Störungen waren nicht mehr sichtbar. Auch nach dem Ersatz des hoch geschirmten Anschlusskabels durch ein handelsübliches Anschlusskabel war
die Störung nicht mehr sichtbar. Nach erneuter Zwischenschaltung der STB
war die Störung wieder sichtbar.
42
6
Ergebnisse
Zu der Messung im Feld, hier war der Ort Wittstock/Dosse gewählt worden,
wurde eine bestehende TV-Kabelinfrastruktur genutzt, die in dem Bereich der
Hausverkabelung in moderner Sternstruktur aufgebaut ist. Dadurch, dass in
Kabelanlagen zunehmend auch Kanäle bis 862 MHz belegt werden, um zusätzlich zu den Fernsehprogrammen auch Telefon- und Internetdienste anbieten zu können, ergeben sich Konflikte zwischen dem Mobilfunkdienst und
den TV-Kabelinfrastrukturen. Es ist anzumerken, dass die Telefon- und
Internetdienste ebenfalls in 8 MHz breiten DVB-C Kanälen übertragen werden. Die Untersuchung wurde auf Grund der aktuellen Entwicklungen in
Deutschland auf den Frequenzbereich 790 MHz bis 862 MHz fokussiert. Die
Laboruntersuchungen haben aber gezeigt, dass die Ergebnisse auf den gesamten Frequenzbereich 450 MHz bis 862 MHz übertragen werden können.
Die Messungen zeigen eindeutig, dass mit massiven Störungen gerechnet
werden muss. Dabei ist es unerheblich, ob die Störungen direkt in die TVKabelanlage einstreuen, oder aber direkt in das Teilnehmerendgerät. In der
Norm EN 50083-8 ist eine Störfestigkeit der TV-Kabelanlage von 106
dBµV/m (Störer in 3 m Abstand von der Außenwand des Gebäudes) festgelegt. Bei einer üblich angenommenen Gebäudedämpfung von 10 dB entspricht der Wert für Indoor 96 dBµV/m in 3 m Abstand zum Fernsehkabel.
Indoor-Feldstärke @ 790 MHz
Wanddämpfung jeweils 5 dB, Senderleistung 10 mW
130,0
Feldstärke [dBµV/m]
120,0
110,0
100,0
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
0,0
3,0
6,0
9,0
Abbildung 28: Berechneter Verlauf der Feldstärke mit jeweiliger Wanddämpfung von 5 dB innerhalb einer Wohnung (ohne Reflextionen)
Abbildung 28 zeigt den theoretisch berechneten Verlauf der Feldstärke basierend auf einem isotropen Strahler mit einer Leistung von 10 mW bei einer
Frequenz von 790 MHz. Bei 3 m, 6 m und 9 m sind jeweils Wände mit je
5 dB Dämpfung angenommen, da die inneren Wände eine geringere Dämpfung als die Aussenwände haben. Summierungseffekte durch Reflextionen
43
wurden in dieser Berechnung nicht berücksichtigt. Der Grenzwert 96 dBµV/m
in 3 m Abstand zum TV-Kabel (Indoor) für TV-Kabelnetze ist durch den roten
Balken im Diagramm gekennzeichnet. Diese Abbildung zeigt deutlich, warum
die Störungen durch die mobilen Endgeräte solch extremen Auswirkungen
haben, wie in den folgenden Tabellen dargestellt.
Für die Set Top Boxen gilt ein Schirmwert von 125 dBµV/m (3 V/m entspricht
130 dBµV/m) als out-of-Band-Störung im Frequenzbereich von 150 KHz bis
150 MHz. Out-of-Band bedeutet, dass keine Einstrahlung im gleichen NutzKanal (In-Band) als Fehlerfall vorgesehen ist, sondern nur eine Einstrahlung
in einen Nachbarkanal, siehe [Ref 12] EN 55020 (Einstrahlstörfestigkeit) und
[Ref 13] EN 55013 (Störaussendung). An dieser Stelle wird konkret auf die
EN 55020 Tabelle 17 „Grenzwerte der Einstrahlungs-Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Fremdfeldern für Fernseh-Rundfunkempfänger in
der Betriebsart Empfang“ verwiesen. Diese Normen haben eine sehr geringe
Anforderung an das Schirmungsmaß, verglichen mit den definierten
106 dBµV/m in der Norm EN 50083 Teil 8 für die TV-Kabelinfrastruktur.
