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Tema 4 redes_moviles
 

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    Tema 4 redes_moviles Tema 4 redes_moviles Presentation Transcript

    • Sistemas de Comunicación Tema 4: Redes MóvilesTema 4: Redes Móviles 1
    • Índice Global System for Mobile Communications (GSM). • Principios generales. • Canales lógicos. • Planificación de una célula basada en TDMA (Time Division Multiple Access). Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). • Principios generales. • Canales lógicos. • Planificación de una célula basada en WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access).Tema 4: Redes Móviles 2
    • GSM-Principios Generales• ¿Por qué aparece GSM? – Para resolver las limitaciones que establecían los sistemas analógicos de primera generación, i.e Moviline (sistema TACS 900). Fecha Hito 1982 Constitución del GSM en el CEPT (Conferencia Europea de Administraciones de Correos y Telecomunicaciones) 1985 GSM opta por construir un estándar digital 1986 Adopción de TDMA como tecnología de acceso al medio 1987 Firma del MoU (Memorando of Understanding) por 13 paises para acogerse a la norma GSM 1989 El grupo GSM se convierte en Comisión del ETSI (European Telecommunications Standards Institute ) 1990 Conclusión de la fase 1 de especificación, sistema pre-operacional 1991 Primeras pruebas e inicio de la explotaciónTema 4: Redes Móviles 3
    • GSM-Principios Generales• PLMN: Public Land Mobile Network.• El concepto es muy general – PLMN es una red de telefonía digital celular, de servicios integrados, que incluye todas las características de las redes fijas, además de funciones propias como la movilidad.• Servicios básicos RDSI• Movilidad• Gestión de red y abonados• Gestión de recursos radio Red MóvilTema 4: Redes Móviles 4
    • GSM-Principios Generales• Bandas de frecuencia (MHz) para el interfaz radio: enlace ascendente (uplink) / enlace descendente (downlink). 890-915 GSM 900 935-960 Comm. Tower 1710-1785 GSM 1800 1805-1880 Comm. Tower 1850-1910 GSM 1900 1930-1990 Comm. TowerTema 4: Redes Móviles 5
    • GSM-Principios Generales • El método de acceso al medio es TDMA (Time Division Multiple Access). • Trama básica: • Las tramas se agrupan en multitramas de señalización MF51 o de tráfico MF26. • Éstas se agrupan a su vez en supertramas (26 MF51 ó 51 MF26), y éstas, en hipertramas (2048), que es la unidad de máxima periodicidad.Tema 4: Redes Móviles 6
    • GSM-Arquitectura de Referencia I• El sistema GSM esta formado por tres subsistemas: – BSS (Base Station Subsystem) – NSS (Network and Switching Subsystem) – OSS (Operation and Support Subsytem) -> el que nunca se pone en los esquemasTema 4: Redes Móviles 7
    • GSM-Arquitectura de Referencia II • BSS (Base Station Subsystem): – Estación Móvil (MS): dividida en ME (Mobile Equipment) y SIM (Subscriber Identity Module) – BTS (Base Transceiver Station): es el punto inicial de planificación (transceptores y antenas) – BSC (Base Station Controller): controla las BTS – TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit): Adapta las velocidades de los canales de 16 a 64 Kbps • NSS (Network and Switching Subsystem): – HLR (Home Location Register): registro global de usuarios de la PLMN – VLR (Visitor Location Register): registro local de usuarios en una LA (Location Area) – MSC (Mobile Switching Center), GMSC (Gateway Mobile Switching Center): sistemas de conmutación (dentro de la red o con otras redes) – Centro Servidor SMS (Short Message Service) – Otros, SMS-IWMSC, EIR, AUCTema 4: Redes Móviles 8
    • GSM-Canales lógicos I • Se dividen en dos tipos: – Tráfico – Señalización • Canales de Tráfico: – TCH/F (Traffic Channel Full Rate): canal a velocidad total, datos a 9,6 Kbps, voz hasta 13 Kbps – TCH/H (Traffic Channel Half Rate): canal a mitad de velocidad, datos a 4,8 Kbps y voz hasta 6,5 Kbps. • Canales de Señalización: – Hay 9 canales de señalización divididos en tres categorías: – Canales de difusión • Canal de corrección de frecuencia FCH (Frequency Channel): sincronización de frecuencia entre el terminal móvil y la BTS. • Canal de sincronización temporal SCH (Synchronization Channel): sincronización del MS con la estación base. • Canal de difusión BCH (Broadcast Channel): difusión de información específica de la BTS.Tema 4: Redes Móviles 9
