Solarfunkemission als Störung von Mobilfunknetzen

By | June 4, 2022
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Funkmessungen in Mobilfunknetzen und Sonnenrauschen

Alle Mobilfunknetze überwachen kontinuierlich die für die den Kunden angebotenen Kommunikationsdienste zugewiesenen Funkfrequenzen und empfangen ständig von jedem Benutzergerät (UE), wie z. B. Smartphone-Geräten, den Signalpegel der umliegenden Zellen und die zugehörigen Kanalqualitätsindikatoren.

UEs, um regelmäßig einen großen Satz von Messungen von Schicht 2 – MAC (3GPP TS 36.321) – und Schicht 3 – Funkressourcensteuerung (3GPP TS 36.331) zu senden, und mit MDT teilen UEs ihre Messungen regelmäßig mit dem Netzwerk (wenn ein global Positionsbestimmungssystem (GPS)-Empfänger aktiviert ist, EU-Messungen werden auch geolokalisiert).

Dieser Standardmechanismus erstellt täglich Milliarden von Messwerten, die die radioelektrische Entwicklung um jede Zelle herum beschreiben, wesentliche Informationen zur Optimierung der Frequenzbandnutzung und zur Bekämpfung der Auswirkungen von Funkstörungen und (unvermeidlich) umweltbedingtem elektromagnetischem Rauschen wie thermischem Rauschen, das sowohl von der Erde als auch vom Himmel kommt.

Die Big-Data-Analyse, ein recht neuer, aber jetzt konsolidierter Branchentrend, ermöglicht neue Untersuchungsrichtungen, die in der Lage sind, massive Funkdaten zu nutzen, einschließlich weniger häufiger Ereignisse, wie (aber nicht nur) Störungen der Sonnenaktivität.

Die Untersuchung von Solareffekten bei 2695 MHz auf 4G-LTE-Systemen mittels MDT ebnet den Weg für die Untersuchung von Effekten für den neuen 5G-Funkzugang, der das Submillimeterband unter 6 GHz und in naher Zukunft das Millimeterwellenband über 25 GHz annimmt.

Die Sonne könnte bei höheren 5G- und 6G-Frequenzen störender sein, und in der Zwischenzeit erweitern Mobilfunkdienste ihre Reichweite, um missionskritische Anwendungen mit geringer Latenz einzuschließen (z. B. in Kontexten wie: autonomes Fahren, Fernchirurgie, aktive Energie- und Wassernetze usw. ).

RAN-LTE-Installationen werden typischerweise in einer Konfiguration mit drei Sektoren verwendet14 um Kapazität und Funkabdeckung zu optimieren, Kombinieren von drei 120°-Sektoren (z. B. halbe Leistung bei +/– 60°), das gesamte (360°)-Territorium drumherum. Zellen sind gekennzeichnet durch ihre physikalische Position, durch das für die Kommunikation mit mobilen Endgeräten zugewiesene Frequenzband, durch die horizontale Ausrichtung (Azimut, Richtung des maximalen Antennengewinns) und durch die vertikale Ausrichtung, technisch auch die Neigung genannt. Typischerweise verwenden BS-Zellenantennen eine negative Neigung (dh sie zeigen nach unten zu Straßen und Gebäuden, in denen Menschen leben) oder eine Null-Neigung (dh sie zeigen zum Horizont). Daher zeigen Zellen im Allgemeinen nicht in Richtung Himmel, und der Antennengewinn nimmt in der vertikalen Richtung stärker ab (z. B. halbe Leistung bei +/– 10° Grad). Praktisch gesehen könnten solare Funkemissionen direkt Rauschen in Mobilfunkantennen einspeisen, selbst wenn der Azimut der Zelle mit dem Azimut der Sonne übereinstimmt, nur während des Sonnenauf- oder -untergangs, wenn die Neigung irgendwie auf die Sonnenhöhe (Null) am Himmel ausgerichtet ist.

Trotzdem dürfen wir nicht vergessen, dass vom Himmel kommende und auf den Boden (oder Dächer, Gebäude, Straßen usw.) auftreffende Sonnenfunkwellen Reflexionen und allgemeiner Streuung unterliegen. In Anbetracht der typischen Dezimeter-Wellenlänge vieler mobiler Bänder weltweit könnten solare Radiowellen tatsächlich auch durch Beugung von Kanten entlang der Erdoberfläche oder durch Beugung von menschlicher Infrastruktur auf der Erdoberfläche (z. B. Gebäude, Mauern, Autos) gebogen werden. Elektromagnetische Streuung, das Phänomen, das es ermöglicht, eine große Masse mobiler Endgeräte ohne die Notwendigkeit einer direkten Antennensichtbarkeit zu bedienen, schwächt die Rolle der Neigung der BS-Zellenantenne als Schutz vor Sonnenfunkstörungen und ermöglicht die Einspeisung in BS-Zellenantennen die solare Funkstörung, wenn die Neigung nicht auf die Sonnenhöhe ausgerichtet ist. Der einzige praktische Schutz vor Solarfunkstörungen bleibt die horizontale Ausrichtung der BS-Zellenantenne (Zellenazimut).

