Generalidades de Redes Celulares

Transcripción

1 Generalidades de Redes Celulares Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 1

2 Parámetros geográficos Para estimar el tráfico por celda, es necesario conocer los usuarios potenciales que en promedio residen en una celda. Para ello necesitamos lo siguiente: Área por cada celda Km 2 /celda Densidad de usuarios User/Km 2 Porcentaje de Penetración % En una red celular el área total cubrir se divide en celdas hexagonales. Se seleccionó la geometría celular ya que es la única que permite cubrir un área sin dejar espacios vacíos y sin que exista superposición entre ellas. Por supuesto todo esto es un modelo teórico que permite hacer la planificación y estimaciones iniciales. En la práctica el área de cubertura de una celda es totalmente irregular pero siempre alrededor de punto de ubicación de la estación base. R Área: R 2 Área : R R 2 R El área de la celda es un parámetro que tiene mucha influencia en los cálculos de tráfico. Si la celda está sectorizada se calcula el área de cada sector, la cual es igual al área de la celda dividida entre la cantidad de sectores. Cuando calculamos el link Budget, obtenemos el radio de cobertura, luego debemos hallar el hexágono equivalente a fin de determinar el área cubierta. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 2

3 Distancia de Reuso Dado que el radio de cobertura es limitado a distancias de algunos pocos kilómetros o incluso cientos de metros (dependiendo de la frecuencia) es necesario desplegar muchas radio bases a fin de cubrir el área. Dependiendo de las tecnologías y de las condiciones de propagación, las frecuencias que se usan en una celda podrán o no usarse en las celdas vecinas. La figura muestra un área geográfica con tres canales de frecuencia y su distribución en áreas más pequeñas, donde en cada una sólo se usa un canal. Esta estructura permite obtener mayor capacidad; entonces una técnica para aumentar la capacidad consiste en dividir el área cada vez más pequeñas, por supuesto esto tiene un límite ya que no podemos seguir dividiendo continuamente Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 3

4 R v Reuso de Frecuencia Punto de Observación, P (u,v) centro de una celda U 2 1 R R d 2 3 =120 R es el radio de la celda (0,0) 1 d v 2 u 2 2uv cos 60 d v 2 u 2 uv Como ya se ha mencionado el espectro es un recurso escaso, entonces la única forma de brindar una cobertura nacional es reutilizándolo, esto significa que los canales que se usan en un área geográfica podemos reutilizarlo en otra área, a condición que la interferencia co-canal este dentro de los límites permitidos. El reuso de frecuencia permite reutilizar canales de frecuencia en distintas zonas geográficas y garantizar un nivel de interferencia adecuado. A fin de determinar la distancia mínima en la cual se pueden volver a utilizar los canales, se introduce un sistema de referencia U-V con un ángulo de 60 grados entre los ejes, tal como se muestra en esta figura. Las celdas que usan los mismos canales se denominan celdas co-canal y las que están una al lado de la otra se llaman celdas adyacentes y usan canales diferentes, salvo en el caso de reuso 1 como veremos luego. La distancia entre dos centros de celdas, según U o según V, se normalizan a la distancia de separación. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 4

5 Distancia entre los Centros de dos Celdas Adyacentes v Este punto Corresponde a v=0 y u=2l R R R 2l 30 D 30 l 3 cos 30 R 2 Normalizando: 2l=1 entonces R u i ij j 2 l 2l R 3 Todas las distancias calculadas serán proporcionales a 2l. N La localización de las celdas co-canal se hace por medio de los parámetros de corrimiento (i,j): i es el número de celdas en la dirección u y j el número de celdas en la dirección v. Tanto i como j se miden desde el centro de una celda al de otra, por lo tanto son valores enteros y múltiplos de 2l. N es el factor de reuso de frecuencia, es decir una celda co-canal la encontraremos a una distancia D=N 1/2, en el sistema de coordenadas u,v Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 5