    • GSM-Canales lógicos II• Canales de Señalización (continuación): – Canales de señalización común • Canal de aviso PCH (Paging Channel): localiza y avisa al móvil de llamadas entrantes • Canal de acceso aleatorio RACH (Random Access Channel): canal de acceso a la red • Canal de concesión de acceso AGCH (Access Grant Channel): para conceder el acceso del móvil a la red – Canales de control dedicados • Canal independiente dedicado de control SDCCH (Stand-Alone Dedicated Control Channel) para señalizar la conexión/desconexión • Canal lento asociado de señalización SACCH (Slow Associated Control Channel), asociado a un TCH o SDCCH para información como el time in advance (usado para sincronismo, localización), etc. • Canal rápido asociado de señalización FACCH (Fast Associated Control Channel): por medio del robo de bits envía información de señalizacion asociada a un TCH (para traspasos, por ejemplo)Tema 4: Redes Móviles 10
    • GSM-Planificación de una célula• En el diseño de una célula en GSM –TDMA hay que considerar principalmente: – Propagación radio – Tráfico – Balance de la célula (balance de potencia) – Planificación de frecuencias Es importante saber los tipos de BTS de los que se dispone Tema 4: Redes Móviles 11
    • GSM-Planificación de Frecuencias• Consideremos el siguiente esquema. Las células A y C tienen la misma frecuencia. • La distancia entre los centros de dos células consecutivas es: d = R⋅ 3 • La distancia D entre dos células con la misma frecuencia se obtiene según la ecuación (D: distancia de reutilización): i,j: desplazamientos según los ejes marcados, desde el origen ( ) D2 = i2 + j2 + i ⋅ j ⋅ d 2• Por lo tanto obtenemos el siguiente valor: D R = (i 2 ) + j2 + i ⋅ j ⋅3Tema 4: Redes Móviles 12
    • GSM-Planificación de Frecuencias• Únicamente consideramos distancias normalizadas, es decir, valores enteros de i, j.• En la figura las estaciones A, B, C y D están separadas la distancia D, y forman el llamado rombo cocanal. Las estaciones en su interior tienen que usar otra f. • El área de la agrupación es igual a la del rombo: D2 ⋅ 3 Sa = 2 • El área de la celda es: 3⋅ R2 ⋅ 3 Sc = 2 • Si el área de la agrupación es S a = J ⋅ S c (J es el tamaño de la agrupación): 2 1 D J=   J = i2 + j2 + i ⋅ j 3 R Tema 4: Redes Móviles 13
    • GSM-Planificación de Frecuencias• A la relación calculada en la transparencia anterior se la denomina relación geométrica. SÓLO son posibles los tamaños de agrupación dados por esta expresión.• En sistemas analógicos se utilizan valores de i, j (2,2) y (2,1) que conducen a agrupaciones de J=12 células y J=7 células.• En GSM se utiliza habitualmente (2,0), J=4 ó (1,1) con lo que J=3.• Si estamos considerando estaciones sectorizadas, el número de células se multiplica por S sectores, y se utiliza la notación J / S·J. En el caso de S=3, muy típico en GSM, estamos considerando 4/12 y 3/9. – Las antenas sectorizadas permiten incrementar la capacidad frente a las omnidireccionales.Tema 4: Redes Móviles 14
    • GSM-Balance del sistema• Es importante limitar las radiaciones para no producir interferencias, y para no gastar potencia en exceso.• Esquema de transmisión / recepción:Tema 4: Redes Móviles 15
    • GSM-Balance del sistema • Planteamiento de las ecuaciones de balance (unidades logarítmicas): PRX _ MS = PTX _ BTS − LC _ BTS + GTX _ BTS − Lcell + G RX _ MS − LS _ MS PRX _ BTS = PTX _ MS − LS _ MS + GTX _ MS − Lcell + G RX _ BTS − LC _ BTS • Restando ecuaciones: PRX _ MS − PRX _ BTS = PTX _ BTS − PTX _ MS • Llevando las potencias recibidas al mínimo (límite de cobertura): PTX _ BTS − PTX _ MS = MS sens − BTS sens • Y finalmente: Es decir, la potencia de transmisión de la BTS es PTX _ BTS = (MS sens − BTS sens ) + PTX _ MS superior a la del MS (+ diferencia de sensibilidades)Tema 4: Redes Móviles 16
