Portadoras

September 17, 2017 | Autor: E. Tabares Montoya | Categoría: Telecomunicaciones

Descripción

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�� El dimensionado de una red radio WCDMA es el proceso mediante el cual se estiman el número de elementos de red necesarios y las posibles configuraciones de los mismos, basándose en los requerimientos de cobertura, capacidad y calidad de servicio. En cuanto a la interfaz radio, el dimensionado incluye: •

Cálculo del balance del enlace (Radio link budget) y análisis de cobertura.

•

Estimación de la capacidad.

•

Estimación del número de emplazamientos y estaciones base.

�� Para el estudio de cobertura es necesario determinar el tipo de área a cubrir. Se definen distintos tipos de clutter atendiendo a la caracterización del entorno en cuanto a edificaciones, espacios abiertos, vías urbanas, etc. a continuación se establece la siguiente clasificación de entornos junto a sus características. •

Urbano denso: � Dentro del perímetro urbano o en sus aledaños, donde la densidad de edificios es alta pero de gran variedad, con un patrón de calles no definido, pudiendo ser regular o irregular. � Altura media de edificios por debajo de 40 metros.

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� Tráfico denso pero no uniforme (focalizado en los denominados hotspots). •

Urbano: � Zonas de urbanizaciones, con patrón de calles regular y visible, donde predominan casas individuales y con zonas ajardinadas. � Altura media de edificios por debajo de 20 metros. � Tráfico medio y uniforme, aunque puede haber hot-spots en zonas industriales o comerciales.

•

Suburbano: � Zonas de población dispersa, con construcciones de tamaño pequeño. � Altura media de edificios por debajo de 20 metros. � Tráfico bajo y no uniforme.

Además, es necesario determinar las condiciones de propagación, usando modelos establecidos, aplicando los factores de corrección necesarios y calculando márgenes de desvanecimiento.

�� Para la previsión de capacidad es necesario tener en cuenta un pronóstico de la tasa de crecimiento de mercado, información sobre la densidad de tráfico en cada zona y, fundamentalmente, el espectro de frecuencias disponible.

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Se muestra a continuación el espectro disponibles para UMTS en Europa:

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Ilustración 3.1 Espectro UMTS

Como puede observarse, se han asignado diferentes partes a Frequency Division Duplex (FDD) y otra a Time Division Duplex (TDD), siendo el ancho de banda de la señal 5 MHz. El reparto de frecuencias en España para los distintos operadores es el siguiente: ��

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Ilustración 3.2 Reparto de frecuencias UMTS en España

En los comienzos de la explotación de UMTS únicamente se utilizaba una banda de 5MHz, pero a medida que ha ido aumentando la demanda de tráfico, se han ido habilitando en las celdas que lo requerían una segunda o tercera portadoras, a fin de sacar el máximo provecho a los emplazamientos.

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Uno de los aspectos más importantes en el dimensionamiento de una red de telecomunicaciones es el tráfico esperado y la evolución del mismo en el futuro. La predicción de la demanda de tráfico no es en cualquier caso una tarea trivial, ya que viene influenciada por muchos aspectos y de muy diversa índole, como pueden ser los servicios ofrecidos, la política de precios, la evolución del número de abonados en la zona... Para un análisis detallado del tráfico es necesario: •

Dividir el total de la red en regiones.

•

Clasificar a los clientes por tipo: particulares, empresas, grandes cuentas, etc...

•

Analizar el número de clientes por área, la evolución de la cuota de mercado, etc.

•

Analizar el crecimiento de la población y la economía en general.

•

Medidas reales de tráfico: el operador puede realizar medidas que le indiquen el tráfico real que cursa su red. Las medidas se obtienen del equipo sobre el que se desea información mediante descargas a nivel de software. Cada fabricante pondrá a disposición del operador distintas funcionalidades y contadores para monitorizar el comportamiento del sistema en cuestión.

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Es importante definir el número de clientes para cada tipo de servicio, para ello es necesario estudiar los servicios potenciales en las diferentes áreas con la que nos encontramos en la red: •

El servicio de voz estará presente en toda la red (12 Kbps).

•

Servicio de datos:

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� De 64 Kbps en áreas suburbanas. � De 128 Kbps en áreas urbanas. � De 384 Kbps en zonas de negocio. Para obtener el tráfico máximo por cliente se tiene en cuenta el tráfico que cursa en hora cargada para cada uno de los servicios con sus diferentes tasas de bits. •

Para el servicio de voz tomamos en consideración la tasa de bits y los erlangs cursados por cliente en la hora cargada de voz.

•

Para los servicios de datos en tiempo real se tiene en cuenta la tasa de bit para cada servicio y los erlangs cursados por cliente en hora cargada.

•

Para los servicios de datos que no son en tiempo real se utilizan tasas de bits preestablecidas y una media del throughput en Kbps por cliente durante la hora cargada de datos.

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La distribución de tráfico está directamente relacionada con el tipo de área en la que se cursa. Normalmente se hace una clasificación del tráfico por clutters: urbano denso, urbano, suburbano, rural y espacio abierto. Sin embargo, es necesario atender a otras clasificaciones más especificas que pueden estar incluidas dentro de las anteriores. Un buen ejemplo son los denominados “hot spots” (palacios de congresos, recintos deportivos... en general, cualquier punto localizado de la red donde se curse mucho tráfico de voz) y zonas de alto tráfico estático (hoteles o parques empresariales, por ejemplo). A la hora de planificar la red no es suficiente con estudiar la cantidad y el tipo de tráfico que se cursa, hay que tener muy en cuenta la distribución que tomará dicho

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tráfico. De este modo, si tenemos una zona localizada con una gran cantidad de tráfico, necesitaremos una alta capacidad de la red en ese punto.

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Ya hemos visto los distintos tipos de servicio (atendiendo a QoS) que tienen cabida en UMTS. Las diferencias más apreciables tienen lugar en función de su sensibilidad al retraso, la probabilidad de bloqueo (para servicios en modo CS) y el throughput de usuario (para servicios en modo PS). Será el propio operador el que fije valores “objetivo” para cada uno de estos factores, además de otro para el porcentaje de cobertura. Tanto la probabilidad de bloqueo como el throughput por usuario dependerán de las tasas de bits soportadas y de las condiciones de propagación. Podrán analizarse en profundidad una vez que la red se encuentre en servicio. La cobertura para los diferentes tipos de servicio se establece principalmente a través de márgenes (penetración, interferencia, desvanecimiento...) y probabilidades de cobertura en celdas. Una forma de evaluar la cobertura sería por su influencia en el área de la celda. Podemos distinguir entre cobertura zonal y perimetral. Ésta última corresponde a la cobertura existente en el borde de la celda y la primera a la existente dentro del área de la celda. Valores típicos a considerar serían los siguientes: •

Cobertura excelente : 95% y 99% para probabilidad en el límite de celda y en el área de celda respectivamente.

•

Buena cobertura:  90% y 97% para probabilidad en el límite de celda y en el área de celda respectivamente.

•

Cobertura aceptable:  75% y 91% para probabilidad en el límite de celda y en el área de celda respectivamente.

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También podemos tener en cuenta la probabilidad según el área de localización, con unos valores típicos que son los siguientes: •

Cobertura en exteriores: 100%.

•

Cobertura en interiores: 90% y 95% para tasas de bits alta y baja respectivamente.

•

Cobertura en coche: 90%.

�� Las actividades para el dimensionado de la red comienzan con el cálculo del balance del enlace. Vamos a estudiar los parámetros que intervienen en el cálculo del mismo y el origen de dichos parámetros.