6 Distribución de los grupos de canales con factor de reuso 7 Mientras mayor es el factor de reuso de frecuencia, mayor es la separación entre celdas co-canal y menor es la interferencia, pero se tiene menor capacidad, o se deben tener más espectro para mantener una capacidad dada Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 6

7 Reuso Universal de Frecuencia i=0, j=1 y D=1 i=1, J=0 y D=1 Un factor de reuso de frecuencia igual a 1, significa que todas las celdas usa las mismas frecuencias En este caso cada una de las celdas que cubren una geografía, regional o nacional, usan las mismas frecuencias. Sin embargo, se aumenta la interferencia entre celdas, por lo que se necesitan equipos que puedan trabajar bajo esas condiciones. Tanto WiMAX, EVDO y UMTS usan factor de reuso universal. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 7

8 Factor de reuso 3 i=j=1 D 3 D 3 Desnormalizando obtenemos Las celdas con el mismo número usan los mismos canales de frecuencia D D 2l 3R 3, y 2l R 3 Con reuso 3, la cantidad total de canales disponibles se divide entre 3, el resultado será el numero de canales asignados a cada celda. En general al tener un factor de reuso N, se forma un cluster con N celdas cada una teniendo un grupo de canales. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 8

9 Asignación de Canales En general si tenemos C canales disponibles y el reuso de frecuencia es N, entonces cada celda tendrá k=c/n canales. El tamaño de cluster es N. Y en cada cluster habrán los C canales. Cada vez que se genera un nuevo cluster se aumenta la capacidad: Capacidad_total=#Cluster* C. En el caso aquí mostrado la capacidad es de 4x20=80 canales, debido a que existen 4 clusters. Factor de reuso de frecuencia N=4. Cada Cluster tiene 4 celdas; si en total se disponen de C=20 canales entonces a cada celda le corresponden 20/N=5 canales Si el factor de reuso de frecuencias es N, entonces la banda asignada a un operador, se subdivide en N grupos de canales según el ancho de banda de la tecnología utilizada. Los canales que forman un grupo están separados por un valor fijo en frecuencia, múltiplo del ancho de banda de la señal. La razón de esta separación, es para minimizar la interferencia por canal adyacente que puedan generarse. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 9

10 Ejemplos de Reuso de Frecuencia Si C es la cantidad de canales disponible, entonces a cada celda le corresponde una cantidad de canales igual a C/N Cluster de 4 celdas. Aquí están distribuidos todos los canales disponibles Cluster de 7 celdas El Reuso de Frecuencia puede presentarse de diferentes formas, en función del número de grupos que se formen. Los casos más típicos son los presentados en la grafica N=4 y 12 utilizados en GSM, N= 7 utilizado en TDMA. Los sistemas basados en Acceso Múltiple por Código (CDMA), no requieren del Reuso de frecuencia, debido a que las señales comparten la misma frecuencia. Se dice que estos sistemas tiene reuso N=1. Igual sucede con las sistemas basado sen OFDM. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 10

11 Patrón de reuso de frecuencia Se define de acuerdo con tres parámetros (N,S,M) N: Tamaño del cluster. Cantidad de BS que forman el cluster S: cantidad de sectores por BS M: cantidad de canales de frecuencia por celda Ejemplo: (1, 3, 1) Tamaño del Cluster Sectores por BS Cantidad de Canales por Celda Un cluster está formado por un número de celdas de manera que todos los canales disponibles estén repartidos en el cluster. El cluster incluye todos los canles de frecuencias disponibles. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 11

12 Otros esquemas de reuso en WiMAX Un operador con una canalización de 10 MHz, puede usar un patrón de reuso (1,3,1). Para reducir el nivel de interferencia se pueden usar canales de 3 MHz con un patrón (1,3,3). Si el tráfico es muy alto podría usar canales de 3x10 MHz con un patrón (1,3,3) pero necesita 30 MHz. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 12

