1. Analisi degli effetti del fenomeno “Cell-Breathing” nella
rete WCDMA
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Via Ugo La Malfa 150 Palermo +393356339389
nunzioemanuelemazzeo@telecomitalia.it
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Introduzione
Il Cell Breathing: è l’effetto per cui le dimensioni di
una cella WCDMA si restringono al crescere del
numero di terminali attivi nell’area servita dalla
cella e/o dal tipo di servizio richiesto dagli user,per
esempio servizi con un alto bit rate. Questi due
motivi sono determinanti nel progetto della cella
sia per il dimensionamento della capacita in Uplink
che in Downlink. Sostanzialmente la capacità del
sistema WCDMA dipende (oltre che dalle
componenti hardware):
- Nella tratta in UPlink
Dalla possibilità che ha il ricevitore del
NodeB di distinguere l’informazione
trasmessa dalla della sorgente. Questa
possibilità deriva dalla quantità di rumore
presente insieme all’informazione ossia dal
rapporto segnale rumore. Questo a sua
volta è generato in parte dal numero di
terminali attivi simultaneamente e, dal bit
rate richiesto da ogni utente. Si parla
spesso di limite interferenziale.
- Nella tratta in Downlink
Dal numero di codici OVSF disponibili, dalla
potenza impiegata.
Tra le cause origini del rumore , oltre a quelle viste
in precedenza vi sono altre legate ai fenomeni di
diffusione del segnale a causa dei percorsi a cui il
segnale e soggetto per le condizioni olografiche o
atmosferiche ,dalla distanza a cui il terminale si può
trovare, e da altri fenomeni collegati alla
propagazione.
Tutti questi fenomeni che influenzano il rapporto
segnale rumore possono essere contrastati con il
procedimento di Power Control. Per comprendere
meglio questo meccanismo possiamo fare
riferimento ad un area servita da una singola cella
avente N terminali attivi ai quali corrisponde un
determinato valore di SNR. Se il numero dei
terminali attivi aumenta , o viene richiesto un
servizio ad più alto bit rate, il valore relativo
all’apporto interferenziale aumenta, determinando
un decremento del rapporto segnale rumore.
Questo decremento obbliga il terminale mobile ad
aumentare la potenza di trasmissione al fine di
mantenere il rapporto segnale rumore al valore
iniziale "SIR Target". Essendo la potenza del
terminale mobile ovviamente limitata, ad un certo
punto la comunicazione non sarà più possibile.

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Esposizione
- Con l’aumentare dei terminali attivi,
aumenta l’interferenza reciproca quindi, il
rumore rilevato dal ricevitore del NodeB,
diminuisce cioè la sensibilità del ricevitore
con impatti, come vedremo dai dati, nella
qualità, e nel raggio di cella. Manifestando
una diminuzione dell’area di copertura.
- In queste condizioni, per i terminali che si
trovano a bordo cella e che hanno già
raggiunto il livello di massima potenza in
trasmissione, le azioni di power controll
risultano inefficaci.
- I terminali che invece sono in condizioni di
poter aumentare la potenza, l’aumento
della potenza comporta un ulteriore
incremento della interferenza e quindi un
ulteriore decremento del SNR creando le
condizioni di collasso del sistema
- I meccanismi di Call Admission Controll,
Power Controll e Congestion Controll
opportunamente parametrizzati
permettono al sistema di lavorare nella in
condizioni di stabilità.
Gli effetti del Cell Breathing possono essere
evidenziati esaminando un singola cella per 24 ore.
Per prima cosa rilevando il profilo di traffico e
quindi gli impatti nelle principali grandezze che
determinano questo fenomeno. La cella analizzata
è di tecnologia HUAWEI e lavora nella banda di
2100 MHz ed è situata in una zona residenziale. I
dati analizzati sono prodotti con una frequenza di
15 minuiti e per semplicità sono stati aggregati in
60 minuti. Il tools usato è il sistema QUANTIQUA
(Comprove).
0
10
20
30
40
50
Erlang
Traffico Voce
0
50
100
150
200
250
300
Mbytes DL Data Volume

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Dai dati riportati nei grafici precedenti si può
notare il profilo di traffico della cella e quindi, i
corrispondenti orari di massimo e minimo traffico.
Ai fini della valutazione degli effetti del Cell
Breathing è necessario valutare il numero di
terminali attivi simultaneamente (terminali che si
trovano nello DCH) nello stesso in un arco di tempo
circoscritto per le misure precedenti.
Come si può notare dal grafico il numero di user
attivi presenta il valore minimo alle ore 05:00 e il
massimo in corrispondenza delle ore 18:00.
Per quantizzare la variazione delle dimensioni del
raggio di cella dobbiamo fare riferimento a questi
due stremi di tempo, a cui corrisponde il minimo e
massimo valore di user attivi simultaneamente, e
misurare l’apporto interferenziale in queste ore. La
misura dell’interferenza è realizzata misurando i
valori della grandezza RTWP (Received Total
Wideband Power) che rappresenta il metodo per
misurare l’interferenza previsto dalla specifica
3GPP [3GPP TS 25.215].
Si tratta di un misura che è comprende tutta
l’interferenza presente al ricevitore
Si nota una completa correlazione tra il numero di
terminali attivi e l’interferenza misurata.
Analizzando i valori riportati da questa misura si
possono fare le seguenti considerazioni.
In corrispondenza del valore minimo di traffico
(dati e voce) valore prossimo allo zero, il
corrispondente valore di RTWP è composto
solamente l’interferenza di fondo o rumore
termico (Termal Noise o Noise Floor) il quale ,in
assenza di traffico, rappresenta il valore più basso.
0
1
2
3
4
5
6
7
Mb/sec DL Througput
0
50
100
150
200
N° Ue in DCH State -110
-105
-100
-95
-90
-85
-80
-75
-70
dB
Received Total Wideband Power

