Acerca de la eficiencia espectral. Capitulo 5. Desempeño. Espectro de un pulso rectangular. Espectro de un pulso rectangular. Espectro de un pulso RF

Transcripción

1 Acerca de la eficiencia espectral Capitulo 5. Desempeño Claudia Milena Hernández Bonilla Víctor Manuel Quintero Flórez Velocidad de transmisión de datos a la que la información puede ser transmitida sobre un ancho de banda determinado, en un sistema de comunicación especifico. Medida de cuan eficientemente un espectro de frecuencia limitado es utilizado por un protocolo de nivel físico. R bps B Hz Espectro de un pulso rectangular Espectro de un pulso rectangular t 1 0 t t 2 2 v t A t V f A sin c f Espectro de un pulso RF z t A t cos w t A A Z f sin c f fc sin c f f 2 2 c c Espectro de un pulso RF BW nulo nulo 2 1

2 Eficiencia espectral Considerando de manera general para cualquier modulación T R BW BW nulo nulo R 1 T nulo nulo b s 2 T Ts 2T s b Eficiencia espectral para diferentes modulaciones QPSK Ts 2Tb 1 bps Hz 16QAM Ts 4Tb 2 bps Hz 64QAM Ts 6Tb 3 bps Hz OFDM, modulación y eficiencia espectral OFDM, modulación y eficiencia espectral N Rtotal Tb Ts BW N nulo nulo Tb T s BW nulo nulo N f N Rtotal NR T b N T s QPSK Ts 2Tb 2 bps Hz 16QAM Ts 4Tb 4 bps Hz 64QAM Ts 6Tb 6 bps Hz OFDM, modulación, codificación y eficiencia espectral nulo nulo R NR ' NR tasa de codificación total R R BW total total BW N nulo nulo N f tasa de codificación T s T b N T s tasa de codificación T b OFDM, modulación, codificación y eficiencia espectral QPSK Ts 2Tb bps Hz 16QAM Ts 4Tb bps Hz 16QAM Ts 4Tb bps Hz 64QAM Ts 6Tb bps Hz 2

3 Modelo de simulación de OFDM Data Source IQ-Mapper OFDM Generator Espectro Data Source Espectro IQ mapper 3

4 Espectro OFDM Generator Modelo de simulación de OFDM-2 Data Source -2 IQ-Mapper -2 Espectro Data Source-2 Espectro IQ mapper - 2 4

5 Espectro OFDM Generator -2 Desempeño El desempeño radio tiene un impacto directo sobre el costo de despliegue de la red. Operador eficiencia de la red: número de usuarios servidos, cantidad de datos provistos, estaciones base requeridas. cobertura (RLB) y capacidad. Usuario final velocidad de transmisión de datos disponible, latencia y movilidad. Desempeño red radio Desempeño red radio El desempeño real de la red radio depende de muchos parámetros que son difíciles de controlar: Ambiente móvil (condiciones de canal, velocidad de desplazamiento del terminal, servicio en interiores/exteriores, hoyos de cobertura). Comportamiento relativo al usuario (distribución de tráfico). Afinación del sistema: calidad de servicio y calidad de red. Aspectos de implementación (tipos de sitios, tipos y alturas de antenas, etc.). Desempeño a nivel de enlace Asumiendo: DL: Physical Downlink Control Channel (PDCCH): toma 1 simbolo de 14 simbolos. Minima asignación posible para PDCCH. Control Overhead: 7.1% (1/14). Downlink Reference Signal (RS): Depende configuración de antena. Flujo simple utiliza 2 simbolos de 14 simbolos en 1 cada 3 subportadoras, MIMO 2x2 4 simbolos, y MIMO 4x4 6 simbolos. Overhead: (4.8% %). Otros simbolos: señal de sincronización, Physical Broadcast Channel (PBCH), Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH), un grupo de Physical Hybrid Automatic Repeat Request Indicator Channel (PHICH). El overhead depende del ancho de banda: aproximadamente 1% en 20 MHz a 9% en 1.4 MHz. Velocidades de transmisión de datos pico DL - Nivel 1 5

6 Desempeño a nivel de enlace Asumiendo: UL: No se considera el Physical Uplink Control Channel (PUCCH). Reduce ligeramente la velocidad de transmisión de datos de tráfico en el enlace de subida. Señal de referencia en el en el enlace de subida toma 1 simbolo de cada 7 simbolos. Control Overhead: 14.2% (=1/7). Velocidades de transmisión de datos pico UL - Nivel 1 Velocidades de transmisión de datos pico DL Considerando TBS Velocidades de transmisión de datos pico UL Considerando TBS Categorías de terminales Desempeño a nivel de enlace - DL R bps BW Hz Log 1 2 SNR 6