    • GSM-Propagación radio I • Con la potencia calculada anteriormente se replantea la ecuación del enlace descendente: MSsens = P _ BTS + GTX_ BTS − LC _ BTS − Lcell + GRX_ MS − LS _ MS TX • Se emplea la fórmula empírica de Okumura–Hata para el cálculo del radio por propagación. Este modelo es diferente para la banda de 900 MHz y para las bandas de 1800/1900 MHz. – El modelo Okumura-Hata original es válido hasta 1500 MHz. – Para las frecuencias de 1800/1900 MHz, se utiliza la modificación del modelo COST 231. • Las pérdidas por propagación se calculan como: Lcell = F + B ⋅ log(R ) − E + GTema 4: Redes Móviles 17
    • GSM-Propagación radio II• Los parámetros del modelo Okumura-Hata son los siguientes: F = 69,55 + 26,16 ⋅ log( f c ) − 13,82 ⋅ log(hb ) B = 44,9 − 6,55 ⋅ log(hb ) E = 3,2 ⋅ (log(11,75 ⋅ hm )) − 4,97 2 Para ciudades grandes con f c ≥ 300 MHz E = 8,29 ⋅ (log(1,54 ⋅ hm )) − 1,1 2 Para ciudades grandes con f c < 300 MHz E = (1,1⋅ log( f c ) − 0,7 ) ⋅ hm − (1,56 ⋅ log( f c ) − 0,8) Para ciudades pequeñas o medianas G = 0 dB• Donde: • fc : frecuencia central (MHz) • hb: altura de la antena de la estación base (m) • hm: altura del móvil (m)• Finalmente el Radio de la célula por propagación ( Lcell + E )− (G + F ) (Km) se calcula como R = 10 BTema 4: Redes Móviles 18
    • GSM-Propagación radio III• Modificación del modelo COST 231 para el rango superior de frecuencias (también se usa en UMTS): F = 46,3 + 33,9 ⋅ log( f c ) − 13,82 ⋅ log(hb ) B = 44,9 − 6,55 ⋅ log(hb ) E = 3,2 ⋅ (log(11,75 ⋅ hm )) − 4,97 2 Ciudades grandes E = (1.1⋅ log( f c ) − 0.7 ) ⋅ hm − (1.56 ⋅ log( f c ) − 0.8) Ciudades pequeñas G = 3 dB Urbano denso G = 0 dB Resto• Modelo válido para 1500 MHz < fc<2000 MHz.• R se calcula de la misma forma que para el modelo anterior.Tema 4: Redes Móviles 19
    • GSM-Tráfico • La limitación por el tráfico en una célula GSM se debe realizar teniendo en cuenta dos factores principales: – Movilidad – Tráfico y probabilidades de bloqueo • Modelo de Movilidad – Se parte de las siguientes consideraciones: • La densidad de población ρM es constante dentro de la celda. • La forma geométrica de la celda es un círculo de radio Req. • Los móviles se desplazan dentro de la celda con una velocidad media constante v. La dirección de desplazamiento es una variable aleatoria con distribución uniforme. En la celda hay unos porcentajes PL y PR de usuarios con velocidad lenta (peatones) y con velocidad rápida (sobre vehículos), con velocidades VL y VR, respectivamente.Tema 4: Redes Móviles 20
    • GSM-Tráfico • El radio equivalente se calcula como: 3⋅ 3 2 Req = ⋅ Rcell 4 ⋅π 2 • El número de móviles en la célula es : M = π ⋅ Req ⋅ ρ m • La velocidad media se calcula con la siguiente PR ⋅ VR + PL ⋅ VL V= expresión: 100 • Se definen los siguientes valores temporales • Duración media de la llamada T, T = 1 µ • Tiempo de residencia medio de un móvil en una célula con una llamada en activo Tr, Tr = 1 η • Tiempo de ocupación medio de un canal en una celda Tocup, Tocup = 1 µ ocup Tocup = min(Tr , T )Tema 4: Redes Móviles 21
    • GSM-Tráfico • El número de móviles que cruzan la célula es: N c = 2 ⋅ ρ m ⋅ V ⋅ Req • La tasa de cruce por móviles activos y en llamada se obtiene dividiendo el número de móviles activos que cruzan el borde de la célula entre el total. – k: fracción de móviles activos en el momento de cruzar el borde de la célula. Nc V η =k⋅ = 2⋅k ⋅ M π ⋅ Radio • Por las propiedades de la exponencial negativa, y teniendo en cuenta que el tiempo de residencia del móvil en la célula con llamada en activo es la inversa de la tasa de cruce: 1 Importante Tocup = η+µ T T • La tasa media de traspasos se define finalmente como: γ = → Tocup = Tr 1+ γTema 4: Redes Móviles 22
    • GSM-Tráfico • Modelo de tráfico • BTS • Premisas: - C canales totales - Tasas de llegada Λ y Λh - Ch reservados para 1 1 handover (traspaso) - Tiempo de ocupación canal: Tocup = = µocup η+µ Λ+Λh Λ+Λh Λ+Λh Λh Λh µocup 2·µocup (C-Ch)·µocup (C-Ch+1)·µocup C·µocupTema 4: Redes Móviles 23
    • GSM-Tráfico • Las probabilidades para los diferentes estados se definen como: −1  (Λ + Λ h ) + C −Ch k C (Λ + Λ h ) ⋅ Λ C −Ch  k − ( C −Ch ) P0 =  ∑ k ∑ +1 k h   k =0 k!⋅µ ocup  k =C −Ch k!⋅µ ocup    (Λ + Λ h ) j ⋅ P  j 0 j = 1,2,...., C − Ch  j!⋅µ ocup Pj =   (Λ + Λ h )C −Ch ⋅ Λ jh−(C −Ch ) ⋅ P j = C − C + 1,...., C  j j!⋅µ ocup 0 h  • La probabilidad de bloqueo para las nuevas llamadas generadas en la celda se calcula como la suma de las probabilidades de estar en los estados desde C-Ch hasta C: C PB = ∑P j =C −C h jTema 4: Redes Móviles 24
