Einfluss des Antennenöffnungswinkels auf SINR und RSRQ

[LTE_Fan_007]

Hallo,
ich schreibe derzeit meine Bachelorarbeit über die Interferenzen im LTE Netz. Dabei wurden bei einer LTE Basisstation einmal 65 Grad Antennen und einmal 90 Grad Antennen für alle drei Sektoren verwendet und jeweils Messungen durchgeführt. Wie ich erwartet hatte gab es bei 65 Grad einen besseren SINR während der gesamten Messung (Messfahrt um die Basisstation), da die Interferenzen zwischen den Sektoren kleiner wurden. Jedoch verzeichnete sich beim RSRQ genau der umgekehrte Fall. Der RSRQ war bei einem größeren horizontalen Öffnungswinkel besser.

Woran liegt das?

 

[tomas-b]

Vielleicht kannst du ja mal ein paar Messdaten und ein paar Informationen zum Messablauf posten, da es ansonsten eventuell nur in einem Kaffeesatzlesen endet.
Unklar ist zum Beispiel, ob ihr die Messungen während der Fahrt & permanent oder an ausgesuchten und festen Messpunkten durchgeführt habt. Weiterhin interessant ist, an welchen Messpunkten (Sektorrand oder Hauptstrahlrichtung der Stationsantennen) und in welcher Entfernung zur Station die Messungen durchgeführt wurden bzw. welches Messequipment (Empfangsantennen - Rundstrahler oder Richtantenne; verwendetes Endgerät)
Die Entfernung spielt eine Rolle, weil es bei geringer Entfernung zur Station durch die verschiedenen Öffnungswinkel auch zu mehr oder weniger starken Lücken in der Netzabdecung führt. In den Lücken erfolgt dann er Empfang über Reflektionen und/oder Mehrwegesignale. Bei einer größeren Entfernung schließen sich die Lücken dann durch eben diese Mehrwegesignale und durch die Wellenbeugung/brechung. Und der Gewinn der Basisstationsantennen beginnt, eine Rolle zu spielen. So haben die Antennen mit dem 65°-Öffnungswinkel garantiert auch einen höheren Gewinn gegenüber den Antennen mit den 90°.

Weiterhin ist auch wichtig, wie zeitnah die Messungen zusammenlagen oder zu welcher Zeit sie grundsätzlich durchgeführt wurden. Da die Zellauslastung direkten Einfluss auf das abgestrahlte Spektrum der Basisstation hat, kann auch eine schwankende Zellauslastung die Messwerte beeinflussen.

Zu guter letzt kann natürlich, je nach dem, mit welchem Messequipment die Messungen durchgeführt wurden, bekannte Bugs und Anzeigefehler in der Firmware zu Fehlinterpretationen führen, wenn zum Beispiel handelsübliche Router für die Messdatenerfassung verwendet wurden.

 

[LTE_Fan_007]

Erst einmal danke für die Antwort.

Es wurde sowohl während der Fahrt permanennt gemessen, als auch an ausgewählten Punkten Standmessungen durchgeführt. Während beiden Fahrtmessungen wurde stehts die selbe Route abgefahren. Gemessen wurde mit omnidirektionalen Antennen, welche auf dem Fahrzeugdach montiert sind. Die Standmessungen wurden an folgenden Orten durchgeführt:

Messpunkt, Ort, Entfernung zur Station (Luftlinie)
M1, Zellgrenze von A und B Sektor, 3,9km
M2, Zellgrenze von A und C Sektor, 1,9km
M3, Zellgrenze von B und C Sektor, 1,6km
M4, im A Sektor, 1km entfernt von Zellgrenze zum C Sektor, 2,4km
M5, im B Sektor, 1,5km entfernt von Zellgrenze zum A Sektor, 3,9km
M6, A Sektor, 370m entfernt von Zellgrenze zum B Sektor, 2,7km



Die Messungen wurden beide Male Nachts durchgeführt zwischen 22 und 4 uhr
Ich hoffe das hilft etwas bei der Beurteilung?