13 WiMAX OFDM- Reuso de Frecuencia Fraccional WiMAX utiliza reuso de 1 para aumentar la eficiencia espectral Pero usuarios en el borde de la celda pueden tener una pobre QoS WiMAX: reuso de subcanales En el centro de la celda se usa reuso 1, mientras que en los bordes sólo se usan ciertos subcanales: Reuso Fraccional F1, F2 y F2 son subcanales dentro de la misma banda de frecuencia El reuso fraccional de frecuencia consiste en usar sólo una porción del espectro activando determinadas subportadoras en ciertas zonas del área de cobertura. Por ejemplo en el centro de la celda se emplea reuso 1, mientras que en los bordes sólo se usan algunas subportadoras. Esta es una ventaja de OFDM y se consigue gracias al hecho de dividir el espectro en subportadoras. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 13

14 Factor de Reuso Fracional de Frecuencia La figura muestra un caso donde las frecuencias de las subportadoras en verde tiene reuso 1, por eso se usan en las tres celdas, mientras que las subportadoras cuyas frecuencias se representan por las amarillas, rojas y moradas tiene un factor de reuso 3 y se distribuyen en un cluster de tres celdas. El ancho de banda total es la suma de las frecuencias verdes, amarillas, moradas y rojas. En este esquema de reuso fraccional de frecuencia, el borde de cada celda usa un solo grupo de subportadoras, y son diferentes entre una celda y otra del mismo cluster El reuso fraccional de frecuencia consiste en usar sólo una porción del espectro activando determinadas subportadoras en ciertas zonas del área de cobertura. Por ejemplo en el centro de la celda se emplea reuso 1, mientras que en los bordes sólo se usan algunas subportadoras. Esta es una ventaja de OFDM y se consigue gracias al hecho de dividir el espectro en subportadoras. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 14

15 Este es otro esquema posible de reuso fraccional de frecuencia, donde se tienen tres sectores. Las subportadoras con reuso 1 se denominan FR (Full Reuse) y las que tienen un factor de reuso distinto de 1 se denominan PR (Partial Reuse). Cada sector se identifica por S ij, donde i identifica las subportadoras FR y la j=2,3,4 a las subportadoras PR. Así en cada celda tenemos los sectores S 12, S 13 y S 14. Este esquema se diferencia de aquel mostrado en la página anterior en que en los bordes de una celda todas las subportadoras son iguales, mientras que en este, en el borde de cada sector las subportadoras son distintas a las de los otros sectores de la misma BS. Otro esquema de reuso fraccional de frecuencia Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 15

16 Organización de las subportadoras usando reuso fraccional El reuso fraccional permite controlar la interferencia que pudiera existir en los bordes de la celda, mientras se mantiene reuso uno con las subportadoras del centro. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 16

17 Interferencia Co-Canal. Antenas Omni Factor de reducción de interferencia Co-Canal Está relacionado con la distancia D entre celdas co-canal y el el radio R de la celda N Q D / R 3N 1 3 La relación Señal-Interferencia Co-Canal viene dada por: S S / I M I k k1 Donde S es el nivel de señal que interesa y M es número de celdas co-canal y que pudiesen interferir con la celda bajo estudio. En este análisis sólo se consideran las que están en el primer anillo alrededor de la BS deseada El reuso de frecuencia se utiliza para usar de manera más eficiente el espectro; sin embargo, el hecho de que la misma frecuencia sea reutilizada en otra zona produce la interferencia co-canal. Lo ideal sería que la distancia de reuso D fuese mucho mayor que el radio de la celda, pero se reduce la eficiencia en cuanto al uso del espectro. Si aumentamos N, se reduce la cantidad de canales por celda reduciéndose su capacidad. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 17

18 Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 18 Interferencia Co-Canal En un ambiente perturbado por obstáculos, tal como el urbano la potencia recibida se puede expresar por: para caso urbano 4,n d KP P n t r Si todas las BS transmiten con igual potencia y considerando que las distancias desde las celdas cocanales son iguales a D: M Q R D M 1 D R D KP R P K I / S 4 4 M 1 k 4 k 4 M 1 k 4 k t 4 t Las diferentes combinaciones de i y j son conocidas, por lo tanto también conocemos M