    • GSM-Tráfico • La probabilidad de bloqueo para las llamadas traspasadas (failed handover) es la probabilidad de estar en el estado C: Pf h = PC • Si con las probabilidades se cumplen los objetivos de QoS, se puede calcular el tráfico que genera una célula con las siguientes expresiones: M ⋅ λc Tasa de llamadas Λ= nuevas por móvil Λh = γ ⋅Λ 3600 (llamadas/móvil/HC) Modelo de Movilidad  Λ + Λh  Tráfico total Α=  ⋅ T Erlangs  3600  – Todo está referido a la hora cargada (HC).Tema 4: Redes Móviles 25
    • UMTS-Concepto e historia • La tercera generación de móviles se denomina genéricamente IMT-2000 (International Mobile Telecommunications), y comprende trasmisión terrestre y por satélite. • En la versión terrestre, no existe una única versión sino que son diferentes tecnologías (5) en forma de diferentes sistemas (4). • En Europa el camino empezó con los proyectos CODIT (Code Division Testbed) y FRAMES (Future Radio widebAnd Multiple accEss Systems) (90’s). • A partir de pruebas con WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), el ETSI decidió tomarlo como estándar de acceso al medio en 1998. • La primera especificación se completó en 1999, y se hubiera debido implementar en 2000-2001.Tema 4: Redes Móviles 26
    • UMTS-Bandas de Frecuencia • Existen dos modos en WCDMA: – FDD (Frequency Division Duplex): 1920-1980 UL (ascendente) y 2110-2170 DL (descendente) – TDD (Time Division Duplex): 1900-1920 y 2020-2025 MHz (Europa)Tema 4: Redes Móviles 27
    • UMTS-Acceso al medio • Una de las características más novedosas de los sistemas de 3G es el interfaz radio, donde se emplea WCDMA. • WCDMA se define como un sistema de banda ancha de acceso múltiple por división de código de secuencia directa: – Se parte de una señal de banda estrecha, que se multiplica por una secuencia pseudo-aleatoria de banda ancha, con lo que me resulta una señal de banda ancha. – Si esta señal modificada es multiplicada por la misma secuencia, se recupera la señal original, pero si se multiplica por otra secuencia se recupera básicamente ruido aleatorio. – Las señales de otros usuarios quedan como ruido añadido a la secuencia deseada decodificada, y van produciendo una degradación en la recepción. – La limitación del sistema viene dada por el grado de interferencia, es decir, cuando la suma de las interferencias provocadas por las demás señales no permiten recuperar la originalTema 4: Redes Móviles 28
    • UMTS-Acceso al medioTema 4: Redes Móviles 29
    • UMTS-Acceso al medioTema 4: Redes Móviles 30
    • UMTS-Acceso al medio • Características relevantes de WCDMA: – Soporta velocidades de hasta 2 Mbps – Tasa de chip de 3,84 Mcps – Ancho de banda ajustable bajo demanda – Velocidad estable en tramas de 10 ms – Ancho de banda total de 5 MHz – Utilización de receptores RAKE (“rastrillo”) con detección coherente, adecuados para combatir el multitrayecto – Hard, Soft y Softer Handover, lo que da flexibilidad y robustez al sistema – Efecto de soft capacity: la degradación por acumulación de usuarios va creciendo de forma paulatina, de forma que no hay un límite “hard” de la capacidad. Además, si las células colindantes están poco cargadas, el efecto soft capacity significa que el número de conexiones disponibles en la celda se incrementa al haber menor interferencia intercelularTema 4: Redes Móviles 31
    • UMTS-Arquitectura de Referencia• Al igual que en GSM se encuentra dividida en tres partes: – UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) – Core Network (núcleo de la red) – Red de GestiónTema 4: Redes Móviles 32
    • UMTS-Arquitectura de Referencia • UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) – TE (Terminal Equipment) o MS: compuesto por el equipo móvil ME, que es el hardware y que en ocasiones contiene alguna aplicación, y por el USIM (UMTS Subscriber Identity Module), que es la tarjeta extraíble. – Nodo B: análogo a la BTS, y desempeña funciones en la capa física como asignación de códigos, entrelazado, etc. – RNC (Radio Network Controller): encargado de la gestión de recursos radio, control de admisión y asignación de rangos de códigos • Core Network – GMSC (Gateway Mobile Services Switching Centrer): desempeña funciones relativas a la comunicación en modo circuito. Controla el MGW (Media GateWay), que agrupa las funciones físicas (frente a las lógicas) – SMS-GMSC: es el interfaz con el centro servidor de mensajes cortos. – SGSN (Serving GPRS Support Node), GGSN (Gateway GPRS Support Node): desempeñan funciones de control relativas a la comunicación en modo paquete (GPRS-General Packet Radio Service: modo de transmisión de datos con conmutación de paquetes)Tema 4: Redes Móviles 33