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Antes de comenzar el dimensionado de la red, debemos calcular el balance del enlace para diferentes entornos y servicios. De este cálculo se derivan las pérdidas máximas de propagación permitidas. Los términos que intervienen en el balance del enlace son los siguientes: •

Relacionados con el transmisor: � Máxima potencia de salida en el transmisor � Pérdidas en cables y conectores � Ganancia de Antena � PIRE(dBm): potencia isótropa radiada equivalente

•

Relacionados con el entorno y el servicio, específicos de UMTS:

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� Ganancia de procesado � Ganancia de Soft Handover (SHO) � Ganancia por Control de Potencia � Márgenes de Interferencia � Márgenes por desvanecimientos � Atenuación de usuario � Pérdidas de penetración � Pérdidas de propagación •

Relacionados con el receptor: � Densidad espectral de ruido térmico � Figura de ruido en el receptor � Densidad espectral de ruido en el receptor � Potencia de ruido en el receptor � Umbral Eb/N0 � Umbral Ec/I0 � Ganancia de antena � Pérdidas en cables y conectores � Sensibilidad en recepción � Potencia isótropa.

Vamos a destacar aquellos que tienen una especial influencia en el diseño de redes UMTS. ��

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En un principio, la relación Eb/N0 significaba simplemente la relación de la energía por bit dividida por la densidad espectral de ruido. Sin embargo, en el contexto de una red WCDMA esta expresión adquiere un significado adicional. La razón fundamental es el hecho de que en una red CDMA la densidad espectral de interferencia se suma a la densidad espectral de ruido, ya que la interferencia supone un ruido adicional debido al proceso de ensanchado y desensanchado. Por lo tanto N 0 representará el ruido total más interferencia en la celda. Se necesitará una relación Eb/N0 determinada para garantizar una mínima calidad (BLER) en el enlace. Esta relación depende de numerosos factores, tales como, el tipo de servicio y la tasa de bit, el sentido de transmisión (ascendente o descendente), el entorno y la movilidad del usuario. Para el enlace ascendente

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Donde � W: ancho de banda; tasa de chip � R: tasa de bit � Pr: potencia recibida � Ipropia: Interferencia de la propia celda servidora (excluyendo la propia señal) � Iotras: Interferencia de otras celdas

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Para el enlace descendente, se define la relación de otro modo, ya que la utilización de códigos ortogonales (OVSF), permiten mantener la ortogonalidad entre canales de diferentes usuarios, reduciendo la interferencia en la celda servidora (o celdas en SHO). Así,

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Donde � es el factor de ortogonalidad, que dependerá de las condiciones de multitrayecto. Los códigos son totalmente ortogonales, entonces en el caso de que no existiese multitrayecto la interferencia de la celda servidora sería nula y �=1. (Caso ideal). El objetivo del control de potencia en WCDMA, es mantener la relación Eb/N0 constante. Esto significa que para un servicio determinado, diferentes condiciones de propagación y diferentes BLER requeridas, la potencia recibida en el canal de tráfico, dividida por la potencia de la interferencia, es aproximadamente constante. Para altas tasas de bit, la ganancia de procesado será menor, provocando niveles de cobertura más reducidos. Así, para tasas de bits mayores, la relación Eb/N0 tiende a ser más baja, para compensar la reducción de cobertura. Cuanto más bajo sea el requerimiento de Eb/N0, menor potencia se necesita para el mismo cumplimiento y mayor será el radio de la celda que se obtenga. La relación Eb/N0 tiene que calcularse para los diferentes servicios ofrecidos y teniendo en cuenta la velocidad del terminal móvil. Su valor puede derivarse de simulaciones a nivel de enlace y medidas, e incluirá el efecto del control de potencia y el soft handover. Para obtener una cierta calidad en el enlace en el caso de que la velocidad del terminal móvil sea superior, la relación portadora-interferencia tiene que incrementarse, aumentando así del mismo modo la relación Eb/N0.

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Ec/I0 [1] es la energía por chip recibida frente a la densidad espectral de potencia total. En el enlace ascendente es igual a la relación Eb/N0  dividida por la ganancia de procesado, es decir por W/R. En el enlace descendente, I0 representa la densidad espectral de potencia total recibida, es decir, el efecto de ortogonalidad entre canales no se tendrá en cuenta. Así para ambos enlaces:

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Donde � Ec: energía por chip � I0: densidad espectral de potencia total La relación Ec/I0 puede ser vista como un indicador del comportamiento del enlace para ciertas señales que no contienen bits de información, como por ejemplo la señal de CPICH. Esta relación puede escribirse también del siguiente modo: �� Se necesita conocer el umbral Ec/I0 para exigir la mínima relación portadora-interferencia a la señal de radio frecuencia.

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El control de potencia rápido compensa de manera muy efectiva el desvanecimiento profundo (desvanecimiento Rayleigh), debido a la rápida adaptación de los ajustes de este control de potencia. Este control de potencia representa una ganancia adicional para los equipos receptores que se desplazan a bajas velocidades. A pesar de todo esto, hay que tener en cuenta que se producen variaciones en las condiciones de propagación para los distintos usuarios (posiciones de los móviles, desvanecimientos), el número de los mismos, el tipo de servicios a los que se accede en el sistema, en la actividad de la fuente y en el valor exigido de relación energía por bit / densidad de interferencia. Esto nos lleva a la imposición de hacer un tratamiento estadístico de la situación: para cada número de usuarios habrá una cierta probabilidad de degradación que será función creciente del número de usuarios, entre otros factores. El límite de capacidad del sistema viene impuesto por la condición de que esta probabilidad no supere el valor prefijado. En la práctica, el mecanismo de control de potencia no es perfecto, sino que la señal que se exige en recepción a cada móvil fluctúa en torno a un valor ideal. El margen de desvanecimiento rápido (FFM o Fast Fade Margen) oscila entre 1,5 y 2,5 dB. Para los desvanecimientos lentos podemos caracterizar la función como una distribución gaussiana, en unidades logarítmicas, con una desviación típica de unos 2,5 dB. El valor medio de la función se fijará dependiendo de la clase de servicio, del tipo del entorno (características de dispersión del canal) y del porcentaje de cobertura perimetral. Por ejemplo, para el caso de querer alcanzar un grado de cobertura perimetral del 90%, el margen para desvanecimientos lentos o margen log-normal (MLN) se calculará como: ��

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Tradicionalmente, el área de cobertura usado es para el caso de una sola celda y la probabilidad requerida es de un 90-95%, lo que lleva a un margen de desvanecimientos de 7 a 8 dB, dependiendo de los valores concretos del entorno.

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El hard handover tiene lugar cuando el terminal móvil se mueve hacia otra celda UMTS con distinta portadora, o bien hacia la red GSM (Inter System Handover). El terminal está en todo momento con el servicio que le proporciona una única celda. En cambio, en situación de soft handover, el móvil combina las señales que recibe de dos celdas distintas. Esta situación da una ganancia en contra de del desvanecimiento log-normal. Además, otorga una ganancia por macro diversidad adicional en contraposición al desvanecimiento rápido reduciendo la Eb/N0 requerida por el enlace radio simple. Esta ganancia depende de los siguientes factores: •

Probabilidad de cobertura en el límite y área de la celda.

•

La desviación estándar de la señal dependiendo del entorno: a menor desviación menor ganancia.La correlación entre los caminos de diversidad: la ganancia será mayor cuando menos correlados estén los caminos.

•

La situación del móvil: la ganancia será menor si nos encontramos en un entorno indoor.

En total, la ganancia por soft handover se supone entre 2 y 3 dB.

