Störtålighet hos 3G-LTE mot oavsiktliga störningar Peter Stenumgaard Kia Wiklundh Karina Fors

Bakgrund 1 RAKEL för samverkan mellan FM och civila myndigheter Begränsningar 1.Lågt störskydd mot radiostörningar, 2.Låg kapacitet för dataöverföring, 3.Låg/ingen interoperabilitet över nationsgränser. Alternativ: 3G-LTE antingen som kompletterande system alternativt helt ersätta TETRA-baserade system MSB remissvar: tilldela 2x10 MHz i 700 MHz-bandet för LTE-baserade PPDR-tjänster

Bakgrund 2 Int initiativ att använda LTE som kommunikationssystem för rena militära tillämpningar, sk Tactical LTE Fördelar: främst sänka kostnader, uppnå en hög datatakt och sömlöshet mellan infrastruktur och kommunikationssystem Pågår idag studier och försök internationellt för att utvärdera dess lämplighet i olika militära situationer Fråga: uppfylls de särkrav som krävs för PPDR- och militära telekommunikationstjänster?

Högre datatakt en av drivkrafterna till att nyttja LTE till PPDR och militär kommunikation Gap mellan civila och militära system m a p datatakt

Civil konsumentteknik vs militär teknik Civil konsumentteknik: så hög kapacitet som möjligt Militära radiosystem: robusthet mot oavsiktlig och avsiktlig störning => störskydd på bekostnad av lägre kapacitet EgenskapKonsekvens sårbarhet Civil trådlös teknik optimeras för kapacitet istället för störskydd Trådlösa samhällsviktiga tjänster får lågt störskydd om civil teknik används. Militär användning av civil trådlös teknik ger lågt störskydd. Störskydd i civila trådlösa system är primärt till för att hantera andra kända användare i systemet/frekvensbandet Inget störskydd för andra störningssignaler än andra kända användare/signaler. Störskydd kostar kapacitet och vice versa

LTE, kort teknisk översikt Hög spektrumeffektivitet och överföringskapacitet Flexibel bandbredd; 1.4, 3,5, 10, 15 samt 20 MHz. OFDM-baserad => många underbärvågor á 15 kHz Anpassad datatakt till användarna där anpassningen bland annat beror på hur långt ifrån basstationen användaren befinner sig

LTE - utvecklingen Generation3GPP 3GRelease 4UMTS 3G Release 5HSUPA 3.5G Release 6HSUPA+ 3.5G Release 7HSPA + 3.5G Release 8/9LTE 3.9G 4G >100 Mbit/s till mobila användare Release 10 Release 11 Release 12 LTE Advanced 3GPP = 3rd Generation Partnership Project HSUPA = High-Speed Uplink Packet Access HSPA = High Speed Packet Access

För- och nackdelar LTE Fördelar Hög datatakt Låg fördröjning Kan användas för att ge interoperabilitet mellan nät, s.k. sömlöshet mellan nät Relativt låga kostnader Lägre underhållskostnader Flexibelt utnyttjande av frekvensband Ökande hotnivå Behov som täcks av publika tele- kommunikations- system Behov som täcks av publika tele- kommunikations- system Behov som krävs för militära kommunikationssyste m I II III Nackdelar Låg robusthet mot störningar Säkerhet, Centraliserad (cellbaserad) lösning ger stor utsatthet Vid gemensam infrastruktur med övriga samhället krävs fungerande prioritering Egen infrastruktur är kostsam

LTE – kontroll- och synkroniseringssignaler Flexibiliteten och dynamiken i LTE bygger på ett antal kontroll- och synkroniseringssignaler. Om dessa signaler störs så påverkar större eller mindre delar av systemet Lätt att störa LTE med avsiktlig störning LTE blir känsligt för oavsiktliga störningssignaler som hamnar på dessa signaler

Störkänslighet mot oavsiktlig störning Scenario En användare (UE) befinner sig i en LTE-cell där mottagningen fortfarande har en viss marginal för att hantera störningar med bibehållen tjänstekvalitet. I scenariot finns en oavsiktlig störningskälla på avståndet d från UE. Störningskällan antar någon av följande emissionsstandarder RE102, EN Class A och Class B omräknat till motsvarande störningseffekt. Undersöker avstånd då: 1.Denial of Service (DoS) inträffar (SIR=2.25 dB) 2.Medelmåttig datatakt inte kan upprätthållas (SIR=10 dB) Oavsiktlig störningskälla: RE102 Class A Class B NL UL eNodeB UE d LTE

Resultat – påverkan av oavsiktlig störning Beräknade SIR för tre bredbandiga interferenskällor: RE102, Class A Class B med LTE-bandbredden 10 MHz och frekvensen 806 MHz