    • UMTS-Arquitectura de Referencia • Core network (continuación): – Servidores SIP y H.323: controlan el servicio de voz sobre IP y servicios multimedia – Servidor AAA (Authentication, Authorization, Accounting): autentificación, seguridad, tarificación para los servicios en modo paquete – MGW (Media GateWay): funciones en el plano de usuario para comunicaciones en modo circuito y modo paquete – HSS (Home Subscriber Server) misma funcionalidad que el HLR, pero ampliada a modo paquete – SCP (Service Control Point): lógica de control de servicios inteligentes como VPN (Virtual Private Network)Tema 4: Redes Móviles 34
    • UMTS-Canales Lógicos • En WCDMA existen dos tipos de canales: – Canales de Control – Canales de Tráfico • Canales de control – Trasportan datos de señalización de usuarios. – Canal de control de difusión (BCH – Broadcast Channel): canal descendente para hacer difusión de información de control. – Canal de control de aviso (PCH – Paging Channel): canal descendente que transporta información de aviso. – Canal de control dedicado (DCCH – Dedicated Control Channel): es una canal de control punto a punto bidireccional que trasmite información entre el terminal y la red. Este canal se establece durante el el procedimiento de conexión RRC (Radio Resource Control). – Canal común de control (CCCH – Common Control Channel): es un canal bidireccional utilizado para la transmisión de información entre los terminales móviles y la red.Tema 4: Redes Móviles 35
    • UMTS-Canales Lógicos • Canales de Tráfico – Transportan datos de usuario. – Canal de tráfico dedicado (DTCH – Dedicated Traffic Channel): es un canal punto a punto dedicado a un único equipo de usuario para la transferencia de información. • Puede ser tanto ascendente como descendente. – Canal de tráfico común (CTCH – Common Traffic Chanel): es un canal punto a multipunto unidireccional para la transmisión de información de usuario a un grupo de terminales.Tema 4: Redes Móviles 36
    • UMTS-Planificación • Existen una serie de factores importantes a la hora de realizar la planificación de una célula cuya tecnología de acceso se basa en WCDMA: – Propagación radio. – Tráfico multiservicio y multitasa – Sensibilidades del receptor para diferentes servicios. – Valor de Eb/N0 mínimo – Distribución de población – Movilidad de los usuarios – Limitación en potencia de la estación base • Ahora ya no hay planificación de frecuencia como en GSM, pero hay otros aspectos que hay que tener en cuenta.Tema 4: Redes Móviles 37
    • UMTS-Eb/N0, Sensibilidades • El valor de Eb/N0 requerido para poder detectar la señal se define como la relación mínima admisible entre la potencia de señal y la potencia de ruido interferente. • Depende de múltiples factores: – Tasa binaria – Tipo de servicio: Datos/Voz, Tiempo Real/No Tiempo Real, etc. – Velocidad del móvil, perfil multitrayecto – Algoritmos de recepción y estructura de la antena – Canal DPCCH (Dedicated Physical Control Channel – canal ascendente que transporta información de control de la capa física)Servicio R (kbps) Característica Velocidad (Km/h) Eb/No (dB) UL Eb/No (dB) DLVoz 8 Interior A 3 4,8 6,7Voz 8 Peatonal A 3 4,8 6,8Datos (RT) 64 Interior A 3 2,3 1,9Datos (RT) 64 Peatonal A 3 2,4 1,9Datos (RT) 64 V ehicular A 120 3,8 3,7Datos (NRT) 144 V ehicular A 120 3,0 2,9Datos (NRT) 384 Peatonal A 3 0,4 0,1Tema 4: Redes Móviles 38
