Dimensionamiento de una Red Inalámbrica

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1 Dimensionamiento de una Red Inalámbrica

2 Diferentes Procesos de la Planificación de una Red Inalámbrica Red de Acceso: Radio Planning Red de Transporte: Transmission Planning Core Network: Core Planning La planificación desde un punto de vista técnico abarca la red de acceso inalámbrico para conectar a los usuarios, la red de transporte o transmisión que permite llevar el tráfico de los usuarios al backbone de la red y el core network. En cada caso las metas a cumplir son diferentes y obedecen a visiones distintas, tanto desde la perspectiva técnica como de mercado y financiera. En este caso de estudio sólo nos ocuparemos de los elementos fundamentales de la planificación de la red de acceso o Radio Planning.

3 Fases de la Planificación de la red de Acceso Inalámbrica Radio Planning PREPARACION Descripción general de la red: tecnología, servicios, zona de despliegue. Datos de mercado y topográficos, regulación, espectro. DIMENSIONAMIENTO Estimado aproximado de la cantidad de BS, cobertura y capacidad, QoS. Despliegue PLANIFICACIÓN DETALLADA VERIFICACIÓN Y ACEPTACIÓN OPTIMIZACIÓN y MONITOREO Estimación más precisa de la cobertura y capacidad y de la configuración de cada BS (Potencia, Ganancias, Sistema de Antenas y alturas) en función del ambiente de propagación. Interferencia y plan de frecuencia. Antes de iniciar el despliegue de la red se deben verificar todos los cálculos y consideraciones a fin de encontrar posibles errores. Este proceso nunca termina, está mientras la red esté operativa. presente Cuando buscamos en la literatura sobre el tema de planificación de redes de radio nos percatamos que no existe un consenso único ni sobre lo que es la planificación, ni tampoco sobre las etapas del proceso. Se confunde planificación con diseño, con dimensionamiento, a veces con capacity planning, etc. En este curso vamos a dividir el proceso de planificación de radio en cinco grandes etapas a saber: Fase de Preparación, Dimensionamiento, Planificación Detallada, Verificación y Acaeptación y por último la Optimización. Como ya hemos mencionada en la literatura encontrarán otras etapas del proceso pero siempre, de una manera u otra, en todas las aquí propuestas se engloban las etapas principales. En realidad no existe un consenso sobre lo que es planificación, diseño, dimensionamiento. Tal vez cálculo de capacidad y cobertura están más claros, pero incluso existen también muchas definiciones al respecto.

4 PREMISAS A continuación se enumera una serie de premisas básicas que son necesarias para continuar con el análisis. 1. Todos los usuarios comprarán el servicio de VoIP y el de acceso a Internet 2. El factor de reventa en VoIP es siempre 1, FRV RES_VoIP =1, FRV EMP_VoIP =1 3. El factor de reventa para Internet residencial es variable y lo ajusta el operador. A los usuarios residenciales se les vende un PIR (Peak Information Rate) 4. El factor de reventa para Internet empresarial es 1 ya que a las empresas se les vende un CIR (Committed Information Rate), FRV EMP_INTER =1

5 Nomenclatura El factor de utilización FU toma en cuenta el hecho de que las redes no se diseñan para que la carga llegue a la capacidad total, sino que siempre se considera algo menor; típicamente entre un 75% y 85 % de su capacidad. Por lo tanto se diseña para que a lo sumo la carga de la red sea igual a FU*CBS_MAX

6 Cálculo de la Cantidad de BS para Cubrir un Área Dada En este escenario disponemos de información de mercado con relación a la cantidad, tipo y perfil de los usuarios que comprarían el servicio. Así que desde la perspectiva del planificador sólo interesa conocer esos datos. En la Tabla No. 3-1 se muestran los parámetros que es necesario conocer para calcular la cantidad de BSs para cubrir un área específica, también se indica la fuente de esos parámetros.

7 C UTIL Capacidad Total La capacidad total C UTIL en el área geográfica es la suma del consumo total de los usuarios residenciales y de los empresariales y viene dada por: U FRV C U C RES _ VoIP RES _ INTER EMP _ VoIP * RES _ VoIP * RES _ INTER * EMPE _ VoIP RES _ VoIP FRVRES _ INTER FRVEMP _ VoIP U C U FRV EMP _ INTER EMP _ INTER * C EMPE _ INTER C C UTIL TOT j i1 C FU U i Ci FRV UTIL i En el caso que estamos analizando j=4 y los valores de i son: i=1 VoIP residencial: RES_VoIP i=2 Acceso a Internet residencial: RES_INTER i=3 VoIP empresarial: EMP_VoIP i=4 Acceso a Internet empresarial: EMP_INTER

