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Planificación de redes UMTS

Juan J. Velasco Rivera

/25/2013 Presentation

Índice

� Introducción a UMTS�Aspectos a estudiar en la planificación de UMTS�Emplazamiento de Nodos B�Optimización de recursos radio� Interconexión de Nodos B a RNC�Resumen


Índice

� Introducción a UMTS

�Aspectos a estudiar en la planificación de UMTS�Emplazamiento de Nodos B�Optimización de recursos radio� Interconexión de Nodos B a RNC�Resumen


Introducción a UMTS

� Con 3G entendemos los sistemas de tercera generación de telefonía móvil,es decir, servicios que proporcionan la posibilidad para transferir tanto vozcomo datos (descarga de programas, e-mail, steaming, etc).

� UMTS es una de las tecnologías usadas por los móviles de tercerageneración. Desarrollada como sucesor de GSM por el 3GPP (3rdGeneration Partnership Project), un proyecto común en el que colaboran:ETSI (Europa), ARIB/TTC (Japón), ANSI T-1 (USA), TTA (Korea), CWTS(China).

� UMTS ofrece los siguiente servicios:� Facilidad de uso y bajos costes: UMTS proporciona servicios de uso fácil,

amplia gama de terminales para realizar fácil acceso a los distintos servicios ybajo coste de los servicios para asegurar un mercado masivo.

� Nuevos y mejorados servicios: Los servicios vocales mantendrán una posicióndominante durante varios años. Los usuarios exigirán a UMTS servicios de voz dealta calidad junto con servicios de datos e información. Posibilidad de introducirservicios de valor añadido en zonas en los que la red fija no permitía su llegadapor el elevado coste en despliegue.

� Acceso rápido: La principal ventaja de UMTS es la capacidad de soportar altasvelocidades de transmisión de datos. Esta capacidad sumada al soporte inherentedel Protocolo de Internet (IP), se combinan poderosamente para prestar serviciosmultimedia interactivos y nuevas aplicaciones de banda ancha, tales comoservicios de video telefonía y video conferencia.


Introducción a UMTS. Arquitectura.

� UMTS usa una comunicaciónterrestre basada en una interfaz radioW-CDMA, conocida como UMTSTerrestrial Radio Access (UTRA).

� Los sistemas de telefonía móvil sonsistemas celulares, i-e, dividen elterritorio en celdas (cells) que soncubiertas por una estación base queles da servicio.

� La división en celdas permite lareutilización de las frecuencias encélulas lo suficientemente distantescomo para que la interferenciacocanal sea despreciable.

� Los elementos que intervienen enuna arquitectura celular son:� Estaciones Base� Terminales Cliente� Controladores de Estaciones Base� Elementos de control de la red



�La estructura de la red UMTS se divide en dossubredes: la red de acceso y la red de gestión ocore network.� Núcleo de Red (Core Network). El Núcleo de Red

incorpora funciones de transporte y de inteligencia:transporte de la información de tráfico, señalización yconmutación. A través del Núcleo de Red, el UMTS seconecta con otras redes de telecomunicaciones, deforma que resulte posible la comunicación no sólo entreusuarios móviles UMTS, sino también con los que seencuentran conectados a otras redes.

� Red de acceso radio (UTRAN). La red de acceso radioproporciona la conexión entre los terminales móviles y elCore Network. Se compone de una serie de sistemas dered radio o RNC (Radio Network Controller) y una seriede Nodos B dependientes de él. Los Nodos B son loselementos de la red que se corresponden con lasestaciones base.



Arquitectura UMTS Release 99


Introducción a UMTS.� Referencias:

� Joseph C.S. Cheung, Mark A. Beach and Joseph P. McGeehan. “Network Planning for Third-Generation Mobile Radio Systems”. IEEE Communications Magazine. November 1994. P. 54.

� Evert Buintenwerf, Giovanni Colombo, Häkan Mitts and Phil Wright. “UMTS: Fixed Networks Issues and Design Options”. IEEE Personal Communications. February 1995. P. 30.

� Ermanno Berruto, Mikael Gudmundson, Raffaele Menolascino, Werner Mohr and Marta Pizarroso. “Research Activities on UMTS Radio Interface, Network Architectures and Planning”. IEEE Communications Magazine. February 1998. P. 82.