    • UMTS-Movilidad • Como se ha visto en la diapositiva anterior, un mismo servicio con diferentes velocidades del terminal móvil requiere diferentes valores de Eb/N0. • También se presentan diferentes valores dependiendo del nivel de los desvanecimientos en el canal (características “Peatonal A”, “Vehicular A”, etc.). • Por estas razones, un servicio con i velocidades se considera como i servicios diferentes. • La política de dimensionado que se verá consiste en asignar a cada servicio de forma fija una cierta capacidad. • De esta manera, a los i servicios (que realmente es el mismo, pero con diferentes velocidades) se le asignan i subdivisiones de la capacidad. • Con esta política se consiguen fijar unas capacidades para el traspaso, pues se considera un equilibrio dinámico en el flujo de móviles entre las células (esto es, el número de móviles que entra es aproximadamente igual al que sale).Tema 4: Redes Móviles 39
    • UMTS-Distribuciones de Usuarios • El dimensionado visto en GSM sólo consideraba un servicio típico: servicio de voz. • En WCDMA puede haber varios servicios en funcionamiento. • El planificador debe tener en cuenta la densidad de usuarios de cada uno de ellos. • También hay que tener en cuenta los parámetros de conexión correspondientes: – Número de llamadas/conexiones en la hora cargada. – Duración de la conexión.Tema 4: Redes Móviles 40
    • UMTS-Propagación Radio • Objetivo: calcular el radio de la célula. • Enlace ascendente (Terminal móvil – Nodo B). – La potencia isotrópica radiada equivalente es función de la potencia de la antena trasmisora, PTX, de las pérdidas superficiales, LS, y de la ganancia de la antena GTX: EIRP = PTX + GTX − LS – Sensibilidad del receptor para el servicio K considerando la Eb/N0 requerida, y siendo PIRX el ruido total efectivo: E  S K =  b  − G p + PIRX N   0 K – El valor Gp es la ganancia de procesamiento, es decir, el factor en el que se ensancha espectralmente la señal. Si VbK es la tasa binaria, W la tasa de chip y υK el factor de actividad, es decir, los silencios entre datos:  W  G p = 10 ⋅ log  V ⋅υ    bK K Tema 4: Redes Móviles 41
    • UMTS-Propagación Radio – WCDMA es un sistema limitado por interferencia, y, como tal, la potencia de ruido total tiene una componente de ruido aleatorio, y una componente de interferencia. – El ruido total efectivo se calcula como la suma del ruido término más el margen de interferencia: PIRX = NTE + MI = DN + 10 ⋅ log(W ) + MI DN = 10 ⋅ log(kT ) + 30 + N F – W representa el ancho de banda de la señal ensanchada, W=3.84 Mcps, NF la figura de ruido del receptor, k la constante de Boltzmann, y T la temperatura absoluta en grados Kelvin (se suele suponer 290 ºK). 10·log(kT) está en dBW·s, y DN, en dBm·s (=–174 dBm·s=–204 dBW·s). – MI es el margen de interferencia, es decir, lo que una célula interfiere dentro de otra.Tema 4: Redes Móviles 42
    • UMTS-Propagación Radio – La pérdida máxima en la trayectoria se calcula como: LMaxp , K = EIRP − S K + GRX − Lcable − M FF – GRX es la ganancia de la antena en el Nodo B, Lcable, las pérdidas en el cable que une la antena al equipo del Nodo B y MFF es el margen por desvanecimiento rápido. Lcell , K = LMaxp , K − M SF + GSH – Lcell,K es el valor objetivo que queremos hallar, MSF es el margen por el desvanecimiento lento y GSH es la ganancia por soft handover. • Enlace Descendente (Nodo B – Terminal móvil). – Recordemos que es simétrico, bastará con cambiar la PTX del móvil por la de la BTS, así como las ganancias y sustituir el valor de la pérdida superficial por la del cable.Tema 4: Redes Móviles 43
    • UMTS-Propagación Radio • Para calcular el radio celular, se aplica el mismo método que se ha visto en GSM. • Ahora hay que aplicar el modelo COST 231 modificado, pues la frecuencia de funcionamiento (fc) es de alrededor de 2000 MHz. • El radio por propagación para cada servicio determinado, en función de la dirección del enlace (DL, UL), de la sensibilidad y de la relación señal-ruido requerida, será, finalmente: (Lcell ,K + E )−(G + F ) RK = 10 B – Donde los factores E, F, B, G tienen el significado visto para GSM.Tema 4: Redes Móviles 44
    • UMTS-Tráfico • Enlace ascendente – Se considera un único servicio K con su valor de Eb/N0 correspondiente. Éste valor se relaciona con la potencia de la señal PK mediante la siguiente expresión:  Eb  P ⋅G  N   = K pK  0  K I total − PK – Siendo Itotal la interferencia total, que tiene también en cuenta la potencia de ruido térmico. La ganancia de procesado tiene la siguiente expresión: W GpK = VbK ⋅υ K – Con VbK la velocidad binaria, W la tasa de chip y υK el factor de actividad del servicio. Si se sustituye la ganancia de procesado en la ecuación anterior, se obtiene:  Eb  W PK  N   = ⋅  0  K VbK ⋅υ K I total − PKTema 4: Redes Móviles 45