8 Cantidad Requerida de Celdas La cantidad de celdas, N CELL se calcula a través de: A donde ceil(x) aproxima x al próximo entero que TOT N CELL ceil sea superior a x. ABS La capacidad requerida por la celda se obtiene dividiendo la capacidad total entre la cantidad total de celdas j CTOT 1 U i CREQ _ CELL Ci N N * FU FRV Ahora es necesario comparar C REQ_CELL con C MAX_BS. Si C REQ_CELL < FU*C MAX_BS entonces se puede usar un solo sector y la cantidad de BS viene es igual a N CELL. CELL CELL i1 i Si C REQ_CELL > C MAX_BS se tienen tres opciones: 1. sectorizar la celda 2. activar otra portadora, si se tiene espectro 3. reducir el área de cobertura de la BS reduciendo la potencia de transmisión, lo cual aumenta la cantidad de celdas N CELL y se reduce C REQ_CELL.

9 Cálculo de la Cantidad Máxima de Usuarios que Soporta una BS En este caso tenemos una BS que tiene una capacidad máxima CBS_MAX dada por el fabricante y se quiere saber cuantos usuarios simultáneos soporta la BS. Disponemos de la siguiente información: Capacidad máxima de la BS: Área de cobertura de la BS: Capacidad de los usuarios de acuerdo a su modulación: C BS_MAX A BS C mod donde mod=qpsk, 16QAM o 64QAM. C Calculamos la C TOT conociendo la C UTIL y el FU. UTIL U FRV RES _ VoIP RES _ VoIP U RES _ INTER U EMP _ VoIP U * CRES _ VoIP * CRES _ INTER * CEMPE _ VoIP FRV FRV FRV RES _ INTER EMP _ VoIP EMP _ INTER EMP _ INTER * C EMPE _ INTER C BS_MAX =C TOT Despejamos la cantidad de usuarios si sólo tenemos un tipo; por ejemplo residenciales o corporativos. Si hay N tipos de usuarios, necesariamente debemos conocer la cantidad de N-1 de ellos, a fin de poder despejar el restante de la relación anterior

10 Sistema de Referencia para LTE Parámetros de la BS LTE

11 Sistema de Referencia para LTE Parámetros del Móvil LTE El ancho de banda para cada UE se estimo en 10 RBs, es decir 1.8 MHz

12 Bandas de Frecuencia del DL y UL Dado que los fabricantes están construyendo soluciones para FDD, en este trabajo sólo nos interesan las bandas 1 a la 17

13 Frecuencia Central del DL y UL La frecuencia de la portadora del DL y del UL se designa a través de un número denominado E-UTRA Absolute Radio Frequency Channel Number (EARFCN) en el rango de , es decir un número para designar cada canal en cada banda. El Raster Channel es de 100 KHz en todos los canales. La relación entre EARFCN y la frecuencia de la portadora en MHz viene dada por: F DL F DL _ low 0.1( N DL _ N OffsDL ) F UL F UL _ low 0.1( N UL _ N OffsUL ) N UL N DL N offs _ UL Por ejemplo, se fija N DL y luego se calcula N UL. Donde N DL y N UL son los números que designan los canales del DL y UL respectivamente, y F DL_low, N offs- DL, F UL_low, N offs-ul se obtienen de la siguiente tabla.

14 La nota al pie de la tabla, nos dice lo siguientes: Los primeros 7, 15, 25, 50, 75 y 100 canales no se pueden usar para anchos de banda de 1.4, 3, 5, 10, 15 y 20 MHz respectivamente. Ejemplo, los primeros 15 canales no se pueden para anchos de banda de 3 MHz. Los últimos 6, 14, 24, 49, 74 y 99 canales no se pueden usar para anchos de banda de 1.4, 3, 5, 10, 15 y 20 MHz respectivamente. Ejemplo, los últimos 14 canales no se pueden usar para anchos de banda de 3 MH Las prohibiciones se establecen para garantizar que sólo se use el ancho de banda asignado y para que no exista interferencia con canales adyacentes. Estas prohibiciones surgen del hecho de que al ubicar la portadora de los canales extremos, se debe garantizar que el canal ocupe sólo una porción den ancho de banda asignado y que su espectro no se desborde hacia los canales adyacentes que se encuentran a ambos lados del canal de interés. Por ejemplo, si tenemos un canal de 10 MHz de ancho de banda, su portadora en el extremo inferior debe estar separa de frecuencia mínima al menos en 5 MHz, que es la mitad del ancho de banda. Dado que el raster channel es de 0.1 MHz, 5/0.1=50, por lo que los primeros 50 canales (del 0 al 49) no pueden usarse. En general la cantidad de canales prohibidos es (BW/2)/0.1, el BW expresado en MHz. Un procedimiento igual se aplica para el extremo superior.