Ein wichtiger Bestandteil der vorliegenden Untersuchung ist die Definition
eines Schutzabstandes innerhalb der TV-Kabelinfrastruktur, der sich auf den
theoretischen Fall „DVB-C stört DVB-C“ bezieht. Dieser Schutzabstand beträgt 24 dB. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein Schutzabstand bezogen auf die LTE-Signale untersucht. Ergebnis war, dass im Vergleich zu
den DVB-C-Signalen ein um mindestens 7 dB erhöhter Schutzabstand notwendig ist. Damit liegt der Schutzabstand für LTE-Signale bei mindestens 31
dB.
Wie der Labor- und der Feldversuch gezeigt haben, kommt es in jedem Fall
zu Störungen durch direkte Einstrahlung in die Endgeräte der TVKabelinfrastruktur durch die Mobilfunk-Endgeräte. Hier ist heute noch nicht
abzusehen, mit welchen Leistungen und Antennengewinnen diese Geräte
betrieben werden. Es ist aber damit zu rechnen, dass die Störgrenze der
Endgeräte an der TV-Kabelinfrastruktur für die Indoor-Uplink-Übertragung
um mehr als das ca. 10-fache überschritten werden bis hin zu dem
100-fachen Wert in der Spitzenleistung. Die Werte, die heute in dem 3 GPP
Relase 8 Standard angegeben werden, beziehen sich auf bestimmte Geräteklassen und die Tabellen dazu sind nicht abgeschlossen.
Es besteht ein dringender Handlungsbedarf für eine umfassende Überprüfung der im Markt befindlichen Endgeräte für Kabel-TV-Infrastrukturen hinsichtlich ihrer Störfestigkeit bezogen auf Störungen durch LTE-Down- und
Uplink-Signale. Basierend auf diesen Ergebnissen müssen die Sendeleistungen im Bereich der Spitzenleistungen und der mittlere Leistung für die Übertragung der Mobilfunkendgeräte begrenzt werden. Es ist zu vermuten, dass
nicht nur TV-Geräte und STB gestört werden, sondern auch Video Recorder,
Personal Video Recorder, die einen eigenen Tuner besitzen, und andere Geräte.
Im untersuchten Fall traten durch eine simulierte LTE-Basisstation bei DVBC-Digitalempfang bei der maximal anzunehmenden Sendeleistung von
50 dBm nur deshalb keine sichtbare Störungen auf, weil die Entfernung mit
44
etwa 85 m zu groß war und weil aufgrund der Bauweise der Häuser mit Betonfertigteilen eine relativ große Gebäudedämpfung vorliegt. Auf Grund dieser Umstände war es der Technik innerhalb der STB möglich eine Fehlerkorrektur noch vorzunehmen. Der analoge Empfang war dort eindeutig gestört.
Ebenfalls wären Signale mit höheren Modulationen, wie z.B. 256 QAM dort
ebenfalls gestört gewesen, da eine Beeinflussung der MER durch den LTEDownlink nachweisbar ist.
Eine mobile Uplink-Station führte jedoch in jedem Fall zu Störungen, auch
wenn die Sendanlage für den DVB-C-Teilnehmer unsichtbar hinter der Wand
im Nachbarraum war. Selbst in diesem Fall lag die bisher angenommene
zulässige mittlere Sendeleistung eines LTE-Mobilteils um den Faktor 4 über
dem Wert, der bereits zu Störungen führte. Spitzenleistungen führen hier sicherlich zu einem verschärften Störszenario.
Messaufbau 1
Dowlink von
Außen
LTE-Sendeleistung, die zu Störungen führt
PAL-Empfang
600 mW(ERP) = 27,8 dBm
Kritisch
DVB-C-Empfang
240 W(ERP) = 53,8 dBm
Nicht
Kritisch
80 m Abstand vertikal
Tabelle 19: LTE-Basisstation als angenommener Störer
Tabelle 19 zeigt, dass ein analoges Signal schon durch ein 600 mW
(27,8 dBm) Downlink-Signal aus 80 m Entfernung vor dem Gebäude gestört
wird. Das digitale CATV-Signal konnte über den Fehlerschutz bei dieser
Downlink-Leistung das Bild weiterhin darstellen. Es verschlechterten sich nur
die relevanten Parameter der CATV-Übertragung (MER, BER und PER).