7 Desempeño a nivel de enlace - DL Desempeño a nivel de enlace-dl El limite de la capacidad Shannon no puede ser alcanzado en la práctica. R bps BW BW Hz Log eficiencia 2 1 SNR SNR eficiencia BW eficiencia. Eficiencia del ancho de banda de un enlace LTE. SNR eficiencia. Eficiencia del SNR en la implementación del sistema. Desempeño del enlace - UL Desempeño del enlace - UL Impacto del ancho de banda de transmisión. Cobertura en el UL puede ser optimizada por selección del ancho de banda en LTE. Importante estimación de características del canal. Desempeño del enlace - UL Impacto de la velocidad de desplazamiento del móvil. Desempeño del enlace - UL Impacto de la velocidad de desplazamiento del móvil. 7

8 Balance del Enlace Balance del enlace Estimación de la máxima atenuación de la señal máximo rango. Definición del numero de estaciones base requeridas para cubrir un área geográfica objetivo. UL-64 Kbps. Diversidad de recepción con 2 antenas. Pequeño margen de interferencia, no ganancia por macrodiversidad y no margen de desvanecimiento rápido. DL-1 Mbps. Diversidad de recepción en el móvil con dos antenas. Similaridades con HSPA. Balance del enlace Parámetros UL Balance del enlace Parámetros UL Parámetro Potencia de transmisión UE máxima. Clase 3 Ganancia antena UE. Depende del tipo de terminal y la banda de frecuencia. Pérdidas por cuerpo (para enlaces de voz) Figura de Ruido BS. Valor máximo 5 db. Ruido termino (KToB). Dos bloques de recursos para 64 Kbps. Relación señal a ruido (SNR). Simulaciones a nivel de enlace o medida. Depende de la velocidad de transmisión de datos, la modulación y la codificación, y el numero de bloques de recursos asignados. Margen de interferencia. Incremento en el nivel de ruido en BS causado por interferencia desde otros usuarios. LTE UL ortogonal No interferencia intracelda Interferencia intercelda. Valor típico 23 dbm -5 a 10 dbi 3 a 5 db 2 db dbm (360 KHz) -7 db para 64 Kbps -Dos bloques de recursos 1 a 10 db Parámetro Perdida de cable entre antena BS y LNA. Uso de RF heads & mast head amplifiers. Ganancia antena BS. Depende de la medida y el número de sectores. Antena 3 sectores 1.3m de alto en 2 GHz 18 dbi. La misma antena para 900 MHz da una menor ganancia. Margen de desvanecimiento rápido (WCDMA control de potencia rápido) (headroom power control). LTE no hace uso de control de potencia rápido. SHO. No utilizado en LTE Valor típico 1 a 6 db 15 a 25 dbi Estación base sectorizada 0 db 0 db Balance de enlace RLB - UL Balance del enlace Parámetros DL Parámetro Potencia de transmisión BS máxima. BS macrocelda 20 a 60W en el conector de antena. Ganancia antena BS. (idem UL) Pérdida cable entre BS y antena Figura de Ruido de UE. Valor mínimo 5 db. Depende de la banda de frecuencia, separación duplex, y el ancho de banda asignado. Ruido termino (KToB). Asume 50 bloques de recursos, igual a 9 MHz para 1 Mbps. Relación señal a ruido (SNR). Simulaciones a nivel de enlace o medida. Depende de la velocidad, la modulación y la codificación, y el numero de bloques de recursos asignados. Valor típico 43 a 48 dbm 15 a 25 dbi 1 a 6 db 6 a 11 db dbm (9 MHz) -9 db para 1 Mbps 50 bloques de recursos 8