15 Canales prohibidos y el ancho de banda asociado Con un ancho de banda de 10 MHz, que es lo más común debido a las canalizaciones que han hecho las administraciones del espectro, no se pueden usar los primeros 50 canales, ni los últimos 49 canales, en cada una de las bandas.. Entonces en la banda 1, sólo podemos usar los canales del 50 al 548 para el DL, y del al para el UL. Número de canales permitidos en la banda 1 de LTE para el DL y UL con 10 MHz de ancho de banda. DL UL

16 Anchos de banda permitidos en cada banda de LTE de acuerdo al estándar

17 Selección del DL y UL Vamos a seleccionar el canal 50 para el DL, lo cual resulta en el canal para el UL. Las frecuencias de las respectivas portadoras son FDL=2115 MHz y FUL=1925 MHz, después de aplicar las relaciones ( ).

18 SENSIBILIDAD DEL MOVIL EN LTE S 174dB / Hz 10 log( B) dbm / Hz NF db SINR IMdB - 3 dbm

19 CALCULO DEL LINK BUDGET PARA LTE Link Budget

20 Resumen del Link Budget MPORTANTE: El UE categoría 3 no soporta 64 QAM en el UL Entonces el porcentaje de recursos de la matriz tiempo-frecuencia llevará tantos bits por símbolos como los de la modulación a la cual fue asignado. Ahora sabemos que a QPSK le corresponde el 81.99% de los recursos, el 11.22% a 16QAM y el 6.79% le corresponde a 64QAM. Sin embargo, esta repartición está sometida a la condición de que lo que se le asigne a cada modulación sea un submúltiplo de 50, que es la cantidad de RBs, de manera que en cada modulación tengamos un número entero de RBs, es decir bloques de 180 KHz y duración 1 ms.

21 Cálculo de la Cantidad de Usuarios Como ya hemos mencionado la cantidad de recursos disponible se asignarán a cada modulación en función del área ocupada por cada una de ella. Al final la capacidad total de la BS C BS_DATOS para datos de usuarios será: C BS _ DATOS CQPSK C16QAM C64QAM

22 CALCULO DE LA CAPACIDAD DEL DL Y DEL UL Estos resultados están basados en un sistema SISO, si consideramos un sistema MIMO 2x2 en el DL, la capacidad del DL será el doble, es decir 36.8 Mbps. Con un ancho de banda de 10 MHz se tienen, de acuerdo al estándar, 50 RBs. Entonces a cada anillo de cobertura le debe corresponder un número entero de RB, de manera tal que el total no supere los 50 RBs. Como la repartición no exacta hacemos algunas aproximaciones, al final la suma debe dar exactamente 50 RBs. La tabla presenta los resultados obtenidos, incluyendo el Peak Rate. Es bueno aclarar que el Peak Rate mostrado no es la capacidad total de la BS, es lo que se puede dar en un momento dado suponiendo que los usuarios están distribuidos en la misma proporción del área de cobertura de cada anillo, caso contrario se obtendrán resultados diferentes. Por ejemplo, supongamos que todos los usuarios están ubicados en el anillo de 64 QAM, en ese caso en el DL tendríamos una tasa pico de 43.2 Mbps=7200*6/1ms.

23 CALCULO DE LA CANTIDAD DE USUARIOS QUE PUEDE SOPORTAR UNA BS CONOCIENDO SU CAPACIDAD De la tabla anterior vemos que la capacidad del DL y del UL es 18.4 Mbps y Mbps, respectivamente. También es necesaria cierta información proveniente de los estudios de mercado. A título de ejemplo vamos a analizar dos escenarios. PRIMER ESCENARIO: Corresponde a una red que sólo prestará servicios de VoIP y datos a clientes residenciales. Y se quiere calcular la cantidad de usuarios a quienes se les puede dar servicio, conociendo de antemano la capacidad útil de la BS. SEGUNDO ESCENARIO: Se trata de una red que prestaría servicio de voz y servicio de datos, tanto a usuarios residenciales como a corporativos, y la información de mercado nos da la cantidad y el perfil de cada tipo de usuarios, y se quiere calcular la capacidad que debe tener una BS para cursar el tráfico ofrecido. De la capacidad total C BS_MAX sólo se puede usar una cantidad igual a C UTIL =FU* C BS_MAX, donde como ya se definió FU es el factor de utilización y lo vamos a considerar igual al 85%, y obtenemos C UTIL =15.64 Mbps

24 RED DE SERVICIOS DE DATOS Y VOIP PARA USUARIOS RESIDENCIALES En este caso tenemos dos tipos de servicios, VoIP y acceso a internet. Las características de los servicios se resumen en la tabla, donde % MIX se refiere al porcentaje del total que compra un servicio en particular. El consumo de N usuarios viene dado por: C USER _ RES NUSER _ RES * PVoIPC RES _ VoIP P INTER C RES _ INTER