Messaufbau 2
Uplink, gleicher
Raum
LTE-Uplink Sendeleistung, die zu Störungen führt
PAL-Empfang
0,3 mW(ERP) = - 5 dBm
Kritisch
DVB-C-Empfang
2,5 mW(ERP) = 4 dBm
Kritisch
2,5 m Abstand vertikal
Tabelle 20: LTE-Mobilstation als angenommener Störer
45
Tabelle 20 zeigt, dass der Empfang der CATV-Signale durch das MobilfunkEndgerät schon bei geringen Leistungen, die weit unter denen eines handelsüblichen Mobilfunkgerätes liegen, gestört wird. Im Vergleich dazu sind
die Mobilfunkgeräte im Bereich des 900 MHz-Bandes für Spitzenleistungen
von bis zu 2 Watt konzipiert. Dies entspricht etwa dem 100-fachen der Leistung, die bei DVB-C zu Störungen führte.
LTE-Uplink Sendeleistung, die zu Störungen führt
Messaufbau 3
Uplink, Nebenraum
3,0 m Abstand durch Wand, vertikal
PAL-Empfang
7,9 mW(ERP) = 9 dBm
Kritisch
DVB-C-Empfang
32 mW(ERP) = 15 dBm
Kritisch
Tabelle 21: LTE-Mobilstation im Nachbarzimmer als angenommener Störer
Tabelle 21 zeigt, dass ein ähnlicher Effekt, wie durch Tabelle 20 dargestellt,
auftritt, wenn die Störung aus einem benachbarten Raum kommt. Hier wurde
die Trennung der Räume/Wohnungen durch eine 15 cm dicke Stahlbetonwand dargestellt. Gerade dieses Fehlerbild ist für Netzbetreiber und Broadcast-Anbieter sehr schwer zu handhaben. Hier ist die Ursache des Fehlers
der Bildstörung nahezu nicht feststellbar, da die Ursache von der Nutzung
von LTE in der Nachbarschaft abhängig ist und nicht im Einzugsbereich des
von der Störung betroffenen Kunden liegt.
Basierend auf der vorliegenden Untersuchung, die sich auf die direkte Auswirkung auf die Bildqualität der PAL G Signale und die DVB-C-Signale bezog, werden weitere Untersuchungen empfohlen, die sich auf die Störung
von Consumer Electronic (CE) Bauteilen durch LTE beziehen. Hier sollten
direkte Untersuchungen in einer EMV-Halle vorgenommen werden, die ein
definiertes Verhalten der Endgeräte und LTE Sender zulassen. Dabei muss
auch bei DVB-C Endgeräten eine Messung vor dem Fehlerschutz und eine
Bewertung der MER durchgeführt werden.
46
7
Anhang A – Abkürzungsverzeichnis
3GPP
3rd Generation Partnership Project
BER
Bit Error Rate
C/I
Carrier to Interference
CE
Consumer Electronic
CLRWR
Clear-Write
CP
Cyclic Prefix
CPE
Customer Premise Equipment
DFT
Discrete Fourier Transformation
ERP
Effective Radiated Power
FDD
Frequency Division Duplex
LTE
Long Term Evolution
MAXH
Maxhold
MER
Modulation Error Ratio
OFDM
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
OJ
Official Journal of the European Union
PAPR
Peak-To-Average Power Ratio
PBCH
Physical Broadcast Channel
PCFICH
Physical Control Format Indicator Channel
PDCCH
Physical Downlink Control Channel
PDSCH
Physical Downlink Shared Channel
PER
Packet Error Rate
PHICH
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel
PMCH
Physical Multicast Channel
PR
Protection Ratio
PRACH
Physical Random Access Channel
PUCCH
Physical Uplink Control Channel
47
PUSCH
Physical Uplink Shared Channel
QAM
Quadrature Amplituden Modulation
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
RB
Resource Block
SCH
Primary & Secondary Synchronization Channels
SFP
Subjective Failure Point
STB
Set Top Boxen
TAD
Teilnehmeranschlussdose
TDD
Time Division Duplex
U
Spannung in dBµV oder dBm
UE
User Equipment