9 Balance del enlace Parámetros DL Balance de enlace RLB - DL Parámetro Margen de interferencia. Incremento en el nivel de ruido en el terminal causado por interferencia desde otras celdas. 5.5 db. Overhead canales de control y señales de referencia. PBCH, PDCCH, y PHICH. 10 a 25 %. Ganancia antena UE. Idem UL Pérdidas por cuerpo (para enlaces de voz) Valor típico 3 a 8 db 0.4 a 1 db -5 a 10 dbi 3 a 5 db Balance de enlace Máximas pérdidas de trayecto Balance de enlace Modelo Okumura-Hata. Ambiente urbano Lb log f 13.82log ht a hm log ht log d d x 10 x L log f 13.82log h a h b t m a(hm) para ciudad grande log h t 2 m a h 3, 2 log11,75h 4,97 f 400MHz m Balance del enlace Modelo Okumura-Hata. f: frecuencia (MHz), 150MHz<=f<=1500MHz. h t : altura efectiva de la antena transmisora (m), 30m<=h t <=200m. h m : altura sobre el suelo de la antena receptora (m), 1m<=h m <=10m. d: distancia(km), 1Km <=d<=20km. a(h m ): corrección por altura h m. Balance del enlace Asumiendo h m =1.5m a(h m )=0. h t =30m. f=2000 MHz. MAPL=163.5 db. d=6.23 Km. 9

10 Balance de enlace Balance de enlace Balance de enlace Balance de enlace Calculo del rango de la celda R d R h 2 2 h R d R R 8650 Km; Radio efectivo de la tierra h altura antena BS d=distancia UE a BS Balance del Enlace Balance del Enlace

11 Balance del Enlace Balance del Enlace Desempeño Desempeño QPSK Desempeño Desempeño Modelos de Canal Modelo Peatonal Extendido (EPA) 11

12 Desempeño Modelos de Canal Modelo Vehicular Extendido (EVA) Desempeño Modelos de Canal Modelo Típico Urbano (ETU) Desempeño Modelos de Canal Se definen frecuencias Doppler baja, media y alta (5, 70 y 300 Hz). Análisis de desempeño a nivel físico del enlace de bajada de LTE. Fernando Dario Cordoba Muñoz. Jameson Samir Zuñiga Muñoz. Victor Manuel Quintero Florez. FIET Escenario 1 12

13 Escenario 2 13

14 Escenario 3 14

15 Escenario 4 Diagrama de constelación QPSK SNR=6 db Diagrama de constelación QPSK SNR=36 db 15

16 Diagrama de constelación 16QAM SNR=6 db Diagrama de constelación 16QAM SNR=36 db Diagrama de constelación 64QAM SNR=6 db Diagrama de constelación 64QAM SNR=36 db Escenario 5 16

17 Diagrama de constelación QPSK EPA5 SNR=26 db Diagrama de constelación 64QAM ETU300 SNR=26 db Desempeño sistema - DL 17

18 Desempeño sistema - DL Desempeño sistema - DL Análisis de desempeño a nivel físico del enlace de subida de LTE. Jorge Alberto Martínez Gallego. Julián Andrés Covaleda Gavilán. Claudia Milena Hernández Bonilla FIET Escenario 1. 18

19 Escenario 2 19

20 Escenario 3 Escenario 4 20

21 Escenario 5 21

22 Desempeño sistema - UL Receptor con 2 y 4 antenas. Planificadores: Round Robin (RR) y Proportional Fair (PF). Distancia inter-sistema (ISD, Inter-Site Distance): 500m y 1500m. Uso de SRS (Sounding Reference Signal). Desempeño sistema - UL Desempeño sistema - UL Desempeño sistema - UL Desempeño sistema - UL 22

23 Desempeño MIMO Desempeño MIMO Para soportar la multiplexación espacial adaptativa en el DL se requiere la realimentación por parte de UE de: CQI: directo (SINR) o indirecto (MCS). Condiciones del canal. Número de niveles (flujos) espaciales a ser utilizados: PMI (pre-coding vector/matrix index). Información HARQ: estado de recepción (ACK/NACK) de los paquetes transmitidos sobre MIMO. La operación de adaptación del enlace con esquemas MIMO de multiplexación espacial requiere medidas CQI separadas estimadas por cada flujo espacial. Incremento del overhead. Los algoritmos RRM en BS definen la asignación de recursos y la planificación de paquetes para cada terminal. Desempeño MIMO Desempeño MIMO /DL /DL Análisis del desempeño a nivel de sistema de la tecnología LTE mediante la herramienta de simulación LTE-Amore José Francisco Conde Castro Jaime Hernando Villamuez Rosero Víctor Manuel Quintero Florez. FIET

24 27/05/2013 /DL /DL Throughput total a subnivel PDCP Enlace de Bajada Enlace de Subida /DL Retardo de transmisión a subnivel PDCP /DL Throughput de cada UE a subnivel MAC Enlace de Bajada Enlace de Bajada Enlace de Subida Enlace de Subida /DL Asignación de recursos a subnivel MAC Enlace de Bajada /DL SINR efectiva a nivel de enlace Enlace de Subida 24