� Tecnologías y aplicaciones móviles: GPRS y UMTS”. Fundación Vodafone y Universidad de Sevilla. 2005.

� “Elementos de Arquitectura y Gestión de Recursos Radio en UMTS”. Ramón Agustí, Oriol Sallent, M. Álvarez-Campana. Fundación Vodafone. 2004 ISBN: 84-933783-1-3

� M. Calvo Ramón (coordinador), “Sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación IMT-2000 (UMTS)”, Fundación Airtel Vodafone, 2002.

� J. M. Hernando Rábanos, “Comunicaciones móviles”, Ed. Centro de Estudios Ramón Areces, 1997.

� David Roldán. “Comunicaciones inalámbricas. Un enfoque aplicado”. Septiembre 2004. Ed. Ra-Ma. ISBN:8478976213.


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� Introducción a UMTS�Aspectos a estudiar en la planificación de

UMTS

�Emplazamiento de Nodos B�Optimización de recursos radio� Interconexión de Nodos B a RNC�Resumen


Aspectos a estudiar en la planificación UMTS

� La planificación UMTS se centra en UTRAN, dejando fuera de ello elcore de la red (que es algo propio de cada operador).

� Para el despliegue de una red UMTS deben resolverse 3 problemas:� Ubicación de los Nodos B en base a la densidad de la demanda a

cubrir.� Optimización de los recursos radio de un Nodo B (control de potencia y

admisión de clientes).� Interconexión de los Nodos B.


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� Introducción a UMTS�Aspectos a estudiar en la planificación de UMTS�Emplazamiento de Nodos B

�Optimización de recursos radio� Interconexión de Nodos B a RNC�Resumen


Emplazamiento de Nodos B

� La localización de losEmplazamientos para Nodos B enUMTS en particular, y estacionesbase en general en las redes detelefonía móvil es una tareacompleja; no sólo por la resolucióndel problema que optimiza lacobertura sino por otra serie defactores que también influyen en elresultado final, como la aversióngeneralizada a la instalación deantenas de telefonía o laimposibilidad de obtener unemplazamiento concreto.

� La ubicación de las estaciones baseresponde a modelos que estiman lademanda de tráfico, en condicionesnormales, en base al número dellamadas medias y su duración.

� Por tanto, los factores a tener encuenta en este problema son:� Lugares candidatos a ser

Emplazamientos para Nodos B.� Demanda del tráfico.� Modelo de propagación de la zona

de influencia del Nodo B.� Otros factores: coste, calidad de

señal y coberura del servicio.



� Edoardo Analdi et-al., proponen que mediante una simulación previa se obtengan una serie de puntos a candidatos a ser los emplazamientos (continuo � discreto).

� Modelar el tráfico en base a unos puntos que concentran la demanda (Analdi et-al y S. Sohn et-al.).

� El primero, modela el tráfico en ambos enlaces (uplink y downlink), en cambio Sohn sólo se encarga del enlace más restrictivo (uplink).

� En ambos casos, el problema de la ubicación de Nodos B es Np-Hard. Analdi et al. y Lee at-al. plantean metaheurísticas para su resolución, empleando búsquedas tabú.

� Las herramientas software de planificación radio utilizan este modelado.



� Referencias:� Edoardo Analdi, Antonio Capone, Federico Malucelli and

Francesco Signori. “Optimization models and algorithms for downlink UMTS radio planning”. Wireless Communications and Networking, 2003. WCNC 2003. 2003 IEEE Volume: 2, p: 827-831.

� Edoardo Analdi, Antonio Capone and Federico Malucelli. “Planning UMTS Base Station Location: Optimization Models with power control and algorithms”. IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 2 Nº5 September 2003, p. 939-952.

� Chae Y. Lee and Hyon G. Kang. "Cell Planning with Capacity Expansion in Mobile Communications: A Tabu Search Approach". IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 49, NO. 5, SEPTEMBER 2000.

� S. Sohn and G.S. Jo. “Optimization of base stations positioning in Mobile Networks”. Lecture Notes in Computer Science Vol. 3981 (2006), p. 779-787

� Manuel F. Cátedra, Jesús Pérez-Arriaga. “Cell Planning for Wireless Communications”. Ed Artech House. 1999. Chap. 6.


