Satellite UMTS power control algorithms

Abstract

UYDU UMTS GÜÇ KONTROLÜ ALGORİTMALARIÖZETUMTS ? Universal Mobile Telecommunication System, birçok mobil telefon uygulaması üzerinden yüksek veri alışverişini mümkün kılan üçüncü nesil bir mobil standardıdır. Yüksek servis kalitesi (QoS) ve kesintisiz ağlar gerektiren yeni nesil çoklu ortam ürünleri, bilgi teknolojileri ve telekomünikasyon servisleri UMTS üzerinden desteklenmektedir. Kabul edilebilir servis kalitesi ve küresel kapsama sağlayarak yeterli trafik miktarlarını destekleyebilmek için UMTS ile birleştirilmiş yeni nesil hücre mimarileri tasarlanmıştır. S-UMTS (Satellite UMTS), birleştirilmiş hücre mimarisine sahip yeni nesil bir ağ yaklaşımıdır. S-UMTS, UMTS' de kullanılan hava ara yüzü protokollerinin uydu hava ara yüzünde kullanılması imkânını sağlar. Bu yeni kullanımla S-UMTS, karasal T-UMTS' in (Terrestrial UMTS) kaplama alanlarının tamamlayıcı şemsiye hücresi olacaktır. S-UMTS' in T-UMTS çekirdek ağıyla bütünleşmesi sonucu, diğer IMT-2000 (International Mobile Telecommunications - 2000) ağlarıyla ara bağlantı kurulması da mümkün olacaktır.Uydu ve UMTS baz istasyonu olan Node B' deki farklı kanal karakteristikleri sebebiyle hava ara yüzü protokollerinin uydu hava ara yüzüne uyarlanması sırasında, T-UMTS standartlarında bazı modifikasyonlar gerekmektedir. Bu modifikasyonlar çoğunlukla uydu giriş ağındaki, yüksek uydu yer sinyal gecikmeleri, jitter, hızlı sinyal düşümü, gölgeleme ve benzeri yıkıcı etkilerin ortadan kaldırılmasını amaçlamaktadır.S-UMTS hava ara yüzü adaptasyonları çoğunlukla uydu çoğullama, güç kontrolü, çağrının el değişimi, sinyal işleme, farklı girişim senaryoları ve eşleme işlemlerinde uygulanmaktadır. Özellikle, yüksek gecikmeli uydu hava ara yüzünün sinyal üzerindeki yıkıcı etkilerini azaltmak için, sistem kapasitesini belirleyen yüksek girişim oranlarında çağrının el değişimi ve yeni güç kontrolü algoritmaları, uydu sistemlerine adapte edilmesi gerekmektedir.Yayılım gecikmesinin 240 milisaniyelere çıktığı GSO (Geostationary Orbit) uyduların uydu sinyalleşme linklerinde, yavaş sinyal tepkiselliği ciddi bir sorun oluşturmaktadır. Bu tür durumlarda, geleneksel iletim güç kontrol komutlarının gönderim ve işleme frekansları, T-UMTS sistemlerindeki güç kontrol düzeltme oranını sağlayamamakta, üstelik sinyal seviyesi üzerinde yıkıcı etkiye sahip olmaktadır. Bu geleneksel güç kontrolü algoritmaları kararsız ve düzensiz sinyal güç seviyesi değişimlerine, kararsız güç kontrolü çevrimleri ve kararsız örneklemelere sebep olmaktadır. Bu koşulların oluşması, hızlı veri taşınması özelliğine sahip olan 3G (üçüncü nesil) ağları için çokça önemli olan QoS (servis kalitesi) seviyelerinin azalmasına sebep olmaktadır.Telekomünikasyon enstitüleri tarafından son yayınlanan S-UMTS spesifikasyonlarına göre, güç kontrolü algoritmasının S-UMTS adaptasyonu sırasında, sinyal gücü salınışları, örnekleme ve güç kontrol çevrimlerindeki kararsızlıkların önüne geçebilmek için, birim zamanda gönderilen TPC (Transmit Power Control) komutlarının sayısı azaltılması gerekmektedir. Bu yıkıcı etkiler yüksek gecikmelere sahip uydu giriş ağı kanal yapısından kaynaklanmaktadır.Bu tezde, önerilen güç kontrol algoritması, C++ ile kodlanan bir S-UMTS giriş ağ simülasyonu üzerine uygulanmıştır. T-UMTS' de geçerli olan PC Mode algoritması S-UMTS' e adapte edilerek simülasyona uygulanmış ve simülasyon sonuçları farklı giriş parametrelerine karşı ölçülen çağrı düşüm oranlarına göre incelenmiştir. Ek olarak, yeni bir uyarlanabilir PC Mode algoritması yaklaşımı üretilerek simülasyona uygulanmış ve sonuçları gözlemlenmiştir. Uyarlanabilir PC Mode algoritmasında, TPC gönderim ve işleme frekansı, uydunun sinyal seviyesindeki değişim hızına göre dinamik olarak simülasyonun akışı ile birlikte değişmektedir.S-UMTS giriş ağı simülasyon sonuçları göstermektedir ki, özellikle izlenebilir yavaş sinyal gücü değişimlerine sahip olan GEO ve MEO uydularında, birim zamanda gönderilen ve işlenen TPC komut sayısındaki azalış, çağrı düşüm oranlarını belirli ölçüde azaltmıştır. Ancak, TPC komutlarındaki azalma, hızlı sinyal gücü değişimlerine sahip olan LEO uydularda, çağrı düşüm oranlarında artışa sebep olmuştur. Hızlı sinyal değişimine sahip ağlarda, servis kalitesinin TPC oranlarının azalışından olumsuz etkilenmesindeki en önemli sebep, TPC sayısındaki azalışın sebep olduğu güç kontrolü çevrim gecikmesindeki artmadır. Simülasyon sonuçlarına göre, uygulanan ?Uyarlanabilir PC Mode? algoritmasıyla gelen, TPC gönderim frekansındaki dinamik değişimler ile, çağrı düşüm oranlarının LEO uydularda azaldığını görülmüştür.Sonuç olarak, güç kontrol algoritmasının S-UMTS için önerilen adaptasyonu, yüksek gecikmeli uydu linklerinin hava ara yüzünde sinyal gücündeki salınışların azalmasında TPC komutlarının gönderim ve işleme frekanslarının ayarlanması ile etkili olmaktadır. Ancak simülasyon sonuçlarına göre gözlemlenmiştir ki bu frekans azalımı sadece yavaş sinyal salınışlarına sahip olan GEO ve MEO uydu sistemlerinde faydalı olmuştur. LEO uydu sistemleri için ise hızlı sinyal seviyesi değişimlerinin olumsuz etkisini yok etmek amacıyla, uyarlanabilir PC Mode gibi yeni güç kontrolü algoritmaları gerekmektedir. Böylece S-UMTS sistemleri, her tip yörünge uyduları için uygun servis kalitesi düzeyine erişebilirler.