    • UMTS-Tráfico – Despejando la potencia PK en función de Eb/N0, se obtiene: 1 PK = ⋅ I total 1 1+  Eb    N  ⋅ VbK ⋅υ K   0 k W LK – Se definirá el factor de carga LK del servicio K como el factor que relaciona la potencia del servicio con la interferencia total. Se verifica fácilmente que debe ser inferior a la unidad. PK = LK ⋅ I total – Si se consideran ahora todas las NK conexiones posibles del servicio K: I total − PN = N K ⋅ PKTema 4: Redes Móviles 46
    • UMTS-Tráfico – El valor de la interferencia es la suma de las potencias de todas las conexiones a la que sustraemos el ruido térmico. Sustituyendo en la ecuación anterior, se llega a la siguiente ecuación: I total 1 = PN 1 − N ⋅ L   K K  – Se trata del factor de elevación de ruido NFR (Noise Floor Raise), y es un valor fundamental en el diseño, pues mide la calidad del sistema. – Un NFR de valor 1 indica la situación ideal de célula no cargada, y de infinito cuando la célula esta al límite de su capacidad. – En general como criterios de diseño el valor de NFR no debe subir de 5, que representa un factor de carga global de 0,8. – Una medida aconsejable es 2,5, que representa carga total de 0,6. – En el cálculo de este factor se consideran todas las conexiones de todos los servicios. Aplicándolo al caso de un único servicio K con NK conexiones tenemos el valor anterior: 1 NFR =  1 − N ⋅ L   K K Tema 4: Redes Móviles 47
    • UMTS-Tráfico – Simplificando la notación, se llama factor de carga del enlace ascendente para el servicio K a la agrupación de todas las conexiones: ηUL = N K ⋅ LK K – Se debe considerar también el efecto interferente de las células colindantes. Esto se realiza mediante el factor de interferencia intercelular i que es independiente del servicio: I intercélula i= I intracélula – Este factor cuantifica el grado de interferencia de las conexiones de las células colindantes, con lo que influye en el factor de carga como ηUL = (1 + i ) ⋅ N K ⋅ LK KTema 4: Redes Móviles 48
    • UMTS-Tráfico – Finalmente considerando los N servicios posibles en la célula N 1 ηUL = (1 + i ) ⋅ ∑ N K ⋅ 1 K =1 1+  Eb    N  ⋅VbK ⋅υ K   0 K W – Y el factor de elevación de ruido total: 1 NFR =   1 − η   UL  • Enlace Descendente – Las ecuaciones en el enlace descendente son similares a las del ascendente salvo en que se debe introducir el factor de ortogonalidad. En el DL se emplean códigos OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) que son ortogonales, pero debido a retrasos el móvil puede recibir parte de la señal del Nodo B como interferencia. – El valor del factor de ortogonalidad varía entre 0.4 y 0.9.Tema 4: Redes Móviles 49
    • UMTS-Tráfico – El valor del factor de carga en el enlace descendente para una única conexión de un único servicio K es:  Eb   N   η DLK = υ K ⋅  0  K [(1 − α ) + i ] W K K VbK – El factor de interferencia iK no es el mismo en todas las conexiones, pues no todos los móviles están en la misma posición, sin embargo se toma un valor medio, lo que también se hace con el factor de ortogonalidad αK. – Considerando todos los servicios de la célula, se obtiene:  Eb   N    0 K 1+ α + i N η DL = ∑ N K ⋅υ K ⋅ W [( ) ] K =1 VbK – Nota: el enlace descendente presenta una limitación adicional debido a la potencia de la estación base que se tendrá en cuenta más adelante.Tema 4: Redes Móviles 50
    • UMTS-Tráfico • Hasta ahora sólo han sido ecuaciones previas. Comenzamos ahora a calcular los valores de tráfico. • Se parte de los diversos servicios con sus correspondientes valores de carga máxima para cada uno de ellos. Por ejemplo, si el total de la carga de la célula es 0.6, una posible distribución sería 0,25 para voz a 3 Km/h, 0,05 para voz a 60 Km/h, 0,2 para datos de 64Kbps a 3 Km/h y 0.1 a 60 Km/h. • Con las ecuaciones de carga individual por servicio se puede obtener el número de usuarios para cada servicio (cada ecuación de carga es un sumatorio desde 1 hasta el número de usuarios por servicio, considerando iguales a todos los usuarios del mismo servicio). Por lo tanto, se tiene un vector de usuarios activos de la siguiente forma: N = {N1 , N 2 ,..., N N } • Sin embargo, existe un efecto denominado soft capacity que produce un incremento del “pool” de canales del sistema, pues células colindantes poco cargadas producen poca interferencia y permiten a la célula objetivo disponer de una mayor capacidad para sus conexiones. Este efecto se cuantifica, por tanto, mediante el factor de interferencia intercelular: N i = N ⋅ (i + 1)Tema 4: Redes Móviles 51