Beräknade SIR för tre CW-källor vilka strålar i nivå med tillåtna emissionsnivåer för: RE102, Class A Class B frekvensen 806 MHz. Resultat – påverkan av oavsiktlig störning

Sammanställning resultat Frekvens806 MHz2655 MHz Class A2530 Class B815 RE Maximala störavståndet mellan en oavsiktlig störningskälla och LTE- systemet för att inte orsaka DoS. Nödvändigt samlokaliseringsavstånd mellan oavsiktliga störare och LTE- systemet för att kunna upprätthålla tjänst med medelmåttig datatakt. Frekvens806 MHz2655 MHz StörsignalAWGNCWAWGNCW Class A Class B RE102< Slutsats: Resultatet visar att till och med störningar som är i nivå med befintliga emissionskrav kan orsaka betydande påverkan

Sammanfattning LTE möjliggör stor flexibilitet och dynamik i användning av spektrum och tjänster samtidigt som höga datatakter och låg tidsfördröjning av data kan uppnås => intressant för samhällsviktig och militär kommunikation Samhällsviktig och militär kommunikation: ytterligare ett antal särkrav: robusthet mot störningar, höga krav på informationssäkerhet samt en robust arkitektur som klarar av att somliga delar slås ut LTE: känsligt mot radiostörningar, pga av att den flexibilitet och dynamik som erbjuds förutsätter att en rad störningskänsliga kontrollsignaler är intakta. För störningsnivåer som är lika höga som civila emissionsstandarder kan DoS inträffa på samlokaliseringsavstånd på flera tiotals- och i vissa lägen på hundratals meter.

LTE - översikt Basstationerna (eNodeB) implementeras som mjukvarubaserade radiosystem för stor flexibilitet Kort ramlängd (10 ms) och 1ms lång subramlängd => finindelad schemaläggning samt snabb hantering av störningsproblem Dynamisk frekvenshantering kan göras. Låga tidsfördröjningar end-to-end; ned till ms. Adaptiv kodning och modulation Carrier aggregation för att sätta samman bärvåger som antingen ligger bredvid varandra eller som ligger utspridda frekvensmässigt Funktioner för självorganiserande nätverk (eng. SON – Self Organizing Networks)

Övriga aspekter vid användning av LTE i samhällskritiska och militära tillämpningar Fördelar hos LTE: flexibelt: Basstationerna (eNodeB) implementeras typiskt som mjukvarubaserade radiosystem. Resurshanteringsfunktionerna är utvecklade så att dynamisk frekvenshantering kan göras. Låga tidsfördröjningar, kan komma ned i ms. LTE använder adaptiv kodning och modulation så att individuella resursblock kan bli oberoende kodade och modulerade. Detta möjliggör god förmåga att hantera exempel-vis fädning, radiostörningar eller effektbegränsning på utsänd effekt. I LTE kan man med s.k. carrier aggregation Carrier aggregation ger därför en stor flexibilitet i frekvensanvändandet, vilket kan vara fördelaktigt vid militärt användande. LTE innehåller funktioner för nätplanering så att så kallade självorganiserande nätverk (eng. SON – Self Organizing Networks) kan implementeras.

Systemparametrar Frekvensband800 MHz (2600 MHz) AnvändareUEeNode Uteffekt23 dBm 27 dBm (klass 2) 23 dBm (klass 3) 21 dBm (klass 4) dBm 60 W (10 MHz) 40 W (5 MHz) 20 W (3 MHz) Antennvinst0 dBTypiskt värde för 3-sektorantenn 18 (19.5) dB Kabelförluster, L kab 02 dB Antennhöjd, h UE 1.5 m30 m Brusfaktor, F9 (7) dB3 (2) dB Termiskt brusK*To*B där B beror på hur många allokerade resursblock (1 block 180 kHz), eller med B=10 MHz, eller 50 resursblock SINR min, för att bibehålla tjänstekravet för en medelmåttig datatakt 8.5 dB, vilket kan anses vara ett typiskt krav för en viss modulation, kodning etc, [22] SINR min, för att åstakkomma DoS2 dB, baseras på J/S=-2 dB och ger BEP=0.1 [3] Marginal mot interferenser, M I dB2 (2) dB Marginal för fädning, M fad 2 (2) dB Body loss, M body dB2 (2) dB0 (0) dB Bandbredd, B LTE 10 MHz (DL), 15 kHz (DL, ett resurselement) Mätbandbredd för RE102 Mätbandbredd för EN55022 Class A och Class B, B mät 100 kHz (1 MHz) 120 kHz (1 MHz) Höjd för RE102 och Class A samt Class B, h I 1 m