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La ganancia de procesado, más conocida como ganancia de ensanchado, es una ganancia específica de UMTS porque proviene del ensanchado que se lleva a cabo sobre el ancho de banda de la señal. Viene dada por la tasa de chip utilizada W, en

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este caso 3,84 Mchips/seg, y la tasa de bilt de usuario R, que dependerá del servicio utilizado:

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Es necesario definir esta figura de calidad para tener en cuenta el factor de carga de las celdas en cálculo del balance del enlace, ya que esta carga influye sobre la cobertura de la celda. Cuanto mayor es la carga de la celda, mayor es el margen de interferencia que se debe aplicar ya que cada usuario de la celda representa una interferencia para el resto de los usuarios de la misma. Cuanto mayor es la carga, y por lo tanto mayores los márgenes de interferencias, menor será la cobertura de la celda. En escenarios limitados en cobertura, se sugiere utilizar un margen de interferencia pequeño, ya que la limitación en el tamaño de la celda viene determinada por la máxima pérdida de propagación en el enlace y no por la capacidad en la interfaz aire. En los casos en los que el sistema está limitado en capacidad, se podría trabajar con un margen mayor. El margen de interferencia IMargen se calcula a partir del factor de carga en % �: ��

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Para el cálculo del balance del enlace es necesario conocer también la densidad espectral de ruido térmico y la figura de ruido del sistema.

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La expresión para la potencia de ruido térmico viene dada por: � ��

Donde kb = 1.38*10-23J/K (constante de Boltzmann), T0   es la temperatura de referencia (290ºK), B es el ancho de banda en recepción y fs es el factor de ruido del sistema. La densidad de ruido térmico se define a partir de esta expresión como el ruido térmico definido sobre un intervalo de ancho de banda determinado: �� Por otro lado, el factor de ruido del sistema se calcula a partir de la temperatura de ruido como:

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Y la figura de ruido del sistema es igual al factor de ruido expresado en dB: �� Los requerimientos sobre la figura de ruido del receptor se definen en las especificaciones del nodo B y del terminal móvil (UE). Teniendo en cuenta lo anterior y definiendo la densidad espectral de ruido térmico como  n0 = kbT0 = -174dBm/Hz, la potencia total de ruido o la densidad espectral de ruido del sistema se define, en dB, como: ��

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Este es otro de los parámetros a tener en cuenta en el cálculo del balance del enlace. En el caso del enlace ascendente debemos de considerar la potencia transmitida por el terminal móvil de usuario y para el caso del enlace descendente la propor��

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cionada por el nodo B. Los equipos o terminales de usuario en UMTS se pueden clasificar en cuatro clases según su potencia máxima de salida: a.- Clase 1: Potencia máxima 33 dBm. b.- Clase 2: Potencia máxima 27 dBm. c.- Clase 3: Potencia máxima 24 dBm. d.- Clase 4: Potencia máxima 21 dBm. El uso de una clase u otra es una elección del operador, que normalmente limita la transmisiones de voz y datos a terminales de clase 3 y 4.  Para el caso del nodo B, existe una amplia variedad de potencias disponibles según modelos. •

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La PIRE es la máxima potencia transmitida en la interfaz aire. Puede calcularse como: �� La atenuación de usuario o body loss  representa la sombra que produce el cuerpo del usuario ante la señal, al tener el terminal móvil junto a él, por lo que sólo se tiene en cuenta en el cálculo de la PIRE en el enlace ascendente. •

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La sensibilidad es la mínima potencia de señal que puede recibir el receptor, para que el sistema pueda obtener la información, para el servicio utilizado y asumiendo un nivel de carga determinado. �� •

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La eficiencia de cobertura para sistemas WCDMA se define como el área de cobertura por emplazamiento y dependerá del entorno de propagación y de la densidad de tráfico permitida, derivada de la pérdida máxima de propagación. Los modelos de propagación relacionan las pérdidas de propagación con la distancia considerada, con lo cual, al obtener las pérdidas máximas de propagación derivadas del cálculo del balance del enlace e introduciéndolas en el modelo de propagación adecuado se obtendrá el rango máximo permitido para la celda. Conociendo el rango de alcance de la celda d, el área de cobertura puede calcularse mediante: �� donde S es una constante que depende de la configuración de las celdas.

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La segunda etapa del dimensionado corresponde a la cantidad de tráfico soportado por las estaciones base: el hecho de que en WCDMA se utilice una misma frecuencia para las comunicaciones con los distintos móviles implica que el sistema está limitado por la interferencia provocada por la carga en la interfaz aire, así que debemos estimar el nivel de esta interferencia. •

Enlace ascendente:

Partimos de la relación Eb/N0   dada para un usuario k, que se define como la energía por bit para un usuario dividida entre la densidad espectral de ruido. Vamos a calcularla como el total de la señal de dicho usuario frente al total de las señales interferentes ponderado por la ganancia de procesado: ��

Debemos de tener en cuenta el factor de actividad del usuario (vk), que expresa el porcentaje de tiempo de habla en una comunicación telefónica, puesto que si un

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usuario está a la escucha, el transmisor no tiene porqué estar activo. Si se corta la transmisión en estos periodos (o se disminuye la tasa binaria), logramos reducir la interferencia sobre los demás usuarios. Se considera que toma el valor 0,67 en el caso de comunicación por voz y de 1 para comunicación de datos. Podemos reescribir la expresión anterior como:

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donde  Pk  es la potencia de señal recibida por el usuario k, e Itotal es la potencia total recibida en el ancho de banda considerado incluyendo la potencia de ruido de la estación base. Se define el factor de carga del usuario k, L k, como:

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La interferencia total recibida, excluyendo el ruido térmico PN, puede definirse como la suma de potencias recibidas por los N usuarios de la misma celda:

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� �� Podemos definir la relación NFR (Noise Floor Rise) como la relación entre la potencia total recibida en el ancho de banda considerado frente a la potencia de ruido térmico. Calculando esta relación, y teniendo en cuenta la definición del factor de carga por usuario se obtiene:

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Donde �UL se define como el factor de carga de la celda y es el resultado de la suma de los factores de carga de cada conexión. Ésta relación representa la degradación de la sensibilidad del receptor cuando hay k usuarios respecto a un receptor digital monousuario. Cuando  �UL tiende a 1, la relación NFR tiende a infinito y el sistema alcanza su máxima capacidad. Adicionalmente, en el factor de carga debe considerarse la interferencia producida por los móviles conectados a otras celdas. Para ello, se define el siguiente el factor:

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Este valor depende del entorno de la celda (urbano, suburbano...), del aislamiento de la misma (microcelda / macrocelda) y del patrón de antena (omnidireccional, bisectorial, trisectorial...). Suele aproximarse por un valor de 65%. Redefinimos el factor de carga como: �

� ��

En esta ecuación podemos observar la influencia del ruido en la capacidad del sistema, y a partir de ella se establece el margen por interferencia. De este modo, la degradación producida por la interferencia provocada por otros usuarios (contemplada en el factor NFR) se contrarresta con un incremento de potencia igual al margen de interferencia. •

Cálculo de la carga en el enlace descendente.

Para el enlace descendente aparece una nueva definición de factor de carga, que se deriva de todos modos a partir de un razonamiento similar, aunque algunos de los parámetros son diferentes:

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Comparando esta expresión con la correspondiente al factor de carga en el enlace ascendente, aparece un nuevo término �k, que representa el factor de ortogonalidad en el enlace descendente. En WCDMA se emplean códigos ortogonales en el enlace descendente para distinguir a los usuarios. Sin embargo, debido a la propagación multitrayecto, si existe mucho retraso en el canal radio, el móvil puede ver parte de la señal de la estación base como interferencia por acceso múltiple. Los valores recomendados por la ITU para este factor oscilan entre 0.4 y 0.9 para canales multitrayecto. A modo de ejemplo:

ITU

�

Usuario Peatón

0.9

Usuario en Vehículo

0.6

Tabla 3.1 Factor de ortogonalidad

En el enlace descendente, la interferencia de otras celdas, i, depende de la localización del usuario, por lo tanto es diferente para cada usuario k. Ya que los diferentes usuarios se encuentran en diferentes posiciones relativas, habrá que obtener una media de los valores para ik y para �k.