    • UMTS-Tráfico • Se considera ahora el vector de probabilidades de bloqueo de cada uno de los servicios: P = {p1 , p2 ,..., pN } • Mediante la fórmula de Erlang se puede calcular el tráfico ofrecido para cada uno de los servicios, obteniéndose el correspondiente vector de tráfico para todos los servicios: AK = f ( N K ⋅ (1 + i ), p K ) A = {A1 , A2 ,..., AN } • Considerando la tasa de llegada λK y la duración tK=1/µK de las conexiones, se puede hallar el número de usuarios de cada servicio: AK M iK = λK ⋅ t K • Este valor ha sido calculado bajo la consideración de soft-capacity. Sin embargo, para fines de planificación es mejor considerar células igualmente cargadas, pues es una condición más restrictiva.Tema 4: Redes Móviles 52
    • UMTS-Tráfico • Por lo tanto, se divide ahora por el factor de interferencia intercelular: M iK MK = (i + 1) • Finalmente y mediante la densidad de usuarios ρK de un cierto servicio, se puede obtener el valor del radio celular para este servicio: 2⋅MK RK = 3 ⋅ .3 ⋅ ρ K • Aplicándolo a todos los servicios para el enlace ascendente y descendente, obtenemos un vector con el radio celular para cada servicio, cuyas componentes serán los valores mínimos entre el UL y el DL de cada servicio: R Traffic = {R1 , R2 ,..., RK ,..., RN }Tema 4: Redes Móviles 53
    • UMTS-Límite por Potencia • Al hablar del enlace descendente, se comentaba que existe una limitación adicional en dicho enlace debido a la potencia de la estación base. • Esta limitación es estudiada en esta sección. • La ecuación que rige esta limitación en potencia es la siguiente: N (Eb / N 0 )K kTN F ⋅ W ⋅ L ⋅ ∑ N K ⋅υ K ⋅ K =1 W / VbK PTX _ MIN _ REQUIRED = 1 − η DL • De esta ecuación son conocidos todos los elementos salvo L, que representa la pérdida media de propagación en la célula. Este valor medio se calcula mediante la integral en el área de la célula de la ley de propagación empleada: ∫ 1 L= ⋅ L( R)ds Area STema 4: Redes Móviles 54
    • UMTS-Límite por potencia • El método empleado para calcular la pérdida de propagación es la modificación del COST 231. • Por lo tanto la integral resulta de la siguiente manera: 1 2π R F ⋅ G L= ⋅ ∫ ∫ 1 1 ⋅ r B1 ⋅ r ⋅ dr ⋅ dϕ π ⋅ R 2 0 0 E1 2 ⋅ F1 ⋅ G1 ⋅ R B1 L= ( B1 + 2) ⋅ E1 • El área es el área de la circunferencia de radio R, y los coeficientes F1,G1,B1 y E1 son las versiones en unidades naturales de los coeficientes F, G, B y E. El valor de R se obtiene tomando el mínimo valor de entre las componentes mínimas de cada uno de los vectores de radios obtenidos: R Traffic = {R1 , R2 ,..., RK ,..., RN } R Prop _ UL = {R1 , R2 ,..., RK ,..., RN } R = Min{Min (R Traffic ), Min (R Prop _ UL ), Min (R Prop _ DL )} R Prop _ DL = {R1 , R2 ,..., RK ,..., RN }Tema 4: Redes Móviles 55
    • UMTS-Límite por potencia • Con este valor de la atenuación, se puede acudir a la fórmula de la potencia para obtener el valor de PTX_MIN_REQUIRED.. • Si este valor es inferior al de potencia nominal de la BTS, que es el que se ha empleado en el modelo de propagación, los cálculos son válidos y el R calculado en la diapositiva anterior es el definitivo que permite asegurar la calidad de servicio en todos los casos (tanto por tráfico como por propagación). • En caso contrario se puede optar por: – Aumentar la potencia de la estación base, hasta cubrir las expectativas. – Reducir el radio de la célula, recalculando los factores de carga y tráfico, y ajustando a posteriori la potencia de la estación base. – Reducir alguno/s de los factor/es de carga de los servicio/s. Haciéndolo en el servicio adecuado se puede conseguir la reducción del radio celular.Tema 4: Redes Móviles 56