 

[tomas-b]

Grundsätzliche Bemerkungen:

Noch offene Fragen:

1. Messung in welchem LTE-Netz (LTE 800, LTE 1800 oder LTE 2600)?
Grundsäzlich ist es wichtig zu wissen, in welchem Frequenzbereich die Messungen durchgeführt wurden. Einerseits kann man dann auf die Ausbreitungseigenschaften der Funkwellen besser achten und andererseits ist auch die Entfernung und die damit verbundene Datenrate besser zu beurteilen.

2. Welches Endgerät wurde für die Messung verwendet?
Wie bereits erwähnt, haben einige Endgeräte kleine Schwächen, Bugs und Anzeigefehler bei der Messung der Empfangswerte und der Signalqualität. Deshalb ist es wichtig, zu wissen, womit die Messungen erfolgt sind.

3. Wurde darauf geachtet, dass bei den Messungen an der Sektorgrenze das Endgerät immer in dieselbe Zelle eingebucht war?
Gerade im Randbereich der Sektoren kann es auch zu permanenten Wecheln der Sektoren (= Zellen) kommen, zu erkennen ist das dann an dem Wechsel der sogenannten Cell-ID. Leider wurde die Cell-ID bei den Messwerten mit protokolliert.

4. Anordnung der Sektoren (Abstand der Hauptstrahlrichtungen)
Normalerweise werden an Basisstationen Sektorantennen mit einem Öffnungswinkel von 120° verwendet, um einen Vollkreis-Abdeckung zu erreichen. An den Sektorübergängen kann es dann zu Interferenzen kommen, bei relativ ebenem Gelände ist dieser Bereich aber relativ begrenzt.
Bei schwierigem Gelände oder für die Versorgung weiter entfernter Ortschaften werden in speziellen Fällen Antennen mit einem Öffnungswinkel von 100° oder nur 90° verwendet. Im welligen Gelände wird der Überlappungsbereich durch die entstehende Lücke im Vollkreis komplett vermieden, zu Interferenzen kommt es dann nur durch die Wellenbeugung, Wellenbrechung oder Wellenreflektion an topografischen Hindernissen. Diese können aber dann fast vernachlässigt werden und ermöglichen lediglich auch einen Empfang der Basisstations-Signale in den Abdeckungslücken. Natürlich kann es dabei (standortabhängig) auch Probleme beim Empfang geben.
Zudem haben die Antennen mit dem kleineren Öffnungswinkel auch einen höheren Gewinn, somit wird die Reichweite der Station erhöht und auch weiter entfernte Ortschaften können noch erreicht werden.
Die Verwendung von Basisstationsantennen mit einem Öffnungswinkel von nur 65° hingegen ist aus meiner Sicht höchst ungewöhnlich, da die Abdeckungslücken zwischen den einzelnen Antennen doch recht groß ist:
- 3x 120°: Abdeckungslücke zwischen den Sektoren = 0°
- 3x 100°: Abdeckungslücke zwischen den Sektoren = 20°
- 3x 90°: Abdeckungslücke zwischen den Sektoren = 30°
- 3x 65°: Abdeckungslücke zwischen den Sektoren = 55°

Die Frage ist nun, ob die Antennen mit den kleineren Öffnungswinkeln tatsächlich im gleichmäßigen Abstand von 120° oder abweichend von dieser Standardkonfiguration montiert wurden. Bei einer abweichenden Montage können dann zwei der nicht abgedeckten Bereiche deutlich kleiner sein, zwangsweise gibt es dann aber auch eine wesentlich größere Lücke im dritten Bereich. Genaue Informationen zu den Hauptstrahlrichtungen der Stationsantennen kann man in der EMF-Datenbank der Bundesnetzagentur finden.

5. Gibt es auch Messwerte zum Empfangsfeldstärke (RSSI und/oder RSRP)?
Bewertet wurden bei den hier dokumentierten Messungen nur der RSRQ bzw. der SNR. Beides sind Werte, die auf die Verbindungsqualität schließen lassen, allerdings ist in beiden Fällen nur ein Rückschluss auf des Verhältnis von RSRP und RSSI möglich aber nicht auf den absoluten Empfangspegel. Wenigstens einer der beiden Empfangswerte ist aber notwendig, um die Verbindung grundsätzlich zu beurteilen, eine Angabe hierzu wäre also sehr hilfreich.