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El factor de carga en el enlace descendente muestra un comportamiento muy similar al factor de carga del enlace ascendente, en el sentido que cuando se acerca al

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valor de la unidad, el sistema alcanza su capacidad máxima, es decir, la relación NFR tiende a infinito.

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La gestión de los recursos radio (RRM) se basa en la carga de red real, así que es necesario que el sistema determine ésta de algún modo. •

Carga en el enlace ascendente

Para determinar la carga real en el enlace ascendente, la red debe evaluar previamente diferentes factores que influyen en la misma. Esto se lleva a cabo gracias a las diferentes funcionalidades que el suministrador ofrece a través de sus equipos al operador. El factor de carga vendrá definido por la ecuación:

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Con lo que se debe conocer de antemano el valor de Eb/N0 y vk. De otro modo, a partir de la  y de la definición de factor de carga, éste podría expresarse como:

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Los valores a conocer en este caso sería la potencia de ruido, PN, y la potencia total recibida en el ancho de banda considerado, Itotal. Valores posiblemente evaluables por alguno de los elementos de red que intervienen en la gestión de los recursos radio. ��

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•

Carga en el enlace descendente

Al igual que en el caso anterior, para el cálculo de la carga en el enlace descendente será necesario calcular la interferencia, si se tiene en cuenta que

�� Otra forma de evaluar el valor de carga, sería expresándola, a partir de las tasas de bits, del siguiente modo:

�� •

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Carga en el enlace descendente y potencia transmitida

Para el dimensionado en el enlace descendente, es importante estimar la potencia total de transmisión de la estación base necesaria en el enlace. Ésta dependerá de la potencia de transmisión media necesaria por cada usuario, no de la máxima potencia de transmisión definida por el balance del enlace para el borde de la celda. La potencia mínima de transmisión requerida para cada usuario se determina mediante la atenuación media entre la estación base y el receptor móvil, � , y la sensibilidad del receptor móvil, en ausencia de interferencia por acceso múltiple (ik =0 ; �k=0). Matemáticamente, la potencia total de transmisión de la estación base puede expresarse como:

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Donde Pn rx representa la densidad espectral de ruido del receptor móvil. ��

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Las pérdidas de propagación calculadas en función del factor de carga, permiten comparar el enlace ascendente con el descendente. En ambos enlaces la carga en la interfaz aire afecta a la cobertura pero el efecto no es exactamente el mismo. La diferencia entre las curvas de carga del enlace ascendente y descendente se describe a continuación. En la siguiente figura se observa la pérdida máxima de propagación, es decir, la cobertura, en función de la carga :

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En el enlace descendente la cobertura depende más de la carga que en el enlace ascendente. La razón es que en el enlace descendente la potencia máxima de transmisión es siempre la misma (10W en este caso) independientemente del número de usuarios y tendrá que ser compartida entre los mismos. Mientras que en el enlace ascendente cada usuario adicional tiene su propia potencia de emisión.  Por lo tanto, incluso para baja carga en el enlace descendente, la cobertura decrece en función del número de usuarios.

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Aún así se observa que la cobertura está limitada por el enlace ascendente, mientras que el enlace descendente limita al sistema en capacidad. No debe olvidarse que en este tipo de redes el tráfico puede ser asimétrico entre el enlace descendente y el ascendente, y la carga puede ser diferente en cada enlace. En este punto cabe preguntarse de qué modo aumentan la cobertura y la capacidad si se aumenta la potencia transmitida en el enlace descendente. Si, por ejemplo, se duplica la potencia transmitida, se permiten 3dB adicionales en las pérdidas máximas de propagación, sea cual sea el valor de la carga. En cambio, sólo aumentaría la carga en torno a un 10% para los valores de carga considerados.

Ilustración 3.4 Comparación de la cobertura aumentado la potencia

Se comprueba que una manera más adecuada de aprovechar el incremento de potencia sería utilizando la división de celda (splitting). Si consideramos un throughput R en una celda donde utilizamos una potencia P tx1, para dos celdas transmitiendo cada una de ellas Ptx1 se obtendrá un throughput de 2R. Por lo tanto el incremento de capacidad será del 100%.

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En cambio si en vez de utilizar esta potencia para alimentar a dos sectores independientes físicamente, se alimenta un único sector con Ptx2 = 2Ptx1 el throughput alcanzado sería de 1.1R por el incremento de carga referenciado anteriormente. Así al comparar el througput alcanzado en ambas circunstancias 2R y 1.1R respectivamente se observa que el incremento alcanzado como resultado de utilizar división de celda es del 80%.

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Para sistemas WCDMA se define la eficiencia espectral a partir del troughput en la capa física en Kbps por celda y portadora. Ésta, dependerá de las velocidades de los terminales, de sus localizaciones dentro del área de la celda, del tipo de servicio y de las condiciones de propagación y del entorno. Con lo cual, es necesario predefinir dichas condiciones además de predecir el comportamiento del usuario para calcularla. Los valores recomendados a tener en cuenta para el cálculo de otros factores, giran en torno al 50%-100%.

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Se distingue entre capacidad Hard y capacidad Soft debido a que la interferencia en una celda no sólo procede de la propia celda sino también de las celdas vecinas. La capacidad Hard para una celda dada hace referencia a la capacidad de la celda sin tener en cuenta la interferencia de otras celdas. Esta capacidad está limitada por los recursos hardware del sistema y puede llegar a saturar dando lugar a bloqueo, que puede calcularse mediante la fórmula de Erlang B.

La capacidad Soft, no tiene un valor máximo fijo ya que está determinada por la interferencia de la interfaz radio debida a la reutilización de una frecuencia única. ��

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Para un sistema limitado por capacidad Soft, la capacidad no se calculará a partir de la fórmula Erlang B, ya que daría resultados demasiados pesimistas. Celdas vecinas compartirán la misma interferencia. El número global de canales disponibles será mayor que el número medio de canales por celda, ya que  celdas adyacentes comparten parte de la misma interferencia, y por tanto pueden servir más tráfico para la misma probabilidad de bloqueo. La capacidad Soft puede explicarse como sigue, cuanta menos interferencia provenga de celdas vecinas, se dispondrá de un mayor número de canales en la celda a considerar como se muestra en la siguiente figura:

Ilustración 3.5 Capacidad Soft

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�� Dado que en UMTS tenemos diversos servicios que llevan asociados parámetros muy diferentes de QoS, toma relevancia el efectuar una adecuada gestión de los recursos radio, dado que el espectro radioeléctrico es escaso y el desembolso económico para su adjudicación es muy elevado. Las estrategias Radio Resource Management (RRM) son las encargadas de realizar dicha gestión. El problema con el que se encuentra el operador de red es ofrecer un sistema en el que se maximice el número de usuarios para un conjunto de requisitos de QoS. En este problema se pueden distinguir dos aspectos: -

Planificación de red: el diseño de la infraestructura de red en términos de número de celdas y su configuración, posición de los nodos, arquitectura de los nodos de concentración, etc. Es en este punto sobre el que actuaremos más tarde.

-

Asignación de recursos radio: es decir, para un despliegue de red dado, la manera en la que se gestionan de forma dinámica los recursos con el fin de satisfacer la demanda instantánea de los usuarios que se van desplazando por la red.