WCDMA
Wideband Code Division Multiple Access
WRC 07
World Radio Conference 07
48
8
Anhang B – Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Eingesetzte Messtechnik zur Untersuchung der Auswirkung von
LTE-Down- und Uplink-Signalen auf TV-Kabel-Infrastrukturen
Tabelle 2: Überblick über die LTE OFDM Charakteristik
(Quelle: 3 GPP Release 8)
Tabelle 3: Anzahl der Resource Blocks in Abhängigkeit von der Bandbreite
Tabelle 4: Einstellung der LTE-Signalparameter für das Downlink
Tabelle 5: Einstellung der LTE-Signalparameter für das Uplink
Tabelle 6: Eingesetztes Mess-Equipment zur Ermittlung des
Schutzabstandes
Tabelle 7: Schutzabstände LTE-Downlink (5 MHz) stört DVB-C (ThomsonSTB)
Tabelle 8: Schutzabstände für den Fall LTE-Downlink stört DVB-C für verschiedene Bandbreiten (alle Subframes belegt)
Tabelle 9: Schutzabstände für den Fall LTE-Uplink (5 MHz) stört DVB-C
Tabelle 10: Schutzabstände LTE-Uplink (10 MHz) stört DVB-C
Tabelle 11: Schutzabstände LTE-Uplink (1,25 MHz) stört DVB-C
Tabelle 12: Störung der TV-Kabelinfrastruktur durch ein LTE-Downlink-Signal
Tabelle 13: Störung der TV-Kabelinfrastruktur durch ein LTE-Uplink-Signal
Tabelle 14: Störung des Analogempfang im Durchschleif-Betrieb der DVB-CSTB und Digitalempfang mit DVB-C-STB, Sender
im Außenbereich (Downlink)
Tabelle 15: Digitalempfang mit DVB-C-Box und Sendeantenne im Wohnzimmer (Uplink-Betrieb)
Tabelle 16: Analogempfang im Durchschleif-Betrieb der DVB-C-Box und
Sendeantenne im Wohnzimmer (Uplink-Betrieb)
Tabelle 17: Digitalempfang mit DVB-C-Box und Sendeantenne im Nachbarzimmer (Uplink-Betrieb)
Tabelle 18: Analogempfang über den Antennenverstärker der DVB-C-Box
und Sendeantenne im Nachbarzimmer (Uplink-Betrieb)
Tabelle 19: LTE-Basisstation als angenommener Störer
49
Tabelle 20: LTE-Mobilstation als angenommener Störer
Tabelle 21: LTE-Mobilstation im Nachbarzimmer als angenommener Störer
50
9
Anhang C – Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Downlink Resource Grid
Abbildung 2: Aufbau einer Downlink-Verbindung bei LTE
Abbildung 3: Aufbau einer Uplink-Verbindung bei LTE
Abbildung 4: Downlink Frame Configuration für Subframe 0 bei einer Bandbreite von 5 MHz
Abbildung 5: Spektrum des Downlink-Signals
Abbildung 6: Zeitplan des Subframes 0 bei einer Downlink-Bandbreite von
5 MHz
Abbildung 7: Uplink Frame Configuration für Subframe 0 bei einer
Bandbreite von 5 MHz
Abbildung 8: Der Zeitplan der Uplink Frame Configuration (UE=1, Offset=2
Resource Blocks)
Abbildung 9: Darstellung des Spektrums des Uplink
Abbildung 10: Schutzabstandsmessung im Labor für den Fall „LTE stört
DVB-C
Abbildung 11: Simulation einer TV-Kabelinfrastruktur mit DVB-C-Signal; LTE
strahlt ein und stört
Abbildung 12: Spektrum eines CDMA 700 Signals mit der Mittenfrequenz
746 MHz und einer Breite von 8 MHz
Abbildung 13: Darstellung des analogen TV-Kabel-Signals (links) und des
digitalen TV-Kabel-Signals (rechts)
Abbildung 14: Einstellung des SMU 200A für die Erzeugung der LTEDownlink-Signale
Abbildung 15: Darstellung eines ungestörten PAL G Signals (links), Darstellung des gestörten PAL G Signals (rechts)
Abbildung 16: Spektrum eines anlogen Signals, überlagert von einem theoretischen LTE-Signal (Amplitude des LTE-Signals nicht real!)