19 Reuso de Frecuencia =1 d5 d d2 1 d4 R d6 d3 d1 d2 d d2 d d6 d d R 2R R 7 d d2 1 R 1 S / I 6 d i1 4 i dB En el caso de reuso universal, la interferencia en la celda de interés es producida por todas las BS que la rodean. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 19

20 Interferencia co-canal para factor de reuso 3 y 7 Sólo se considera el primer anillo de interferencia Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 20

21 Interferencia en celdas sectorizadas. Factor de reuso 1 Estos sectores no interfieren con el móvil CASO DE TRES SECTORES d3 d1 d 2 R d2 d1 Ubicación del móvil. Peor caso. 3 sectores por celda. Sólo 3 sectores interfieren Otro método que ayuda a reducir la interferencia consiste en la sectorización, es decir se usan antenas directivas con un diagrama de radiación en el plano horizontal que cubre sólo un segmento angular, es lo que se conoce como antena sectorizada. Típicamente pueden haber 3 sectores de 120 cada uno, o 4 sectores de 90, depende de la planificación y del ambiente de propagación. Como cada antena envía su energía en una región muy precisa, el resto del espacio no se interferido por dicha antena. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 21

22 DIVISIÓN N DE CELDAS (Cell( Spliting) Es el proceso por medio del cual la celda se divide en celdas más pequeñas. Se realiza con el fin de tener más canales y poder así soportar el tráfico creciente; al mismo tiempo hay que reducir la altura de la antena de la BS y la potencia de transmisión. El radio de las nuevas celda es la mitad del radio original, y la celda original se divide en 4 celdas. Una ubicada en el centro y seis medias celdas alrrededor de aquella. Capacidad_final= 4 N xcapacidad_inicial. Después del Splitting el factor de reuso de frecuencia se conserva, pero la capacidad se incrementa por un factor de 4, si el proceso de Splitting se realiza N veces, entonces la capacidad se incrementa por un factor de 4 N, de manera que la capacidad final es: Capacidad_final= 4 N xcapacidad_inicial. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 22

23 Potencia de transmisión despues del Splitting Si la celda original transmitía con una potencia P TX1, en el borde de la celda la potencia recibida es n PRX1 PTX 1R1 Donde es una constante, n es el factor de pérdida con la distancia considerado igual a 4 para ambientes móviles y R 1 es el radio en el borde de la celda. Si el radio de la nueva celda es R 1 /2, entonces la potencia recibida por el móvil será: P P RX 2 TX 2 R1 2 n Independientemente del radio de la celda, los móviles deben seguir recibiendo la misma potencia, así que Igualando ambas ecuaciones podemos calcular la relación entre P TX1 y P TX2 : P TX 2( dbm) PTX 1( dbm) 12( db) En general si una celda se ha subdividido N veces, el radio de las nuevas celdas, con relación a la original, es R/2 N, y la potencia de transmisión es P TX2 (dbm)=p TX1 (dbm)- 12n (db). Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 23

24 Handover Handover o Handoff es el proceso que ocurre cuando el móvil, debido a condiciones del canal o de tráfico, migra desde la interface de aire de la BS que le está prestando servicios a otra interface de aire suministrada por otra BS. El handover se puede clasificar en dos grandes categorías: en función de la forma como el móvil deja los recursos que posee en la BS actual, y en función de las características que posee la nueva BS con relación a la actual. El Handover se produce cuando: la MS se desplaza y debido a desvanecimiento y/o interferencia debe cambiar de BS para obtener una señal de mejor calidad la MS puede obtener una mayor QoS con otra BS Si durante el proceso de HO se produce una interrupción de la comunicación la MS tiene la opción de reintentar el ranging con la nueva BS. Si esto también falla puede anular el HO con la BS actual, si está dentro del lapso de los 100 ms, si esto también falla debe iniciar el proceso de registro desde el principio Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 24