6. Weitere Probleme - Eingeschränkte Vergleichbarkeit der Messwerte aus folgenden Gründen:
- keine gleichbleibenden Entfernungen
- Unterschiedliche Tage (unterschiedliche Witterungen/Luftfeuchtigkeiten und Ausbreitungsbedingungen)
- Unterschiedliche Basisstationen (wahrscheinlich, wegen der unterschiedlichen Antennen), dadurch grundsätzlich andere Umgebungsvariablen
- Unterschiedliche Sendeleistungen der Basisstationen
- Unterschiedliche Topografie von den Testpunkten zur BS


Ein erster Schuss ins Blaue - Meine Interpretation:

Wenn die Anordnung der Stationsantennen im regelmäßigen Abstand erfolgt (Normalfall), dann gehe ich ganz fest davon aus, dass die entstehenden Interferenzen zwischen den Sektoren absolut gar nichts mit den Schwankungen bei den Messwerten zusammenhängt, da die Lücke im Abdeckungsbereich einfach zu groß ist.
Solange die Messpunkte sich innerhalb des Sektors nahe der Hauptstrahlrichtung befinden, wird sich nur der Gewinn der Stationsantennen auf die Messwerte auswirken. Dabei dürfte in der Regel die Antenne mit den 65° die besseren Karten haben, aufgrund des kleineren Öffnungswinkels dürften sie den höheren Gewinn haben, somit ist der EIRP und damit auch die Reichweite höher.

Bei einer identischen Entfernung ist somit dann auch der Empfangspegel am Endgerät höher und somit auch der Signal-Rauschabstand. Die reine Bewertung von RSRP und SNR ist hier nur bedingt möglich, wenn der Bezug zum Empfangspegel fehlt. Lediglich die erreichbare Datenrate könnte als Indikator dienen, da diese Messgröße aber grundsätzlich sehr schwankend ist, müssten mindestens 15 ... 20 Speedtest durchgeführt, die oberen und unteren Extremwerte entfernt und der Rest gemittelt werden.

An den Sektorgrenzen sind die Antennen mit dem kleinen Öffnungswinkel dann aber im Nachteil, da sich der Messpunkt eigentlich ja im nicht abgedeckten Bereich zwischen den Sektoren befindet. Dabei wurde der angegebene Öffnungswinkel bei den 65° bereits deutlich weiter verlassen, als bei den 90° - Antennen. Somit dürften die 90° - Antennen dann auch noch wesentlich besser in diesem Grenzbereich funktionieren. Aber auch hier wäre es wichtig, diese Aussage mit dem RSRP oder dem RSSI untermauern zu können. Alles in allem finde ich persönlich die Unterschiede zwischen den Messwerten aber auch nicht so gravierend, als das es sich hierbei nicht auch um netzseitige Schwankungen bzw. die natürliche Veränderung der Umgebungsvariablen und Übertragungseigenschaften handeln könnte.

Auch die etwas deutlicher abweichenden Werte am Messpunkt 1 (Download und SNR) sowie am Messpunkt 6 (RSRQ und SNR) sind mit den Empfangsbedingungen im unspezifizierten Bereich außerhalb der Öffnungswinkel erklärbar (oder auch nicht), da es hier eine ganze Reihe von Reflektionen und Mehrwegesignalen gibt (und somit absolut keine stabilen Empfangsverhältnisse vorherrschen), ist es nicht eindeutig auszumachen bzw. zuzuordnen, was dort gerade gemessen wurde.