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� Introducción a UMTS�Aspectos a estudiar en la planificación de UMTS�Emplazamiento de Nodos B�Optimización de recursos radio

� Interconexión de Nodos B a RNC�Resumen


Optimización de recursos radio

� El despliegue y el mantenimiento de lasredes UMTS implica la optimización de unalto número de parámetros deconfiguración para poder dar los serviciosrequeridos de la forma adecuada y con laQoS requerida.

� En “Automated optimization of service ofcoverage and base station antennaconfiguration in UMTS Networks” [IEEEWireless Communications. December2006, p 16-25] se presenta el problema dela optimización de los recursos radio,centrándose en optimizar la cobertura y losparámetros de configuración de las antenasque forman el Nodo B.

� Existe un canal radio en el interfaz aire(CPICH) que se utiliza para que losterminales estimen la relaciónportadora/interferencia y ajusten supotencia de emisión.

� Si el canal piloto emite con menospotencia, menor será la potencia de losterminales y, por tanto, la interferencia queprovocan todos los terminales disminuyetambién, minimizando los efectos de lareducción de capacidad y diámetro decobertura por aumento de la demanda derecursos (respiración celular).



� Referencias:� Iana Siomina, Peter Värbrand and Di Yuan. “Automated

optimization of service of coverage and base station antennaconfiguration in UMTS Networks”. IEEE WirelessCommunications. December 2006, p 16-25.

� Tecnologías y aplicaciones móviles: GPRS y UMTS”.Fundación Vodafone y Universidad de Sevilla. 2005.

� “Elementos de Arquitectura y Gestión de Recursos Radio enUMTS”. Ramón Agustí, Oriol Sallent, M. Álvarez-Campana.Fundación Vodafone. 2004 ISBN: 84-933783-1-3

� M. Calvo Ramón (coordinador), “Sistemas de comunicacionesmóviles de tercera generación IMT-2000 (UMTS)”, FundaciónAirtel Vodafone, 2002.


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� Introducción a UMTS�Aspectos a estudiar en la planificación de UMTS�Emplazamiento de Nodos B�Optimización de recursos radio� Interconexión de Nodos B a RNC

�Resumen


Interconexión de Nodos B a RNC

� Una vez localizados los emplazamientos de los Nodos B dela red UMTS hay que dotarlos de los enlaces queencaminarán el tráfico hacia el core de la red, es decir,enlazar los Nodos B con los RNCs.

� La elección de la topología más adecuada en cada casodepende de varios factores: dispersión geográfica de losnodos-B, ahorro de líneas de transmisión, redundancia antecaídas, disponibilidad de fibras o radioenlaces, etc.

� Salvo en el caso de laconfiguración en estrella,las distintas topologíasrepresentadas, permitenconsiderar la posibilidad deefectuar concentración detráfico a medida que nosaproximamos al RNC,permitiendo un mejoraprovechamiento de losenlaces, minimizando sunúmero pero aumentandosu capacidad.



�Topología real



� Referencias:� Matteo Fischetti, Giorgio Romanin

Jacur, Juan José Salazar González. “Optimisation of the interconnecting network of a UMTS radio mobile telephone system”. European Journal of Operational Research, 144 (2003), p 56-67.

� Alpár Jüttner, András Orbán, Zoltán Fiala. “Two new algorithms for UMTS access network topology design”. European Journal of Operational Research, 164 (2005), p 456-474.

� Dos puntos de vista para resolver un mismo problema: “Una vez ubicados los Nodos B, ¿dónde ubicar los RNC y cómo conectarlos con los Nodos B?

� En ambos casos, el planteamientodel problema es similar: modelar elproblema como un grafo en el quehay emplazados N-Nodos (NodosB) que hay que conectar hacia elRNC, pero la estructura del árbol yla nomenclatura cambia entre unareferencia y otra.


Interconexión de Nodos B a RNC� Fischetti et-al. En “Optimisation of the interconnecting network of a

UMTS radio mobile telephone system” plantean un modelo conuna nomenclatura y elementos que no vienen reflejados en elestandar de UMTS y alejado de situaciones reales, en el que seasume lo siguiente:� Los Nodos B pasan a llamarse BTS, los RNC pasan a ser CSS y se

introduce un nuevo elemento, el LS (un RNC con conexión al core).� El árbol se plantea a 3 capas: BTS – CSS – LS, por tanto, no existe

conexión BTS – BTS ni CSS – CSS.� El modelo planteado se basa en programación lineal, considerando un

conjunto de n BTS, un conjunto de m CSS (potenciales, porque no seusan todos) y un conjunto de p LE (también potenciales).