25 CLASIFICACIÓN DEL HANDOVER HANDOVER EN FUNCIÓN DE CÓMO SE LIBERAN LOS RECURSOS: Esta categoría se refiere a la decisión que toma el móvil con relación a los recursos de radio que tiene asignados en el momento de realizar el handover; y existen dos tipos: el handover suave (Soft Handover) y el Handover duro (Hard Handover. Hard Handover Soft Handover HANDOVER EN FUNCIÓN DE LAS CARACTERISTICAS DE LA NUEVA BS Handover inter frecuencia: Migración a otra celda con frecuencia distinta a la de la BS que le está sirviendo. Handover intra frecuencia: Migración a otra celda que tiene la misma frecuencia de la BS que le está sirviendo. Handover entre tecnologías de acceso distintas (Handover Vertical) Se denomina Vertical Handover, aquel que se realiza entre redes distintas, como en el caso aquí presentado. El objetivo de estos esquemas es garantizar la comunicación en cualquier instante y donde sea (any time any where). Para ello el móvil debe soportar varias interfaces de aire, en este caso LTE y WiMAX. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 25

26 Handover vertical. El móvil (UE/MS) migra de una BS WiMAX a un enode B LTE. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 26

27 Traza de un proceso de Handover en WiMAX. Se indican las condiciones y la métrica usada. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 27

28 Caso #1. Handover Iniciado debido a Caida del Throughput BLER Evento Throughput DL BLER En este caso el usuario se verá afectado por un tiempo muy breve, ya que al aumentar el BLER se reduce el throughput y se pueden afectar sobre todo las llamas en tiempo real, por ejemplo video conferencia y llamadas de voz. Si el sistema está bien ajustado no debería interrumpirse la llamada y el performance se recupera al hacer el handover a la nueva BS. Este ejemplo muestra el caso de una red bien dimensionada y que ofrece una buena QoS. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 28

29 CASO #2: Caída del Throughput sin Handover El Throughput del canal de bajada es muy inestable y presenta grandes caidas. El móvil ha detectado tres portadoras de otras BSs vecinas con un buen nivel de señal sin embargo no se ejecutó el handover. X BS vecinas Throughput con fuertes caídas BS Actual X Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 29

30 Caso #2: Caída del Throughput sin Handover BS Vecinas de la misma portadora Razones por las cuales no se pudo hacer el Handover? Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 30

31 Control de Potencia en Lazo Abierto A partir de una serie de mediciones y de información recibida desde la BS, el móvil calcula el nivel de potencia de transmisión. En este tipo de control de potencia es el mismo móvil quien determina su potencia de transmisión, a diferencia del control de lazo cerrado. Durante el proceso inicial de entrada a la red, el móvil calcula su propia potencia de transmisión, en otras palabras usa control de lazo abierto: es normal que así sea ya que el móvil no ha tenido ningún contacto con la BS entonces no puede recibir ningún comando de la misma. El control de potencia permite mitigar las perdidas del trayecto, el shadowing y el fast fading regulando la potencia de transmisión de las MS de manera que las señales lleguen a la BS con el mismo nivel, independientemente si están cerca o lejos de la BS, siempre dentro del área de cobertura. Dado que LTE y WiMAX están basados en conmutación de paquetes no es necesario hacer un control periódico de potencia como se hace en conmutación de circuitos. Se realiza cuando se necesite, no se ejecuta en forma regular. El control de potencia permite un mejor uso de la energía de la batería del móvil aumentando su disponibilidad Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 31

32 Control de Potencia en Lazo Cerrado En el control de potencia de lazo cerrado, la BS calcula los factores de corrección, aumento o reducción, que el móvil debe aplicar en la potencia de transmisión actual. Los factores de corrección los envía la BS en DL usando un mensaje de gestión para tal fin. En este método es la BS quien decide las correcciones que deben hacerse sobre la potencia de transmisión; el móvil sencillamente aplica dichas correcciones. Redes Celulares Capítulo 6 Pág. 32