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La presenza di valori elevati (di norma si considera
circa -98dB) è indice della presenza di una
componente interferenziale esterna.
Poiché come si può notare tale valore aumenta con
il numero dei terminali attivi , la differenza tra il
valore minimo e il valore massimo è denominata
RoT (Rise of Termal Noise) è rappresenta la
capacità del della cella in Uplink. Il valore minimo di
terminali attivi coincide alle ore 05:00 ed il valore
massimo alle 18:00. Da i dati si può notare che ad
un aumento di circa 130 user corrisponde una
variazione di RTWP pari a 23 dB.
Gli effetti del Cell Breathing risultano molto
evidenti in corrispondenza di questi estremi di
intervallo temporale. Per rendere tangibile il
fenomeno osserviamo la percentuale di RRC
CONNECTION REQUEST registrati alla distanza della
cella nei due intervalli di tempo.
Come si può notare il numero di connessioni alle
ore 18:00 aumenta nel raggio compreso tra 235m
e 702m e diminuisce tra i 703m e 1170m con circa
9% in più nelle fasce limitrofe a un 8% in meno
nelle fasce più distanti.
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
0 50 100 150 200
RTWP [dB]
Active User
2,73
8,91
32,07
39,55
15,20
TIME [05:00]
% CONN REQ 0m-234m
% CONN REQ 235m-468m
% CONN REQ 469m-702m
% CONN REQ 703m-936m
% CONN REQ 937m-1170m
2,17
14,89
35,41
37,99
9,37
TIME [18:00]
% CONN REQ 0m-234m
% CONN REQ 235m-468m
% CONN REQ 469m-702m
% CONN REQ 703m-936m
% CONN REQ 937m-1170m

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Tabella Riepilogativa:
Rappresentazione schematica di sintesi:
Time Num 0m-234m Num 235m-468m Num 469m-702m Num 703m-936m Num 937m-1170m
05:00 23 75 270 333 128
18:00 75 515 1225 1314 324
Time % 0m-234m % 235m-468m % 469m-702m % 703m-936m % 937m-1170m
05:00 0,03 0,09 0,33 0,40 0,15
18:00 0,02 0,15 0,35 0,38 0,09
% 0m-234m % 235m-468m % 469m-702m % 703m-936m % 937m-1170m
∆ -1% 6% 3% -2% -6%

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Gli effetti del Cell Breathing si manifestano anche
con impatti nella qualità offerta cioè
nell’accessibilità e nelle Drop.
Si vede infatti, come in corrispondenza di elevati
valori di RTWP, l’accessibilità raggiunge valori di
degrado considerevoli, Il motivo all’origine è la
mancata risposta dei terminali al messaggio di RAB
ESTAB inviato dal NodeB a causa della interferenza.
Questo è dovuto all’effetto di perdita di sensibilità
del ricevitore. O meglio il NodeB non è in grado di
decodificare facilmente il messaggio di risposta
inviato dal terminale di conseguenza aumentano i
fallimenti per motivi mancata risposta dal
terminale (Uu Fail) con l’effetto finale di un
degrado dell’ accessibilità.
Altrettanto accade nelle connessioni attive infatti
aumentano il numero di Abnornal Release.
0
20
40
60
80
100
120
% ACC RAB
0
20
40
60
80
100
120
140
N° PS UuFail
0
1
2
3
4
5
6
7
8
N° AbnormRel UuNoReply

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Carico in UP Link
Come detto in precedenza un fattore che
determina la capacita della cella in UP Link e
rappresentato dal parametro NR o RoT ( Noise Rise
o Rise of Thermal) che descrive l’incremento del
rumore totale rispetto al solo rumore termico
Noise Floor.(NF). Si tratta di un parametro di
progetto molto importante che cresce con
l’aumento delle sorgenti di interferenza.
La conoscenza dell relazione tra active user ed NR
può essere usata per individuare eventuali apporti
interferenziali esterni. Per questo scopo è utile
tracciare un FDT per ogni singola cella per verificare
le condizioni operative e periodicamente ripetere la
misura.
Altrettanto utile è la conoscenza della relazione tra
la potenza complessiva ricevuta dal NodeB e il Rot.
Infatti , l’osservazione della potenza totale
presente e il corrispettivo valore di RoT permette
di conoscere la capacità disponibile della cella.
Nel grafico seguente si nota come tra valori di
carico tra 0,8 e 0,9 il margine RoT corrispondente
-5
0
5
10
15
20
25
dB Noise Rise
0
5
10
15
20
25
0 50 100 150 200
Active User
RoT [dB]
0
20
40
60
80
100
120
% UL Power

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sia ormai minimo. Ossia un ulteriore apporto nella
UL Power crea le condizioni di sovraccarico.
Minimizzare L’impatto
Per minimizzare gli impatti della Interferenza oltre
che ad eseguire controlli periodici dell RTWP,
Active user, RoT e UL Power e verificare quindi le
condizioni di lavoro esistono oggi delle azioni e
soluzioni tecniche che permettono di minimizzare il
fenomeno
Azioni di progetto
Studio del Cell Breathing ed evoluzione del raggio
di cella tenendo conto di:
- Tipo di User
- Distribuzione User
- Previsioni di Traffico
- Dimensionamento Link
Strategia per il raggio di cella
- Distanza inter sites.
Evoluzione Tecnologica
Features radio DL
- TX diversity
- Power Amplifier
Features radio UL
- TMA (Tower Mounted Amplifier)
- RX diversity
- MUD (Multiuser Detection)
Features radio DL e UL
- Carrier
- Smart antenna
0
5
10
15
20
25
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
UL Power
RoT [dB]