Capitulo 5. Desempeño. Claudia Milena Hernández Bonilla Víctor Manuel Quintero Flórez

Transcripción

1 Capitulo 5. Desempeño Claudia Milena Hernández Bonilla Víctor Manuel Quintero Flórez

2 Acerca de la eficiencia espectral 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

3 Espectro de un pulso rectangular t 1 0 t t 2 2 v t A t V f A sin c f

4 Espectro de un pulso rectangular

5 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

6 Espectro de un pulso RF BW nulo nulo 2

7 Eficiencia espectral Considerando de manera general para cualquier modulación T BW BW nulo nulo R R 1 T nulo nulo b s 2 T s 2T s T b

8 Eficiencia espectral para diferentes modulaciones bps QPSK T 2T 1 s bps 16QAM T 4T 2 s bps 64QAM T 6T 3 s b b b Hz Hz Hz

9 OFDM, modulación y eficiencia espectral BW nulo nulo N f N Rtotal NR T b N T s

10 OFDM, modulación y eficiencia espectral R N T T BWnulo nulo N T T total b s bps QPSK T 2T 2 s bps 16QAM T 4T 4 s bps 64QAM T 6T 6 s b b b s b Hz Hz Hz

11 OFDM, modulación, codificación y eficiencia espectral nulo nulo R NR ' NR total BW N f N T tasa de codificación s R total N tasa de codificación T b R BW total nulo nulo T s tasa de codificación T b

12 OFDM, modulación, codificación y eficiencia espectral 2 1 bps QPSK T T 1 s b bps QAM T T 2 s b bps QAM T T 3 s b 4 Hz Hz Hz bps QAM T T 4.5 s b 4 Hz

13 Modelo de simulación de OFDM

14 Data Source

15 IQ-Mapper

16 OFDM Generator

17 Espectro Data Source

18 Espectro IQ mapper

19 Espectro OFDM Generator

20 Modelo de simulación de OFDM-2

21 Data Source -2

22 IQ-Mapper -2

23 Espectro Data Source-2

24 Espectro IQ mapper - 2

25 Espectro OFDM Generator -2

26 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.

27 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.).

28 Desempeño red radio

29 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.

30 Velocidades de transmisión de datos pico DL - Nivel 1

31 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).

32 Velocidades de transmisión de datos pico UL - Nivel 1

33 Velocidades de transmisión de datos pico DL Considerando TBS

34 Velocidades de transmisión de datos pico UL Considerando TBS

35 Categorías de terminales

36 Desempeño a nivel de enlace - DL R bps BW Hz Log 2 1 SNR

37 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.

38 Desempeño a nivel de enlace-dl

39 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.

40 Desempeño del enlace - UL

41 Desempeño del enlace - UL Impacto de la velocidad de desplazamiento del móvil.

42 Desempeño del enlace - UL Impacto de la velocidad de desplazamiento del móvil.

43 Balance del Enlace

44 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.

45 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

46 Balance del enlace Parámetros UL 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

47 Balance de enlace RLB - UL

48 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

49 Balance del enlace Parámetros 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

50 Balance de enlace RLB - DL

51 Balance de enlace Máximas pérdidas de trayecto

52 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 log h a h b t m a(hm) para ciudad grande log h t a h 3, 2 log11, 75h 4,97 f 400MHz m m 2

53 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.

54 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.

55 Balance de enlace

58 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

63 QPSK Desempeño

64 Desempeño

65 Desempeño

66 Desempeño Modelos de Canal Modelo Peatonal Extendido (EPA)

67 Desempeño Modelos de Canal Modelo Vehicular Extendido (EVA)

68 Desempeño Modelos de Canal Modelo Típico Urbano (ETU)

69 Desempeño Modelos de Canal Se definen frecuencias Doppler baja, media y alta (5, 70 y 300 Hz).

70 Desempeño DL 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 2012.

71 Desempeño DL

72 Escenario 1 Desempeño DL

73 Desempeño DL

74 Desempeño DL

75 Desempeño DL

77 Desempeño DL

78 Desempeño DL

79 Desempeño DL

80 Desempeño DL

82 Desempeño DL

83 Desempeño DL

84 Desempeño DL

86 Desempeño DL

87 Desempeño DL

88 Desempeño DL

89 Desempeño DL Diagrama de constelación QPSK SNR=6 db

90 Desempeño DL Diagrama de constelación QPSK SNR=36 db

91 Desempeño DL Diagrama de constelación 16QAM SNR=6 db

96 Desempeño DL

97 Desempeño DL

98 Desempeño DL

99 Desempeño DL Diagrama de constelación QPSK EPA5 SNR=26 db

100 Desempeño DL Diagrama de constelación 64QAM ETU300 SNR=26 db

101 Desempeño DL

102 Desempeño sistema - DL

105 Desempeño UL 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 2012.

106 Desempeño UL

107 Escenario 1. Desempeño UL

108 Desempeño UL

109 Desempeño UL

110 Desempeño UL

111 Escenario 2 Desempeño UL

112 Desempeño UL

113 Desempeño UL

114 Desempeño UL

116 Desempeño UL

117 Desempeño UL

118 Desempeño UL

119 Desempeño UL

121 Desempeño UL

122 Desempeño UL

123 Desempeño UL

125 Desempeño UL

126 Desempeño UL

127 Desempeño UL

128 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).

129 Desempeño sistema - UL

133 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.