En el marco de los sistemas 3G no tenemos un valor constante para la máxima capacidad de red, ya que está directamente relacionada con la cantidad de interferencia en la interfaz aire. En segundo lugar, el entorno de operación multiservicio hace que en muchos casos no sea necesario ofrecer un retardo constante, de manera que se abre la posibilidad de explotar las funciones RRM para gestionar de una manera adecuada los distintos requerimientos de QoS. Veamos las diferentes estrategias RRM que existen: ��

Se encarga de decidir rechazar o aceptar una petición de nueva conexión que lleva asociados ciertos parámetros de QoS. Esta decisión debe basarse en la interferen-

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cia que incorporaría esta conexión en el caso de aceptación y si la misma podría poner en peligro las garantías de QoS de las conexiones previamente aceptadas. Debe aplicarse de manera coherente tanto al enlace ascendente como descendente. ��

Debe afrontar situaciones de sobrecarga en la red, en las que la evolución dinámica de la red pone en preligro las garantías de QoS de las conexiones en curso. Las actuaciones del control de congestión deben ir en la dirección de reducir la interferencia de una manera efectiva. ��

Esta estrategia se encarga de las decisones a corto plazo en cuanto a la velocidad de transmisión adecuada a cada momento. En el caso del enlace ascendente, la decisión se toma de manera descentralizada en cada uno de los móviles, mientras que en el enlace descendente la operación es centralizada, efectuándose las decisiones en función de las necesidades globales. Los procedimientos de handover tienen un impacto significativo en las estrategias anteriores, de manera que deben diseñarse teniendo en cuenta los efectos derivados del traspaso de la comunicación entre celdas, incluída la capacidad de las redes W-CDMA de permitir la conexión a más de una celda al mismo tiempo (softhandover).

�� El dimensionado de una red radio WCDMA es el proceso mediante el cual se estiman el número de elementos de red necesarios y las posibles configuraciones de

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los mismos, basándose en los requerimientos de cobertura, capacidad y calidad de servicio.

�� Los operadores de telecomunicación tienen identificados procesos que le permiten identificar las situaciones en las que se hace necesario un aumento de la capacidad. Estos procesos no deben ser lanzados demasiado pronto, ya que adelantaría el gasto de capital antes de lo necesario. Las mejoras de capacidad generalmente implican cambios en el hardware, que son relativamente caros y sólo deben realizarse cuando sea realmente necesario. Es posible aumentar la capacidad del sistema sin realizar cambios en el hardware, realizando una optimización de los elementos existentes. La optimización siempre debe contemplarse antes de proceder a cualquier mejora de capacidad que involucre hardware adicional. Los contadores de RNC y KPIs se utilizan generalmente para lanzar los procesos de mejora de capacidad. Los operadores deben recolectar y analizar estos datos de forma periódica. En estos casos, la resolución horaria suele ser relativamente alta por dos motivos: evitar picos de demanda de tráfico y, por otro lado, posibilitar el almacenamiento de toda la información posible. Valores más o menos estandarizados son 15 minutos o 1 hora. Los KPIs deben de servir para controlar cuando nos estamos acercando al límite de capacidad del sistema, y deben de estar definidos para cuantificar todos los aspectos relacionados con la capacidad, como por ejemplo: capacidad DPCH en el uplink y downlink, capacidad PRACH, capacidad SCCPCH, códigos de canalización, capacidad de procesamiento en banda base del nodo b y capacidad de IuB. Cualquiera de estos KPIs puede lanzar el proceso de aumento de capacidad. Algunos puede que únicamente requieran ciertos cambios en la configuración de la RNC antes que cambios en el hardware disponibles. Por ejemplo, podemos añadir un segundo árbol de códigos de canalización permitiendo el uso de un segundo scrambling code. En cualquier caso, cada uno de estos as-

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pectos debe tener sus propios KPIs y umbrales, a nivel de celda, para lanzar el proceso de aumento de capacidad. Una vez lanzado el proceso de aumento de capacidad, el primer caso es el estudio de si un cambio de parámetros puede ser una solución válida. En el caso de que no sea viable llegar a una mejora suficiente de la capacidad mediante estos métodos, será necesario proceder a la mejora de capacidad mediante hardware. Los operadores deben tener definidos los pasos correctos para el aumento de capacidad. Es bastante probable que un cambio de hardware implique cambios en los datos de la RNC, como puede ser la definición de nuevas vecindades en el caso de una segunda portadora, al igual que si se produce un cambio en la sectorización. Normalmente la capacidad está limitada en el enlace ascendente, debido a los servicios asimétricos de datos que normalmente se ofrecen.

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Las portadoras adicionales constituyen la forma más simple y efectiva de incrementar la capacidad de un sistema. La cobertura de servicios (performance) se ve mejorada como resultado de disminuir la carga en el uplink de cada portadora. Esta mejora se ve reducida conforme aumenta el tráfico, y la carga de tráfico llega a ser tan alta en cada portadora como lo era originalmente. Cuando una estación base cuya capacidad está limitada en el downlink tiene una potencia de transmisión limitada, la capacidad del sistema aumenta compartiendo la potencia entre las portadoras disponibles. Por ejemplo, la capacidad de dos portadoras cada una con una potencia de 10W puede ser considerablemente mayor que la capacidad de una portadora a 20W.

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Ilustración 3.6 Reparto de frecuencias UMTS en España

La mayoría de las operadoras de UMTS cuentan con más de una portadora. En general, suelen ser dos o tres portadoras las licenciadas por cada operador con las autoridades locales. Se hace necesaria en este caso una estrategia para distribuir las portadoras entre la jerarquía de red. Compartir portadoras puede ofrecer la mayor capacidad y eficiencia espectral posible, pero requiere una planificación cuidadosa para las capas macro y micro. El impacto de asignar múltiples portadoras a una celda depende de si el sistema está limitado en uplink o downlink, en la potencia de transmisión disponible en cada portadora y si la función de control de los recursos de radio soporta la carga balanceada entre las portadoras. Aunque se trata de una forma sencilla y eficaz de aumentar la cobertura y capacidad de una celda, las operadoras sólo introducirán portadoras adicionales cuando están obligadas por el crecimiento de la demanda de capacidad del sistema. Esto les permite retrasar la inversión de capital en el hardware de las estaciones base. En el caso más simple de añadir una segunda portadora con la misma configuración de la primera, como mínimo doblará la capacidad de la celda. Si el sistema soporta la carga balanceada entre portadoras, habrá una ganancia adicional y la capacidad será mayor. El impacto real sobre la cobertura del  servicio dependerá en gran medida de la carga del sistema en el uplink. Asumiendo que la carga de tráfico se distribuye de manera uniforme entre las portadoras, lo cual representa la forma más eficiente de utilizar los recursos en términos de carga de la interfaz aire y en potencia de transmisión, la carga se reduce a la mitad. Si la carga de la célula original era baja, no tendrá un impacto significativo, pero si la carga es relativamente alta, el funcionamiento de la cobertura se verá mejorado. Esta mejora se verá redu-

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cida conforme la carga en cada portadora se aproxime a la carga original en la primera portadora. Una estación base generalmente puede albergar un número limitado de amplificadores de potencia y de módulos de recepción. Generalmente podemos escalar las cabinas en cascada, pero no se trata de una solución atractiva en términos de coste y de requerimientos de espacio. Para situaciones en las que no hay disponible espacio adicional, la potencia disponible se puede compartir conforme vayamos añadiendo portadoras adicionales. Como ejemplo, consideremos una cabina de estación base que soporta 12 módulos transceptores y 6 módulos de amplificación. Asumimos que el operador ha planificado la red para una cobertura de 384 kbps y para ello adquiere una potencia de amplificación de 20 W, ya que unos módulos de 40 W ofrecen una mejora pequeña cuando las pérdidas de propagación son relativamente pequeñas. Cuando el operador llega a una configuración de 2+2+2 ya no hay más espacio para instalar los módulos necesarios para llegar a una configuración de 3+3+3. Podemos cambiar la mitad de los amplificadores por unos de 40 W, en cuyo caso todas las portadoras podrán disponer de una potencia de 20 W. Alternativamente, podemos dejar los módulos de 20 W, y en cada celda, una portadora tendría 20 W y las dos restantes 10 W cada una. La pérdida en este caso está comprendida entre un 10 y un 20% a tener 20 W por portadora. ��

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Comparando la segunda y tercera columna de la tabla, se ilustra el hecho de que doblar el número de portadoras mientras mantenemos el número de amplificadores ��

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conduce a sólo un 15% menos de capacidad de la que obtendríamos doblando también el número de amplificadores. En el caso de migrar a tres portadoras, la pérdida de capacidad comparando el caso de mantener 6 amplificadores de 20 W a cambiarlos por amplificadores de 40 W es de sólo un 9%. Esto significa que la capacidad es notablemente más sensible al número de portadoras que a la potencia a la que configuramos dichas portadoras.