25 Cantidad de Usuarios Lo que se quiere es que toda la capacidad útil de la BS se reparta entre los usuarios, así tenemos que C UTIL =C USER_RES y obtenemos: N USER _ RES P VoIP C RES _ VoIP C UTIL P INTER C RES _ INTER Evaluando obtenemos que N USER_RES = 30 usuarios. La cantidad de usuarios simultáneos se obtiene multiplicando N USER_RES por el %MIX de cada servicio. Así obtenemos los resultados siguientes Todos los servicios residenciales, de una manera u otra se revenden; es decir, que la cantidad de usuarios a quienes se les vende el servicio es superior a la cantidad de usuarios simultáneos, de otra forma el negocio no sería rentable. En el caso del servicio de internet se aplica un factor de reventa F RVRES_INTER para el cual no existe una metodología establecida, los operadores lo van monitoreando y ajustando la carga de la red. Por ejemplo si F RVRES_INTER =40, entonces se puede vender el servicio de acceso a internet a 1200 clientes. Por su parte el servicio de voz sigue una óptica diferente a fin de considerar su reventa. De hecho cuando aplicamos le modelo de Erlang, estamos aplicando un factor de reventa; sin embargo, es un factor de reventa muy bien analizado y siguiendo un modelo. Pero al fin y al cabo es una reventa, de lo contrario nunca habría congestión en la red telefónica pero los costos serían elevadísimos.

26 CANTIDAD DE USUARIOS DE VoIP En VoIP no podemos aplicar la misma metodología del factor de reventa que se usó en el servicio de acceso a internet, la única razón es que VoIP debe tener una cierta calidad de servicio por ser en tiempo real y sensible a los retardos. Típicamente el parámetro de calidad de servicio que se ha usado en las redes basadas en conmutación de circuito, como la PSTN, es la probabilidad de bloque en la hora pico. Si queremos que VoIP tenga la misma QoS que la PSTN debemos entonces usar la misma metodología de ésta. Duración promedio de una llamada: 3 min que equivale a 50 me Probabilidad de bloqueo: 1% igual que en la PSTN Cantidad de líneas telefónicas: equivale a la cantidad de usuarios simultáneos Con los datos anteriores el modelo de Erlang B nos da el tráfico total que se puede cursar. Luego dividiendo el tráfico total entre el los 50 me obtenemos la cantidad de usuarios a quienes se les puede vender el servicio,

27 CANTIDAD DE USUARIOS DE VoIP (Cont.) Apliquemos esta metodología a nuestro ejemplo. Usemos una calculadora Erlang B de internet, los resultados nos indican que con 15 líneas y P0.01 se puede cursar un tráfico total de 8.1 Erlang, si cada usuario ofrece un tráfico de 50 me, entonces se puede ofrecer al servicio a 162 usuarios. En resumen se puede vender el servicio de internet a 1200 clientes y el de VoIP a 162 clientes; y tendremos 30 usuarios concurrentes de internet y 15 de VoIP.

28 RED DE DATOS Y VoIP En este caso se vende un servicio de acceso a internet conjuntamente con VoIP, para clientes residenciales y corporativos. A continuación se muestra una serie de parámetros obtenidos a partir de los estudios de mercado. Se requiere calcular la cantidad de RBs, separación entre ellas y la capacidad que debe tener cada una. El servicio de acceso a Internet residencial tiene como máximo usuarios, por lo tanto la cantidad concurrente es 18000/40=450, si cada usuario consume Kbps, entonces el servicio de acceso Internet residencial demanda una capacidad total de Mbps.

29 RED DE DATOS Y VoIP (Cont.) El servicio de VoIP residencial también tiene usuarios, y esta es la cantidad que debe resultar después de aplicar la metodología antes descrita que involucra el modelo de Erlang B. Veamos: T TOTAL U RES _ VoIP U T T RES _ VoIP TOTAL INDIVIDUAL * T INDIVIDUAL 900 E Con este tráfico y la probabilidad de bloque vamos a la calculadora Erlang B y obtenemos la cantidad de líneas necesarias: 929 líneas. Si cada línea con un CODEC AMR consume , el total del tráfico será C RES _ VoIP # Total _ Lineas * T INDIVIDUAL 929 * kbps Mbps Los usuarios residenciales ofrecen un tráfico de Mbps.

30 Siguiendo un proceso similar obtenemos que el tráfico ofrecido por los usuarios corporativos es de 160 Mbps. La Tabla No. 6-5 muestra los resultados obtenidos. Una vez que tenemos la capacidad total podemos calcular la densidad de datos, definida de la siguiente manera: D DATOS Capacidad _ Total 8.69 Mbps/Km A TOT 2 C BS _ MAX D * A FU DATOS BS Mbps N BS A A TOT BS

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