134 Desempeño 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.

135 Desempeño MIMO

136 Desempeño MIMO

137 Desempeño UL/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 2013.

138 Desempeño UL/DL

140 Desempeño UL/DL Throughput total a subnivel PDCP Enlace de Bajada Enlace de Subida

141 Desempeño UL/DL Retardo de transmisión a subnivel PDCP Enlace de Bajada Enlace de Subida

142 Desempeño UL/DL Throughput de cada UE a subnivel MAC Enlace de Bajada Enlace de Subida

143 Desempeño UL/DL Asignación de recursos a subnivel MAC Enlace de Bajada Enlace de Subida

144 Desempeño UL/DL SINR efectiva a nivel de enlace

145 Desempeño UL/DL Tasa de error H-ARQ después de la 1ra, 2da, 3ra y 4ta transmisión a nivel físico Enlace de Bajada

146 Desempeño UL/DL Tasa de error H-ARQ después de la 1ra, 2da, 3ra y 4ta transmisión a nivel físico Enlace de Subida

148 Desempeño UL/DL Throughput de cada UE a subnivel PDCP Enlace de Bajada Enlace de Subida

149 Desempeño UL/DL Retardo de transmisión a subnivel PDCP

150 Desempeño UL/DL Porcentaje de perdidas de PDUs a subnivel RLC

151 Desempeño UL/DL Tamaños de las PDUs a subnivel MAC Enlace de Bajada Enlace de Subida

152 Desempeño UL/DL Tasa de error H-ARQ después de la 1ra, 2da, 3ra y 4ta transmisión a nivel físico

153 Desempeño UL/DL Control de potencia a subnivel MAC

155 Desempeño UL/DL Throughput total a subnivel PDCP MIMO 2x2 y MIMO 4x4 en el enlace de Bajada

156 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.

157 Desempeño - Sectorización de alto orden

158 Desempeño - Sectorización de alto orden

159 Eficiencia espectral BW en LTE

160 Eficiencia espectral BW en LTE

161 Eficiencia espectral 3GPP

165 Desempeño -Latencia plano de usuario

166 LTE Refarming a espectro GSM

167 LTE Refarming a espectro GSM

168 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.

169 Dimensionamiento

170 Dimensionamiento

171 Planeación de un sistema LTE 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 2012.

172 Planeación de un sistema LTE Pasos planeación de una red Creación del Entorno Requerimientos de Cobertura Balance del Enlace Radio de la Celda Número de Sitios No Diseño de la Red LTE Requerimientos de Capacidad Modelado de Tráfico Satisface requerimientos de capacidad? Fin Si

173 Planeación de un sistema LTE Requerimientos de Cobertura Área Objetivo= Km²

174 Planeación de un sistema LTE Velocidad pico de transmisión de datos objetivo (DL) 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 QAM5/6 5 1x QAM1/1 6 1x QAM3/4 9 2x QAM5/6 10 2x QAM1/1 12 2x

175 Planeación de un sistema LTE 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 QAM5/6 5 1x QAM1/1 6 1x

176 Planeación de un sistema LTE 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.

177 Planeación de un sistema LTE 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

178 Planeación de un sistema LTE Parámetros y resultados UL BW [MHz] Modulación- Codificación Condiciones de Propagación SNR [db] Pérdidas [db] Distancia [Km] (Cost-Hata) Distancia [Km] (Okumura- Hata) 915 MHz 2570 MHz 1755 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

179 Planeación de un sistema LTE Parámetros y resultados UL No. Sitios ÁreaObjetivo ÁreaSitio 12 No. sitios Frecuencia [MHz] UL, BW=10MHz, MCS: 16QAM 3/4, EPA 5Hz, Radio Celda= 624 m.

180 Planeación de un sistema LTE Análisis por cobertura Banda AWS, BW=10MHz, 16QAM 3/4, EPA 5Hz, Radio Celda= 624 m.

181 Planeación de un sistema LTE Análisis de Capacidad (DL) C[ Mbps] C max x 1 BLER 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 BLER = 10ˉ²

182 Planeación de un sistema LTE Análisis de Capacidad (UL) 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 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 1x

183 Planeación de un sistema LTE Análisis de capacidad (UL) No. Subscriptores Sitio C[ Mbps] xclxno. Sectores Sitio Throughput [ Mbps] xbh Usuario 22.89x0.5x3 Subscriptores No. SubscriptoresSitio 343 1x0.1 Sitio No. Sitios No. TotalUsuarios No Subscriptores. Sitio 2400 No. Sitios 7 343

184 Planeación de un sistema LTE Análisis de capacidad Diseño final

185 Planeación de un sistema LTE Resultados Cobertura DL -AWGN

186 Planeación de un sistema LTE Resultados Cobertura DL -EVA

187 Planeación de un sistema LTE Resultados Throughput en el DL.

188 Planeación de un sistema LTE Resultados Efecto de inclusión de nuevos sitios a la red.

189 Planeación de un sistema LTE 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

190 Planeación de un sistema LTE Resultados variación ángulo de inclinación de antena Efectos de un tilt de 14 sobre la red

191 Planeación de un sistema LTE Reuso de frecuencia Fuente:

192 Planeación de un sistema LTE Reuso Duro - AFP Banda AWS, 4 radiocanales de 10 MHz.

193 Planeación de un sistema LTE Reuso duro. Plan de frecuencias manual Banda AWS, 4 radiocanales de 10 MHz.

194 Reuso Planeación de un sistema LTE

195 Planeación de un sistema LTE Diversidad en transmisión. 64QAM 3/4 16QAM 1/2 QPSK 1/3

196 Planeación de un sistema LTE Resultados diversidad en transmisión. Alcance en metros de la portadora 64QAM 3/4 utilizando diversidad Sector Sin diversidad 2x2 4x4 Esmeralda_ Empaques_ Ciudad Jardín_ Universidad_ Santa Inés_ Predicción de cobertura para diversidad en transmisión 4x4.

197 Planeación de un sistema LTE Resultados resumen capacidad. 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

198 Planeación de un sistema LTE Resultados diseño final.

199 Planeación de un sistema LTE Resultados diseño alternativo.

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

201