Um Störungen durch Sonnenrauschen im funkmobilen RAN von anderen Interferenzen zu isolieren, werden zwei Kriterien berücksichtigt. Das erste Kriterium nutzt die Fülle von Funkzellen aus, die auf einem ausreichend großen geografischen Gebiet bestehen (siehe Fig. 1). Tatsächlich kann eine einzelne Zelle durch lokales Rauschen um die Zelle herum beeinträchtigt werden, wohingegen Tausende von Zellen, die über einen weiten Bereich verteilt sind, eine Abschwächung lokaler Interferenzphänomene ermöglichen.

Abbildung 1

(hat) Eine Ansicht der MDT-Probendichte [measures/m2] in Bologna-Stadt. Zellen sind als dreieckig orientierte Sektoren sichtbar. Punkte für die geographische Kartendarstellung sind Pixel mit 1 m Seitenlänge. (b) Die sechs verschiedenen italienischen Nord-Ost-Gebiete (in Gelb), die an der Studie beteiligt sind, umfassen zusammen 15.051 km2.

Das zweite Kriterium nutzt die Fülle unterschiedlicher Zellausrichtungen (Azimut) aus, wodurch immer (zu jeder Tageszeit) eine bestimmte Untergruppe von Zellen ausgewählt werden kann, die sich in diesem Moment (horizontal) zum Sonnenazimut und einer anderen Untergruppe von Zellen ausrichten umgekehrt orientiert. Mit diesem Ansatz kann die HF-Leistung des Sonnenrauschens den ganzen Tag über verfolgt werden (siehe Abb. 2), wobei zu jedem Zeitpunkt die geeignete Untergruppe von Zellen ausgewählt und die Verhaltensunterschiede zwischen den beiden Untergruppen analysiert werden. Die sonnenexponierte Untergruppe zeichnet sich dadurch aus, dass der maximale Antennengewinn in Richtung Sonne liegt. Dagegen weist die andere Teilgruppe von Zellen den minimalen Antennengewinn in Richtung Sonne auf. Effekte, die speziell von der Zellausrichtung zur Sonne abhängen, können aus dieser dynamischen Teilung der Zellen in den beiden Gruppen hervorgehen, wenn man die von der einzelnen Zellgruppe kollektiv erzeugten Radiomessungen analysiert und die beiden Ergebnisse vergleicht.

Figur 2
Bild 2

Ein Beispiel für den Zahlenzellentrend während des 3. Juli in einem (Bologna-Gebiet, 3702 km2) von sechs an der Studie beteiligten Bereichen. „X“ gibt den Flare-Peak in der Röntgenemission an (italienische Ortszeit, UT+2H).

Frequenzseitig wurde das 2,6-GHz-Band (2500–2690 MHz) analysiert, das von der World Radiocommunication Conference (WRC) im Jahr 2000 für terrestrische Mobilfunkdienste zugeteilt wurde. Die Analyse des 2,6-GHz-Bandes bietet zwei Vorteile. Die erste solare Funkemission ist im 2,6-GHz-Band typischerweise stärker im Vergleich zu den anderen niedrigeren Frequenzen, die derzeit für mobile Funkkommunikation verwendet werden. Zweitens ist das 2,6-GHz-Band derzeit das LTE-Band, das den Frequenzen (im 100-MHz-Bereich von 2,75 GHz bis 2,85 GHz) am nächsten liegt, die das Penticton Radio Observatory ständig überwacht. Der solare Funkfluss bei 2,8 GHz wird auch als F10,7-Index bezeichnet. Der Index (10,7 ist die Wellenlänge in Zentimetern) ist ein ausgezeichneter Indikator für die Sonnenaktivität seit 1947, der einfach und zuverlässig täglich (siehe Abb. 3) bei allen Wetterarten gemessen werden kann und gut mit der Anzahl der Sonnenflecken korreliert15.16.

Figur 3
Bild 3

Der Penticton F10.7 Index im Jahr 2021 und die 6 Tage (graue vertikale Linien) vom 2. und 3. Juli, 16. August, 9. September, 8. und 9. Oktober werden verwendet, um den F10.7 Index mit der Störung zu vergleichen, die aus funkmobilen MDT-Messungen abgeleitet wurde 2,6 GHz.