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La potencia de transmisión asignada a una celda WCDMA debe compartirse entre todos los usuarios activos que pertenecen a dicha celda, incluyendo a aquellos conectados por soft handover. Una menor potencia media de transmisión necesaria para atender a dichos usuarios resulta en una mayor capacidad de la celda. En general, aproximadamente el 20% de la potencia de la celda está asignada al CPICH y a los CCCH. El 80% restante está disponible para soportar la capacidad de tráfico (TCH). La capacidad ofrecida por cada configuración de la potencia de transmisión es una función de los perfiles de tráfico y también de la máxima pérdida de propagación permitida en el rango de la celda. Cuanto mayor sea la pérdida de propagación permitida, mayor será el requerimiento de potencia de transmisión media y menor la capacidad de la celda. La figura ilustra esta relación

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Ilustración 3.7 Cell breathing en función de la carga

Ilustración 3.8 Potencia requerida por la estación base

De acuerdo con las figuras anteriores, en el caso de una celda planificada para 384 kbps tiene asociada una pérdida máxima de propagación de 149.6 dB. Con una potencia de transmisión de 20 W, se corresponde con una capacidad de 68 usuarios ��

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de voz. Doblar esta potencia a 40 W incrementa la capacidad del sistema en un 7%. En este caso, el rango relativamente pequeño de la celda permita que el nivel de carga en el downlink sea alto. Esto resulta en que cada usuario adicional incrementa el nivel de interferencia y cualquier potencia de transmisión adicional es rápidamente consumida. El comportamiento sería mucho mejor si los 20 W se destina a una portadora diferente, con lo cual la capacidad del sistema como mínimo se duplicaría con respecto a una sola portadora de 20 W. El impacto de capacidad de la estación base sobre el comportamiento de la cobertura depende si el sistema es dependiente del balance de potencia del uplink o el downlink. Bajo circunstancias normales, la cobertura del sistema está limitada en uplink y la potencia de transmisión de la estación base no tiene efecto alguno sobre la cobertura. En caso poco frecuente de que el servicio esté limitado en downlink, el servicio está directamente relacionado con la potencia de transmisión asignada a cada TCH.

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Los MHAs (Mast Head Amplifiers) y las antenas activas se usan para reducir la figura de ruido compuesta de la estación base. Mediante esto, el balance de potencia en el uplink mejora y se aumenta el performance de la cobertura. El impacto de las MHAs y las antenas en la capacidad del sistema dependerá en gran medida si el sistema está limitado en el uplink o en el downlink. Si el está limitado en uplink, la mejora será prácticamente despreciable, aunque el sistema se desplazará a una situación más cercana a un escenario limitado en el downlink. Si el sistema está limitado en downlink, el uso de MHAs y antenas activas disminuirá la capacidad del sistema. Hay dos razones para que esto ocurra: una MHA introduce unas pérdidas de inserción de 0.5 dB aproximadamente en la dirección del downlink, con lo que disminuye el EIRP disponible. Además, el hecho de que una MHA mejore el radio de cobertura significa que hay usuarios soportados que requieren una mayor cantidad de potencia. Lo mismo puede aplicarse a las antenas activas.

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Ilustración 3.9 Esquema de un amplificador Mast-Head

La mayor diferencia entre ambas es que las MHAs están conectadas de forma externa al cuerpo de la antena, entre la antena y el cable de alimentación. Las antenas activas incluyen un amplificador de bajo ruido como una parte de la antena integrada. El impacto de estas soluciones depende en gran medida de la arquitectura del subsistema y el conjunto de parámetros asociados. Presentamos los resultados de ganancia como función de las pérdidas de inserción, tanto para las configuraciones de alimentación compartida o dedicada. El beneficio de usar MHAs en términos de ganancia en el balance de potencia del uplink se incrementa junto con las pérdidas de inserción. La ganancia es mayor para una configuración de alimentación compartida, ya que la pérdida de inserción se multiplica debido al par de diplexores. En el caso de alimentación compartida, la pérdida de inserción menor o igual que 3 dB desemboca en una ganancia que es al menos igual que la pérdida misma de inserción. Mayores valores de pérdidas de inserción resultan en una ganancia que es menos que esta misma pérdida. Dado que el impacto de las MHAs es modelado “eliminando” las pérdidas de inserción del balance de potencia en el uplink. Esta aproximación será pesimista u optimista depen-

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diendo del valor de las pérdidas de inserción, aunque el punto de equilibrio exacto cambia con la ganancia del MHA. En el caso de alimentación compartida, el punto de equilibrio suele suponerse en torno a los 4 dB. Si el sistema está limitado en uplink, no habrá cambios en la capacidad del sistema, aunque la estación base estará usando un mayor porcentaje de la potencia total disponible. Si el sistema está limitado en downlink, habrá una pérdida de capacidad. Esta pérdida es el resultado de la pérdida de inserción, pero también de que se permite una mayor pérdida de propagación. La mejor sensibilidad en recepción que aporta el uso de MHAs hace al sistema más susceptible a fuentes externas de interferencia, ya que una fuente que antes estaba por debajo del margen de interferencia, puede ahora tener un cierto impacto en el funcionamiento del sistema. Estas interferencias externas pueden llegar a impedir que el sistema no se beneficie demasiado de la reducción de la figura de ruido total del sistema.

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Las cabezas remotas permiten la separación física de un estación base y sus módulos de radiofrecuencia, que podemos localizar de forma remota adyacentes a las antenas. En este contexto, los módulos de radiofrecuencia incluyen módulos amplificadores, receptores front-end y filtros RF. Los módulos de radiofrecuencia y la estación base están conectados mediante un enlace lógico. Esto significa que las celdas pueden estar localizadas en lugares que en condiciones normales requerirían una longitud prohibitiva de cables de alimentación, por ejemplo, un edificio donde se hace uso de una cabina en el interior, podría tener las antenas en el tejado. El enlace óptico puede llegar a tener dos kilómetros de longitud. El concepto tiene algunas similitudes con el uso de repetidores, ya que se presta servicio a zonas lejanas de la cabina de la estación base. Sin embargo, hay algunas diferencias de importancia. La principal es que una cabeza remota genera su propia celda lógica

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mientras que un repetidor simplemente aporta una extensión de una celda existente. Además, mientras que una cabeza remota realiza las funciones de RF de la estación base, un repetidor se encarga únicamente de retransmitir. En términos prácticos, un repetidor es más fácil de implantar, ya que el canal con la estación base es generalmente un enlace radio, en lugar del enlace óptico que usan las cabezas remotas.

Ilustración 3.10 Esquema de una cabeza remota

El impacto de una celda con cabezas remotas se asemeja al de una celda con unas pérdidas de inserción muy bajas con respecto a una con mayores pérdidas. En términos de cobertura, la ganancia es simplemente la diferencia entre las pérdidas de inserción en uno y otro caso. Por ejemplo, si las pérdidas usando una configuración de estación normal es de 6 dB y son sólo de 0.5 dB usando cabezas remotas, entonces la ganancia de cobertura es de 5.5 dB. Mientras menores sean las pérdidas del site, menos requiere el uso de cabezas remotas.