 

[LTE_Fan_007]

zu 1.) Es handelt sich um LTE800, 10MHz Bandbreite
zu 2.) Der Download wurde mit einem K5005 LTE Stick von Huawei durchgeführt
zu 3.) Eine Aussage über den Sektor kann ich nachreichen nächste Woche.Das ist eine gute Frage über die ich noch gar nicht nachgedacht hatte
zu 4.) Die drei Sektoren sind folgendermaßen angeordnet: 0/120/240 Grad. Es handelt sich ferner eher um ein ebenes Gelände, keine Gebirge oder Berge. Die Hauptstrahlrichtung war bei beiden Antennenkonfigurationen jeweils identisch.
zu 5. ) Die Messwerte zum RSRP habe ich hier:



Erstmal danke für die bisherigen Interpretationen

 

[jonasolof]

Wäre es möglich auch RSSI zu geben? Ich finde es erstaunlich das RSRP bei den 65 Grad Antennen immer slechter ist. Dann fragt man sich ob RSSI auch swächer ist.

 

[tomas-b]

Ja, das ist in der Tat erstaunlich. Aber der RSSI wird das gleiche Bild zeigen, wahrscheinlich mit schwankenden Abständen zum RSRP, da der RSRQ ja auch schwankt.

Was mich noch mehr verwundert ist die Tatsache, dass zum Beispiel der Messpunkt 1 an der Sektorgrenze und mit der größten Entfernung zur Station einen wesentlich höheren Empfangspegel aufweist, als zum Beispiel die Messung an Messpunkt 2 mit nur 1,9 km Entfernung.

Ziemlich mysteriös, das Ganze und wahrscheinlich werden sich ein paar Messfehler eingeschlichen haben, die das Ganze dann etwas logischer machen...

 

[jonasolof]

I need to make my remarks in English, since correct German grammar takes a great effort. Bitte auf deutsch antworten.

So the basic question/Kernfrage is why there is more interference with a 65 degree antenna than with a 90 degree antenna. By the way, you have not stated the hypothesis for your work. There are a number of unknowns. Do the other sectors at the mast have the same 65 or 90 degree beam width? Is the degree of tilt the same for both types of antennas? Combining mechanical and electrical tilt can distort the enveloope.

Also, it can not be taken for granted that the 65 degree envelope is always inside the 90 degree envelope at the sides of the lobe. If the 65 degree antenna has higher gain than the 90 degree antenna at the sector border, the same would apply to the neighbor sectors and their DL traffic would cause interference.

You also need to discuss the Sector Power Ratio, how much of the radiated energy that is within the desired sector (or outside it).
At the World LTE conference in Amsterdam two weeks ago, I had the opportunity to learn about Cellmax antenna technology by talking to their representatives. Besides having less losses in the phasing arrays than the competition, so that more energy is radiated, they also state that they have a better Sector power ratio than others. At the sector borders (120 degrees), gain would typically be down about 10 dB. They also maintain that their antennas have a sharper roll-off so that the limits of the cell are better defined.

I found the senior person I spoke to to be most helpful and and pedagogic, a person one would wish for a Handleiter for a project on antenna patterns and interference. If you wish to contact Cellmax, you can send me a message and I'll give more info. Here is an article that touches your work.

 

[jonasolof]

Einfluss öffnungswinkel auf SINR und RSRQ... You have not said snything sbout SINR yet.

If interference comes from other cells than the serving cell, then SINR is affected. RSRQ gets worse when there is more downlink traffic in the serving cell and RSRQ is also affected by other cell interference and noise. In theory, SINR should not be affected by traffic in the own cell but according to my Cellmax interlocutor, orthogonality is not perfect so there can still be some own cell interference from traffic.

In order to know the sources and levels of interference you need to measure not only the serving cell but also the intrafrequency (band) neighbor cells. You will only get RSSI, RRP and RSRQ since SINR is only measured for the serving cell, at least with consumer equipment. I doubt that you can use Huawei User equipment to get the data that you need. i know of no AT command for a neighbor cell list, nor a command to get SINR. I would recommend using AVM6840 or 6842. However, AVM will only give you the global cell identity of neighbor cells, not PCI. A nokia 920 will give you PCI and RSSI, RSRP and RSRQ for all detectable neighbor cells, but not the global cell identity. A Samsung Galaxy LTE phone such as the S4 is quite useful to search for neighbor sectors, using various apps. However, it will not give you a neighbor cell list since that is not part of the Samsung API.