Der Penticton F10.7-Index, ausgedrückt in sfu, setzt sich aus drei täglichen Messungen des Sonnenflusses zusammen, die jeweils einen Durchschnitt von einer Stunde darstellen. Der Zeitzonenunterschied (9 h) zwischen Kanada (Penticton) und Italien garantiert die Zeitnähe der Sonnenbeobachtung (im Sommer) nur für die erste tägliche kanadische Messung um 10:00 Uhr in Penticton (17:00 UT), eine Stunde, die 19 entspricht :00 in Italien.

Eine allgemeine Charakterisierung des Sonnenrauschens bei 2,6 GHz ist in Abb. 4, die den großen Unterschied zeigt, der bei diesen Frequenzen zwischen ruhigen Sonnenbedingungen und aktiven Sonnenbedingungen besteht.

Figur 4
Figur 4

Sonnenstrahlungsspektrum bei optischen und Radiofrequenzen, extrahiert von Christian Ho, Stephen Slobin, Anil Kantak und Sami Asmar17. Bei Wellenlängen von mehr als 1 cm unterscheiden sich die aktive Sonne (rote Linie) und die ruhige Sonne (blaue Linie) stark in Bezug auf die Strahldichte und folgen nicht der Schwarzkörperemission bei 6000 K (schwarze Linie). Die spezifische Situation bei 2,6 GHz wird mit den gepunkteten Linien hinzugefügt, die eine sfu-Variation um eine Größenordnung zeigen (ungefähr im Bereich 100–1000 sfu).

Um den Einfluss der Sonne auf mobile Funkdienste zu untersuchen, ist ein relevantes Funkmaß das Up Link Signal Interference Noise Ratio (UL_SINR), d. h. das Verhältnis (typischerweise in dB ausgedrückt) zwischen der Leistung, die eine BS-Zelle empfängt, wenn ein Signal gesendet wird (Up Link-Richtung ) durch ein mobiles Endgerät, und die Interferenz und das Rauschen, die dieselbe Zelle während der Kommunikation mit dem mobilen Endgerät auf denselben Ressourcenblöcken erfasst (RB ist die kleinste Einheit von Funkressourcen, die einem Benutzer zugewiesen werden kann, 180 kHz breite Frequenz).

Unter Nutzung von UL_SINR-Messungen an UpLink-RBs, die bei 2,6 GHz zugewiesen wurden, haben wir einen anderen Index, den „UL_SINR-Index“, definiert, um den Einfluss der Sonnenaktivität auf Funkmobile zu beschreiben. Der UL_SINR-Index wird gebildet, indem die Differenz zwischen dem Median der UL_SINR-Verteilungsmaße in Bezug auf Zellen gebildet wird, die in Richtung des Sonnenazimuts (mit einer Toleranz von ± 60°) gerichtet sind, und dem Median der UL_SINR-Verteilungsmaße in Bezug auf Zellen, die als Ergebnis darauf gerichtet sind umgekehrt (wiederum mit einer Toleranz von ± 60°). Durch Mittelung dieser Differenzen zwischen den UL_SINR-Verteilungsmedianen über eine Stunde und Änderung der Zellengruppe entsprechend dem Sonnenlauf im Laufe des Tages erhalten wir einen Wert, den UL_SINR-Index (ausgedrückt in dB), der mit dem entsprechenden F10 verglichen werden kann .7 Index (derselben Stunde). Die Idee hinter diesem Index besteht darin, die Erkennbarkeit von Sonnenrauschen in Bezug auf Mobiltelefoninterferenzen zu maximieren, die typischerweise zufällig um die von der versorgenden Zelle zugewiesenen RBs verteilt sind.

In Anbetracht der Tatsache, dass Mobilfunkzellen im gesamten Gebiet so verteilt sind, dass die Funkabdeckung und der Mobilfunkverkehr maximiert werden und gleichzeitig die gegenseitige Zellinterferenz minimiert wird, gibt es keinen Grund, einen UL_SINR-Verteilungsmedian zu haben, der von einer bestimmten Zelle abhängt Orientierungsrichtung, wenn wir eine große Anzahl von Zellen und Maßen in Betracht ziehen, um diese Verteilungen zu füllen. Daher ist die allgemeine Erwartung, dass der UL_SINR-Index nahe Null ist. Wenn ein Unterschied besteht und dieser Unterschied negativ ist, bedeutet dies, dass er eine Ursache hat, die das UL_SINR für die sonnenorientierten Zellen niedriger und für die entgegengesetzt orientierten Zellen höher macht. Mit anderen Worten zeigt die Antikorrelation zwischen dem Penticton F10.7-Index und dem UL_SINR-Index das Vorhandensein eines Einflusses der Sonne auf die Qualität des funkmobilen Uplink-Kanals, wobei das SINR einer der Indikatoren für eine gute oder schlechte Kommunikation im Funk ist ( Uplink)-Kanal.

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