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Si la cabeza remota se usa para mejorar la cobertura, la capacidad de la celda no sufre variaciones. Esto ocurre porque se aumenta la pérdida de propagación máxima soportada, pero al mismo tiempo, se incrementa el EIRP disponible. De forma alternativa, las cabezas remotas se pueden usar para mantener el mismo radio de cobertura mientras aumentamos la capacidad (aumenta el EIRP disponible mientras mantenemos el máximo permitido de pérdidas de propagación). En realidad esta mejora de cobertura proviene directamente de negar las pérdidas de alimentación usando la cabeza remota, es decir, la capacidad de la celda usando cabezas remotas es igual que la capacidad equivalente de la celda si tuviese unas pérdidas de alimentación menores.

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El término sectorización se refiere a incrementar el número de sectores que pertenecen a un site. Es una técnica usada habitualmente para conseguir una mejora de capacidad, aunque generalmente la cobertura se ve mejorada al mismo tiempo. Esto es el resultado de incrementar la ganancia de las antenas, como resultado de introducir más antenas direccionales. La selección de las antenas es una parte crítica de la planificación para aumentar la sectorización. Los niveles de interferencia inter-celda y soft handover deben de ser cuidadosamente controlados. Por ejemplo, cambiar un site de tres sectores a uno de seis sectores no incluye simplemente añadir tres antenas: las tres originales deben de ser cambiadas igualmente. Por esta razón es útil planificar los requerimientos de sites altamente sectorizados durante la fase inicial del despliegue. Aumentar el número de sectores de una estación base requiere un gran aumento del hardware requerido por la estación base. Doblar el número de sectores requerirá doblar el número de módulos transceptores, el doble de módulos amplificadores y el doble de capacidad de procesado en banda base. Si el site está utilizando múltiples portadoras y amplificadores multi-portadora, la potencia disponible puede compartirse entre las portadoras que compongan finalmente el site. ��

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La configuración del site dependerá fuertemente de la aplicación necesaria del site: •

1 sector: microcelda o macrocelda de baja capacidad.

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2 sectores: microcelda sectorizada o macrocelda ofreciendo cobertura rural.

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3 sectores: macrocelda estándar ofreciendo capacidad media.

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4 ó 5 sectores: no usados comúnmente, aunque pueden soportar escenarios específicos.

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6 sectores: macrocelda de alta capacidad.

El factor más importante que influye en el comportamiento del un site sectorizado es la elección de la antena. Esto determina el nivel de interferencia inter-celda, el umbral de soft handover y los cambios en las máximas pérdidas de propagación permitidas. La capacidad del sistema está directamente influenciada por todos los parámetros anteriores. La cobertura se verá afectada por cambios en la máxima pérdida de propagación permitida. La sectorización de microceldas no suelen exceder los dos sectores. Las antenas deben de situarse con extremo cuidado para asegurar el aislamiento entre las celdas. La naturaleza de la radiopropagación de microceldas significa que simplemente apuntando las antenas en direcciones diferentes no es suficiente. En el caso de macroceldas, es común considerar hasta seis sectores por site. Mientras sube el nivel de sectorización, también lo hacen las ganancias de las antenas asociadas y el nivel de interferencia inter-celda. Incrementar la sectorización de un sector a tres sectores supone un aumento de la capacidad del orden de 2.8. Similarmente, incrementar de tres a seis sectores supone un aumento del 1.8. Hay que considerar que desplegar un site con una sectorización alta requiere una gran cantidad de hardware, tanto en términos de subsistemas de antenas como con módulos que deben de integrarse en la cabina de la estación base.

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Los repetidores pueden utilizarse para mejorar o extender un área de cobertura ya existente, tanto en interiores como en exteriores. Generalmente, se conectan a la celda donante mediante un enlace radio, aunque ocasionalmente puede utilizarse un enlace óptico. Los repetidores funcionan de forma transparente a la celda donante, que funciona sin saber si existe o no un repetidor asociado. El principal beneficio que reporta es que es una solución de bajo coste y facilidad de instalación. Una consideración importante al desplegar un repetidor es configurar las ganancias que reporta tanto en uplink como en downlink, que en la mayor parte de las ocasiones estarán configuradas de forma diferente. La ganancia en el sentido descendente estará configurada relativamente alta para maximizar la cobertura en el downlink que puede aportar el repetidor. Si la ganancia en el uplink está configurada alta, entonces la celda donante puede verse afectada por el ruido térmico del repetidor. La ganancia en el uplink de un repetidor suele enmarcarse en torno a los 10 dB menos que las pérdidas entre el repetidor y la celda donante. Si la diferencia entre uplink y downlink es demasiado alta, entonces puede que impacte en el funcionamiento del soft handover. Hay que llegar a una solución de compromiso entre estos tres factores. Podemos utilizar varios repetidores en cadena para extender el área de cobertura de una celda, aunque el retraso introducido (aproximadamente de 5 msegs) es el que limita el número máximo a encadenar. En general, los repetidores digitales tienen la ventaja de permitir que la señal recibida se limpie antes de retransmitirla, haciendo decisiones directamente en el flujo de bits. En el caso de repetidores de WCDMA, esto no es posible, ya que el repetidor no tiene conocimiento de los códigos de scrambling y canalización que se aplican a la señal, y simplemente se limita a amplificar la señal e introducir el correspondiente ruido de igual modo que lo haría un repetidor analógico. El hecho de que la señal WCDMA tenga que atravesar dos sistemas receptores y un transmisor adicional degrada la calidad de la señal. Esto impacta directamente

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sobre la relación Eb=No del receptor e indirectamente sobre la capacidad y cobertura del sistema. Si el sistema está limitado en capacidad por el uplink, entonces un repetidor degradará la calidad del sistema. Si el sistema está limitado en capacidad por el downlink, entonces el impacto del repetidor dependerá del balance de potencia entre la celda donante y el repetidor, la potencia de transmisión disponible del repetidor, las pérdidas de propagación permitidas entre el terminal móvil y el repetidor y la distribución de tráfico entre la celda donante y el repetidor. Entre una celda donante y su repetidor no puede haber soft handover, ya que ambos comparten la misma señal con el mismo código de scrambling. Un móvil que se encuentre en la frontera entre ambos simplemente sufrirá un multitrayecto de mayor orden y su correspondiente pérdida de ortogonalidad en el código.

Ilustración 3.11 Funcionamiento general de un repetidor

Los repetidores se utilizan primordialmente para extender el área de cobertura de una celda preexistente. El balance de potencia de esta celda donante no varía, mientras que tendremos que tener en cuenta un segundo balance de potencias relativo al repetidor, que generalmente tendrá poco o nada que ver con el balance de potencia de la celda donante. Esta diferencia se traduce en una mayor pérdida de propagación permitida en el balance de potencia del repetidor de forma comparada a la celda donante.

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El impacto sobre la capacidad del sistema depende enormemente de si la capacidad está limitada en uplink o en downlink. Si el sistema está limitado en uplink, entonces habrá una pérdida de capacidad resultante de la utilización del repetidor, como resultado directo de un mayor requerimiento de Eb=No para los usuarios conectados a la celda donante a través del repetidor. Esta cantidad depende en gran medida de que el repetidor pueda beneficiarse de diversidad en recepción. En el caso de un sistema limitado en downlink, tanto la carga del downlink como el balance de potencia deben de ser tenidos en cuenta. Los usuarios conectados a la celda donante a través del repetidor tendrán un mayor requerimiento de Eb=No. Esto incrementará la carga de tanto el repetidor como la celda donante. Este incremento tiende a disminuir la capacidad del sistema. Además, los terminales que se encuentren en la frontera de ambas zonas de cobertura están más expuestos a sufrir perdidas por multitrayecto y una correspondiente pérdida de canalización y por lo tanto de ortogonalidad del código, lo que también tiende a aumentar la carga del sistema y a disminuir la capacidad. Sin embargo, los usuarios conectados a la celda donante por medio del repetidor requieren una menor porción de la potencia de la estación base.