You mentioned that the surrounding landscape is flat. That makes it probable that there is spill over from other masts so that the general interference level can be high and affect speed unless you are well inside the coverage zone of the serving cell. I would travel around to map the near by masts and get their PCI and sector bearings. The easiest way to map the masts is with a Galaxy LTE phone and a tracking application. You can lock the Galaxy on 4G 800 MHz only. You can lock the AVM routers to band also, but not the Nokia.

Also, for consistent measuring, it is important that the antennas that you use are truly omnidirectional and adapted to the 800 MHz band. Any Huawei modem should be used with double antennas if speed test measurements are part of the data that you collect.

A remaining question is how much interference is actually caused by same cell traffic.

 

[jonasolof]

Several sectors can cooperate which changes the inter sector interference situation. They can cooperate both on the downlink and on the uplnk. This is coming in LTE advanced but is already implemented inter sites in South Korea. Cell cooperation makes a fast fiber backhaul system necessary.

 

[LTE_Fan_007]

@jonasolof: Vielen Dank! Deine Antworten haben mir sehr gut weiter geholfen. Alle Sektoren haben jeweils die selben 65 Grad bzw 90 Grad Antennen. Das Whitepaper zu den Auswirkungen von mechanischem und elektrischem Tilt habe ich mir angeschaut und fand es sehr interessant. Ich werde mir die Tage die Informationen über die mech. und elektr.Tilts besorgen und das dann in meine Auswertung mit einbeziehen. Meinen Vermutungen zufolge werden die Tilts jedoch bei beiden Antennenkonfigurationen jeweils unverändert sein.

Jetzt weiß ich auch woran es liegt, dass der RSRQ zum Teil besser wird in den Randbereichen der Zellen, während der SINR schlechter wird. Ich vermute, dass im Zuge des größeren Öffnungswinkels der RSRP der Serving Cell während der Standmessunggenen an den Zellrändern stärker wurde, wodurch auch der RSRQ besser wurde [vgl. S. 14 bei deiner Quelle über RSRQ]. Was den Downlinkverkehr an geht, so werde ich diese Tatsache, die ja auch Auswirkungen auf den RSRQ hat nun auch untersuchen, danke für den Hinweis.

 

[jonasolof]

So RSRP wirdt stärker in der Nähe von den Zellgrensen mit 90-grad antennen und deswegen wirdt auch RSRQ besser. OK. Aber was mit RSSI? Wirdt nicht auch RSSI stärker? RSRQ ist ja kein absoluter Zahl sondern nur der Diff zwischen RSSI und RSRP (minus 17,9 bei 10 MHz Bandbreite).

Darf ich fragen was der hauptsächliche Hypothes deines Studiums ist?

 

[LTE_Fan_007]

Ja auch der RSSI wird sehr ähnlich wie der RSRP auch größer. Jedoch kann ich mir das anders nicht erklären. DIe Verkehrsdaten in der ZElle habe ich ausgewertet und gesehen, dass während der Messungen mit den 90 GRad Antennen durchschnittlich 2 - 3 User mehr ins Netz eingebucht waren in den Sektoren B und C. Lediglich im A-Sektor gab es keine wirklichen Unterschiede bei der Userzahl.

In meiner Arbeit geht es darum zum einen festzustellen bei welchem horizontalen Öffnungswinkel die minimalen Interferenzen bei LTE gegeben sind und zum anderen die beste Coverage Versorgung bei GSM. GSM und LTE hängen jeweils an ein und der selben DUalband Antenne pro Sektor.

 

[LTE_Fan_007]

Ich habe mal ein neues bild mit RSRP, RSSI, RSRQ, sowie SINR angehängt. Bei den zuvor von mir eingefügten Grafiken waren einige von einem anderen UE. DIese werte stammen nun alle von dem selben Stick und sollte daher besser vergleichbar sein.