SATELLITE UMTS POWER CONTROL ALGORITHMSSUMMARYUMTS ? Universal Mobile Telecommunication System is a third generation mobile standard that enables high bit rate data transfer over several mobile phone applications. New generation multi-media products, information technology and telecommunication services that require high QoS and reliable networks, are supported via UMTS. In order to support enough traffic rates with acceptable QoS values over global coverage, new mixed cell architectures are introduced with UMTS. S-UMTS (Satellite UMTS) is a new generation network approach that has mixed cell architecture. S-UMTS enables the use of UMTS air interface protocols via satellite air interface. With this new usage, S-UMTS will be the complementary umbrella cell for T-UMTS (Terrestrial UMTS) coverage areas. Also interconnection will be possible through other IMT-2000 networks with the integration of S-UMTS with T-UMTS core network.Due to different channel characteristics of satellite and traditional Node B, some modifications on T-UMTS air interface standards are required in the adaptation phase of air interface protocols through satellite air interface. These modifications are mostly applied for compensating high Satellite-Earth signal delays, jitter, Fast Fading, Shadowing, and similar destructive effects of satellite access network.S-UMTS air interface adaptation objectives are mainly applied on satellite diversity, power control, handover, on board processing, interference scenarios and synchronization issues. Especially for high interference that determines the system capacity, handover and new power control algorithm approaches must be adapted to satellite environment in order to reduce the defects of high delay satellite air interface on radio link channel.Since the propagation delay reaches up to 240 milliseconds for GSO satellite, the slow signal reactivity becomes a problem in a satellite signalling link. In such a case, traditional transmit power control commands sending and processing frequency will not match T-UMTS power control correction and furthermore it will be destructive. This power control algorithm may also cause unstable and irregular signal power level variation progress, unstable power control loops and over-sampling. These conditions reduce the QoS level that has vital importance for rapid data transfer systems like 3G networks.According to the latest S-UMTS specifications of Telecommunication Institutes, it is recommended that in the adaptation phase of Power Control Algorithm for S-UMTS, the number of TPC (Transmit Power Control) commands sent in unit time should be decreased, in order to prevent power oscillations, over-sampling and power control loop instabilities. These destructive effects are totally caused by the high delay satellite access network.In this thesis, the recommended power control algorithm is applied in a S-UMTS access network simulation coded in C++. T-UMTS PC Mode algorithm is adapted to S-UMTS and the simulation results are investigated considering the variation of drop rates with different input parameters. Additionally, a new approach Adaptive PC Mode algorithm is applied to the simulation process and the results are investigated. In the Adaptive PC Mode, the TPC sending and processing frequency, changes adaptively to the satellite signal level variation, dynamically during simulation progress.S-UMTS access network simulation results show that, the decrement of the processed TPC commands in unit time, decreases the drop rates rarely, especially in GEO and MEO orbit satellites which have slow tractable power level variation. However, the decrement in processing of TPC commands increases the drop rates in LEO satellites because of the rapid power level variations. Especially high loop delays in low TPC processing rates causes these high drop rates in satellite systems that have rapid signal power level changes. It is observed that with the integration of ?Adaptive PC Mode? the drop rates reduced in LEO satellites with the dynamic TPC frequency changes during simulation progress.In conclusion, the recommended adaptation of power control algorithm for S-UMTS is effective for adjusting the power oscillations in long delay satellite air interface with reducing TPC sending and processing frequency. But it is observed that this frequency reduction is beneficial only for GEO and MEO orbit satellite UMTS systems that have slow power level variations. For LEO satellite UMTS system, new TPC processing algorithms like Adaptive PC Mode can be effective to compensate against to the negative effects of rapid power level variations. So, S-UMTS systems can reach suitable quality of service levels for each orbit type satellites.