25 /DL /DL Tasa de error H-ARQ después de la 1ra, 2da, 3ra y 4ta transmisión a nivel físico Enlace de Bajada Tasa de error H-ARQ después de la 1ra, 2da, 3ra y 4ta transmisión a nivel físico Enlace de Subida /DL /DL Throughput de cada UE a subnivel PDCP Enlace de Bajada Enlace de Subida /DL Retardo de transmisión a subnivel PDCP /DL Porcentaje de perdidas de PDUs a subnivel RLC 25

26 /DL /DL Tamaños de las PDUs a subnivel MAC Enlace de Bajada Tasa de error H-ARQ después de la 1ra, 2da, 3ra y 4ta transmisión a nivel físico Enlace de Subida /DL /DL Control de potencia a subnivel MAC /DL Throughput total a subnivel PDCP MIMO 2x2 y MIMO 4x4 en el enlace de Bajada Desempeño - Sectorización de alto orden Opción en instalaciones macro-celulares. Opción simple de incrementar capacidad. Simulación caso macro-celular caso MHz. ISD=500m. 3 sectores. Antena ancho de haz sectores. Antena ancho de haz 35. Modo 1. Un sitio central con 6 sectores. Otros sitios 3 sectores. Modo 2. Una agrupación de 7 sitios tiene 6 sectores cada uno. Otros sitios 3 sectores. 26

27 Desempeño - Sectorización de alto orden Desempeño - Sectorización de alto orden Eficiencia espectral BW en LTE Eficiencia espectral BW en LTE Eficiencia espectral 3GPP Eficiencia espectral 3GPP 27

28 Eficiencia espectral 3GPP Eficiencia espectral 3GPP Desempeño -Latencia plano de usuario LTE Refarming a espectro GSM LTE Refarming a espectro GSM Dimensionamiento Cell throughput -> máximo número de suscriptores banda ancha. Volumen de tráfico. LTE 20 MHz bps/hz MIMO 2x2. Velocidad de transmisión de datos. LTE 20 MHz. 1 Mbps por usuario. 28

29 Dimensionamiento Dimensionamiento Análisis de Capacidad y Cobertura de una Red móvil LTE para la Ciudad de Popayán. Pablo Esteban Díaz Molina. Paula Andrea Urbano Molano. Víctor Manuel Quintero Florez. FIET Pasos planeación de una red Creación del Entorno Requerimientos de Balance del Enlace Cobertura Radio de la Celda Número de Sitios Diseño de la Red LTE No Requerimientos de Capacidad Modelado de Tráfico Satisface requerimientos de capacidad? Fin Si Requerimientos de Cobertura Velocidad pico de transmisión de datos objetivo (DL) MCS η MIMO 1.4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz RB=6 RB=15 RB=25 RB=50 RB=75 RB=10 QPSK 1/2 1 1x QPSK 1/ x QAM1/2 2 1x QAM3/4 3 1x QAM1/1 4 1x QAM3/ x QAM5/6 5 1x QAM1/1 6 1x QAM3/4 9 2x QAM5/6 10 2x QAM1/1 12 2x Área Objetivo= Km² 29