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Se trata de un método utilizado cuando el sistema está limitado por el número de códigos de canalización. En general, en un entorno macrocelular, la capacidad está limitada por la carga del uplink o por la potencia de transmisión de la estación base. La limitación por códigos de scrambling sólo se da en escenarios con un throughput relativamente elevado. Está situación es probable que se de en escenarios de indoor o microcelular, cuando el cell range es pequeño y la ortogonalidad alta. Una mejora en la ortogonalidad resulta en una reducción proporcional de los niveles de interferencia intra-celda. En este caso, la capacidad de la celda es más sensible a la interferencia proveniente de otras. La ortogonalidad depende principalmente del canal radio que enlaza a los usuarios con la estación base: los multitrayectos de alto

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orden degradan la ortogonalidad porque las señales interfieren con ellas misma. Generalmente, no tenemos este problema en las microceldas, ya que en estos casos suelen estar asociados a enlaces radio con líneas de visibilidad directas y un bajo retraso. La disponibilidad de códigos de canalización se convierte en el factor limitante para los servicios de alta tasa de datos cuando se está utilizando diversidad en transmisión, ya que estos servicios están limitados en el uplink y la diversidad en transmisión únicamente mejora el downlink. Un segundo código de scrambling puede introducirse para añadir un segundo árbol de códigos de canalización, aunque un árbol no será ortogonal al otro. Los usuarios asignados al primer árbol de códigos tendrán un a carga en el downlink y un balance de potencia diferentes a aquellos usuarios que están asignados al segundo árbol de códigos de canalización. Tomemos el ejemplo de una microcelda con 15 usuarios con una tasa de downlink de 128 kbps. Los primeros 12 usuarios están soportados por el primer árbol de códigos, y los tres restantes por el segundo. En términos de la interfaz aire, cada uno de los 12 usuarios ve 11 usuarios ortogonales y 3 no ortogonales, y cada uno de los 3 usuarios restantes ve 2 usuarios ortogonales y 12 no ortogonales. Por lo tanto, el balance de potencia en el downlink es más favorable para los usuarios asignados al primer árbol de códigos de canalización.

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Una propiedad importante para los sistemas de diversidad, basados en múltiples transmisores y antenas receptoras es la posibilidad de mitigar los efectos de los desvanecimientos por multitrayecto. Esta propiedad ya fue aplicada con éxitos en UTRA donde la diversidad en recepción puede ser aplicada independientemente del estándar. Permitir que el número N de antenas transmisoras y el número de M antenas de receptoras sean ambas mayores que 1 lleva a un sistema MIMO (Multiple Input Multiple Output). De acuerdo con los estándares de la 3GPP un sistema MIMO 2_M, que ��

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utilice una diversidad de transmisión de dos antenas y una recepción combinando M antenas puede ser aplicada. Los sistemas MIMO proporcionan medios para alcanzar un alto régimen binario de forma eficiente en ancho de banda. En el proceso de estandarización de la 3GPP para MIMO, los distintos algoritmos están siendo discutidos para proceder a su estandarización. En este momento, hay algunos informes técnicos disponibles, pero las especificaciones finales todavía no están listas. Existen diferentes versiones para la tecnología MIMO: •

MIMO: Multiple input multiple output; este es el caso en el que tanto transmisor como receptor poseen varias antenas.

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MISO: Multiple input Single output; en el caso de varias antenas de emisión pero únicamente una en el receptor.

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SIMO: Single input multiple output; en el caso de una única antena de emisión y varias antenas en el receptor.

Ilustración 3.12 Esquemas de MIMO

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En este momento, las discusiones en el 3GPP están concentradas en HSDPA, debido a la demanda de capacidad impuestos por los proyectos de los servicios de datos cargan sobre todo el sentido del downlink y, por otro lado, la mejores prestaciones de un sistema MIMO se alcanzan cuando el ajuste rápido de potencia no se aplica, como es el caso. Ya que todavía no existen técnicas MIMO maduras, el impacto de su uso no puede ser discutido en profundidad. Los algoritmos MIMO se pueden dividir en dos grandes grupos dependiendo del número de flujos de datos. El mayor beneficio de utilizar diversidad MIMO en el HSDSCH es muy similar al caso de aplicar diversidad en transmisión donde la mejora en el funcionamiento lleva a un requerimiento reducido de Eb=No. Esta ganancia tiene un impacto positivo en la capacidad en el downlink y en la cobertura, siendo esta última la que sale más beneficiada. El problema es que este método no aporta solución al problema de falta de códigos de canalización disponibles. En determinados hotspots con varios usuarios de gran régimen binario, la falta de códigos de canalización puede limitar la capacidad del sistema. Los sistemas MIMO puede aportar una solución para incrementar los flujos de datos sin necesidad de ampliar los códigos de canalización. En celdas con un tráfico alto con varios usuarios con una alta actividad, la falta de códigos de canalización puede limitar la capacidad del sistema. La información MIMO puede ofrecer una solución para aumentar la capacidad de forma individual sin necesidad de códigos adicionales. Esto es especialmente cierto cuando los usuarios de alta tasa de datos están más cerca de la estación base. En el uplink, el beneficio de MIMO está limitado ya que el ajuste de potencia de transmisión se emplea para evitar el efecto cerca-lejos. La diversidad MIMO reduce el salto de potencia necesario para mejorar los requisitos de potencia para llegar a una mayor cobertura y una menos interferencia intercelda, pero la ganancia en capacidad del sistema generalmente no es significativa.

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Ilustración 3.13 Esquema del 3GPP para femtoceldas

Una solución de naturaleza diferente al resto es el uso de femtoceldas, aunque todavía no se encuentra ninguna red de femtoceldas desplegadas en una red comercial. Las femtoceldas se pueden considerar estaciones base de radiotelefonía de muy poca potencia pero con todas las características propias de un nodo B común y con la particularidad de que todo el tráfico es cursado a través de la línea de banda ancha (DSL) del domicilio particular del usuario. Son utilizadas para proporcionar excelente cobertura en áreas muy pequeñas de actuación para voz y datos permitiendo a la vez al usuario disfrutar de condiciones especiales de tarificación al encontrarse en su radio de cobertura. Esta arquitectura añade dos nuevos elementos a la red convencional: el HNB por un lado y la pasarela HNB o HNB-GW por el otro lado , ambos unidos por un nuevo interfaz denominado Iu-h. Veamos una breve descripción de los elementos:

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Home Node B (HNB): Conectado a la red de banda ancha existente en el domicilio provee de cobertura 3G a los dispositivos que se encuentren en su radio de alcance y que pertenezcan a la lista de usuarios con acceso permitido. Incorpora todas las capacidades de un nodo B convencional junto con manejo de funciones radio propias de una RNC.

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HNB Gateway (HNB-GW): Se incorpora a la red del operador y su función es la de agregar todo el tráfico proveniente de los HNBs para direccionarlo hacia el núcleo de red a través de los interfaces convencionales de Iu-CS e Iu-PS.

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Interfaz Iu-h: Situado entre el HNB y la pasarela, proporciona una comunicación segura y escalable sobre Internet. Además define un método eficaz para transportar el tráfico destinado al interfaz Iu, y un nuevo protocolo, el HNBAP, para permitir la futura arquitectura con múltiples HNB distribuidos aleatoriamente.

Aunque no se encuentre en funcionamiento ninguna red comercial de femtoceldas, el enfoque parece ser común en la mayoría de actores involucrados. En primer lugar, se pretende que el impacto no sea grande en el número de usuarios, pero sí en capacidad. Es decir, se limita a cuatro o cinco usuarios conectados por femtocelda, independientemente del servicio que estén utilizando estos usuarios, pero el throughput que tienen disponible cada uno de ellos es prácticamente el máximo que pueda ofrecer la tecnología (7.2 Mbps en el caso de HSPA)

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