Abbildung 17: Schematische Messanordnung für den LTE-Downlink
Abbildung 18: Umsetzung der Kanäle K 03 und S 39 auf den Kanal K 62
51
Abbildung 19: Durchlasskurve der in Abbildung 18 gezeigten Zusatzeinspeisung
Abbildung 20: Messfahrzeug des IRT vor der Wohnanlage in der KätheKollwitz-Straße 25 in Wittstock
Abbildung 21: Innenansicht des Mess-Fahrzeugs mit den Geräten zur LTESignalerzeugung
Abbildung 22: Empfang im Wohnzimmer mit einer Galaxis DVB-C Box und
Sendeantenne im Außenbereich
Wohnzimmer
Abbildung 24: Bild des Messaubaues innerhalb der Wohnung zur
Simulation des LTE-Uplink
Abbildung 25: Messaufbau der LTE-Uplink Simulation
Nachbarzimmer
Abbildung 27: Geöffnete Galaxis POP C Set Top Box zur optischen Feststellung der Schwachstellen
Abbildung 28: Berechneter Verlauf der Feldstärke mit jeweiliger Wanddämpfung von 5 dB innerhalb einer Wohnung (ohne Reflextionen)
52
10
Anhang D – Referenzen
[Ref 1] 6th meeting ECC/TG4; Doc. TG4 (07)127; Estimation of the interfering effect of a mobile service on TV cable reception within the UHF
range
[Ref 2] CFP - IEEE Communications Magazine on Femto Cells, Widjaja Indra
[Ref 3] Overview of 3GPP Release 8 V0.0.4 (2009-01) Chapter 5.1.1 Study
phase and requirements
[Ref 4] Rohde&Schwarz; UMTS Long Term Evolution (LTE): Technology
Introduction
[Ref 5] TD-SCDMA
www.itu.int
Standard
Evolution
and
Industry
Development,
[Ref 6] ETSI EN 300 429; Digital Video Broadcasting (DVB); Framing structure, channel coding and modulation for cable systems
[Ref 7] Digitale Fernsehtechnik; Datenkompression und Übertragung für
DVB, Ulrich Reimers
[Ref 8] CENELEC EN 50083-8; Cable networks for television signals, sound
signals and interactive services Part 8: Electromagnetic compatibility
for networks
[Ref 9] CENELEC EN 50083-2; Cable networks for television signals, sound
signals and interactive services Part 2: “Electromagnetic compatibility
for equipment”
[Ref 10] 3GPP TS 36.101; 3rd Generation Partnership Project; Technical
Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception (Release 8)
[Ref 11] 3GPP TS 36.211; 3rd Generation Partnership Project; Technical
Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation
(Release 8)
[Ref 12] EN 55020: 2007; Ton- und Fernseh-Rundfunkempfänger und verwandte Geräte der Unterhaltungselektronik - Störfestigkeitseigenschaften - Grenzwerte und Prüfverfahren (IEC/CISPR 20:2006)
[Ref 13] EN 55013:2001; Ton- und Fernseh-Rundfunkempfänger und verwandte Geräte der Unterhaltungselektronik - Funkstöreigenschaften
- Grenzwerte und Messverfahren (IEC/CISPR 13:2001)
53
11
Anhang E – Beteiligte Mitarbeiter
Die folgenden Mitarbeiter waren an der Untersuchung beteiligt. Das Projekt
wurde von der ANGA Verband Deutscher Kabelnetzbetreiber e.V. und dem
IRT Institut für Rundfunktechnik GmbH gemeinschaftlich durchgeführt und
bearbeitet.
Name
Vorname
e-Mail
Baier
Aneta
baier(at)irt.de
Dinter
Heinz
dinter(at)irt.de
Engelke
Carsten
carsten.engelke(at)anga.de
Gorol
Reinhard
gorol(at)irt.de
Kreipl
Michael
kreipl(at)irt.de
Kunert
Clemens
kunert(at)irt.de
Mezger
Jochen
mezger(at)irt.de
Schramm
Raul
schramm(at)irt.de
Wilharm
Andreas
andreas.wilharm(at)anga.de
54

LTE Kabel Abschlussbericht

Transcription

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