30 Velocidad pico de transmisión de datos objetivo (UL). MCS η MIMO 1.4 MHz RB=6 3 MHz RB=15 5 MHz RB=25 10 MHz RB=50 15 MHz RB=75 20 MHz RB=10 QPSK 1/2 1 1x QPSK 1/ x QAM1/2 2 1x QAM3/4 3 1x QAM1/1 4 1x QAM3/ x Requerimientos de capacidad Velocidades pico por sector. 35 Mbps DL. 23 Mbps UL. Velocidades por usuario en la BH. 2 Mbps DL. 1 Mbps UL. 64QAM5/6 5 1x QAM1/1 6 1x RLB UL. ID Parámetro Valor a Potencia Tx [dbm] 23 b Ganancia Antena UE [dbi] 0 c Pérdidas por Cuerpo [db] 0 d=a+b-c PIRE 23 e Figura de Ruido BS [db] 5 f Ruido del Terminal [dbm] g=e+f Ruido h Señal a Ruido [db] -4.1 i= g+h Sensibilidad Rx [dbm] j Margen de Interferencia [db] 0 k Pérdidas por Cable [db] 0 l Ganancia antena BS [dbi] 17 Lu= i+j+k+l Máximas Perdidas de Propagación Permitidas [db] Frecuencia portadora UL [MHz] Frecuencia portadora DL [MHz] Altura antena UE [m] 1.5 Altura antena enodeb [m] 30 Parámetros y resultados UL BW Modulación- Condiciones SNR Pérdidas Distancia Distancia [MHz] Codificación de [db] [db] [Km] [Km] Propagación (Cost-Hata) (Okumura- Hata) MHz MHz MHz 1.4 QPSK 1/3 EPA 5Hz EVA 70Hz QAM 3/4 EPA 5Hz EVA 70Hz QPSK 1/3 EPA 5Hz EVA 70Hz QAM 3/4 EPA 5Hz EVA 70Hz QPSK 1/3 EPA 5Hz EVA 70Hz QAM 3/4 EPA 5Hz EVA 70Hz QPSK 1/3 EPA 5Hz EVA 70Hz QAM 3/4 EPA 5Hz EVA 70Hz Parámetros y resultados UL Análisis por cobertura No. Sitios ÁreaObjetivo ÁreaSitio No. sitios Frecuencia [MHz] UL, BW=10MHz, MCS: 16QAM 3/4, EPA 5Hz, Radio Celda= 624 m. Banda AWS, BW=10MHz, 16QAM 3/4, EPA 5Hz, Radio Celda= 624 m. 30

31 Análisis de Capacidad (DL) Análisis de Capacidad (UL) C[ Mbps] C max x 1 BLER MCS η MIMO 1.4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz MCS η MIMO 1.4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHz RB=6 RB=15 RB=25 RB=50 RB=75 RB=10 QPSK 1/2 1 1x QPSK 1/ x QAM1/2 2 1x QAM3/4 3 1x QAM1/1 4 1x QAM3/ x QAM5/6 5 1x QAM1/1 6 1x QAM3/4 9 2x QAM5/6 10 2x QAM1/1 12 2x QPSK 1/2 1 1x1 QPSK 1/ x1 16QAM1/2 2 1x1 16QAM3/4 3 1x1 16QAM1/1 4 1x1 64QAM3/ x1 64QAM5/6 5 1x1 64QAM1/1 6 1x1 RB=6 RB=15 RB=25 RB=50 RB=75 RB= BLER = 10ˉ² Análisis de capacidad (UL) Análisis de capacidad Diseño final No. Subscriptores Sitio C[ Mbps] xclxno. Sectores Sitio Throughput Usuario[ Mbps] xbh No. Subscriptores 22.89x0.5x3 Subscriptores 343 Sitio 1x0.1 Sitio No. Sitios NoTotalUsuarios. No. Subscriptores Sitio No. Sitios Resultados Cobertura DL -AWGN Resultados Cobertura DL -EVA 31

32 Resultados Throughput en el DL. Resultados Efecto de inclusión de nuevos sitios a la red. Resultados variación ángulo de inclinación de antena Resultados variación ángulo de inclinación de antena Efectos de un tilt de 4 sobre la red Efectos de un tilt de 7 sobre la red Efectos de un tilt de 14 sobre la red Reuso de frecuencia Reuso Duro - AFP Fuente: Banda AWS, 4 radiocanales de 10 MHz. 32

33 Reuso duro. Plan de frecuencias manual Reuso Banda AWS, 4 radiocanales de 10 MHz. Diversidad en transmisión. Resultados diversidad en transmisión. Alcance en metros de la portadora 64QAM 3/4 utilizando diversidad Sector Sin diversidad 2x2 4x4 64QAM 3/4 16QAM 1/2 QPSK 1/3 Esmeralda_ Empaques_ Ciudad Jardín_ Universidad_ Santa Inés_ Predicción de cobertura para diversidad en transmisión 4x4. Resultados resumen capacidad. Resultados diseño final. Estado de los usuarios por enlace de acuerdo a cada escenario Enlace Sin Servicio Saturación del Planificador Saturación de Recursos Conectado Tilt 0 DL UL Tilt 7 DL UL MFP DL UL Diversidad DL UL SU-MIMO DL UL

34 Resultados diseño alternativo. Resultados Comparación diseño final y alternativo Diseño No. No. Usuarios Throughput Throughput Usuarios Usuarios conectados de usuario de usuario sin saturación (%) UL [Kbps] DL [Kbps] servicio de planificador Final Alternativo