� Cada BTS cursa un tráfico t a través de d canales de comunicación.Los canales de comunicación son funciones enteras de la capacidaddel canal usado y el tráfico a cursar, siendo un entero por exceso.

� En base a los costes de los enlaces, instalación de CSS y LS serealiza una búsqueda tabú para minimizar el coste de la instalacióntotal activando o desactivando CSS y LE del conjunto de“conmutadores potenciales”.

� Conclusiones del modelo:� Nomenclatura alejada del estándar� El RNC puede tener conexión hacia otro RNC o hacia el core, por

tanto, el modelo está muy alejado de una topología habitual.� No se admiten conexiones Nodo B – Nodo B, algo también alejado de

lo normal.



� Alpár Jüttner et-al. en “Two new algorithms for UMTS accessnetwork topology design” plantean un modelo algo másparecido con la realidad.

� Función objetivo: minimizar el coste total de interconexiónteniendo en cuenta los siguientes costes:� Costes de los RNCs: instalación y coste de los enlaces con los

Nodos B.� Coste de los enlaces entre Nodos B que dependen de el

origen, el destino y el nivel que ocupan en la estructura delárbol.

� El objetivo de este modelo es emplazar de forma óptima losRNCs y cómo conectar los Nodos B hacia los RNCs, ya seande forma directa o indirecta.� Se admiten conexiones Nodo B – Nodo B



� Modelado (I):� Todos los elementos a interconectar se modelan como nodos

de un grafo tipo árbol, G=(N,E) donde N es el número deNodos B y E son los enlaces, en el que el nivel más alto (raíz)se sitúan a los RNC.

� El problema no abarca la interconexión entre RNCs o suconexión al core de la red.

� El problema se analiza desde dos puntos de vista, por un lado,se presenta una descripción general del problema y el modelo,introduciendo la notación, los objetivos y las condiciones parasu resolución. En base a toda esta información genérica sepresentan algoritmos para su resolución, en términos generalesy sin entrar en un modelado matemático.

� No obstante, la simplicidad del modelo presentado permitedividir el problema de interconexión de Nodos B en UMTS ensubproblemas basados en el árbol planteado en el modelo.

� Teniendo en cuenta que factores como la disponibilidad delservicio imponen minimizar los efectos de las caídas deestaciones base, se asume como “normal” que el máximonúmero de niveles del árbol sea 3, y teniendo en cuenta estedato se plantea un modelo matemático muy próximo a unproblema real.



�Modelado (II):� Función objetivo (general)

� El coste total de la red está formado por los siguientes factores:� Coste de implantación de los RNCs (número x coste)� Coste de los enlaces. El coste de los enlaces no es un

valor constante, puesto que depende del nivel en el que se encuentre dicho enlace dentro del árbol, el nodo origen y el nodo destino. Por tanto, cost_link = f(i,j,l), donde i es el nodo origen, j el nodo destino y l es el nivel del árbol.

� Los autores plantean esta función genérica e indican cómo se resolvería (algoritmo), si bien sí que se plantea el caso base: “Single tree problem”



� Partimos de un árbol que contará con n nodos, una RNC (nodo raíz)y n-1 Nodos B (que llamaremos estaciones base para no mezclardos conceptos de “nodo”).

� El emplazamiento de la RNC queda fuera de este problema (seasumirá como dato).

� El objetivo no cambia, hay que enlazar, ya se sea de forma directa oindirecta, las estaciones base con el RNC, formando un árbol cuyaraíz es el RNC y en que se cumplirán las siguientes restricciones:� La profundidad del árbol (número de niveles), como máximo será l_tree

(fijado por el operador)� La capacidad entrante (enlaces de entrada) de las estaciones base

como máximo será d_RBS� La capacidad entrante del RNC será como máximo d_RNC.

� Los autores del artículo asumen para su modelo que l_tree es típicamente 3, por tanto, como máximo la cadena de estaciones base será de un máximo de 3 (nivel 1, 2 o 3).

� Se asumen como parámetros prefijados las funciones de coste de los enlaces entre los distintos niveles (por proximidad de distancias y simetría del sistema), con:� Ci: coste de un enlace entre el nodo i y RNC� Cij / Dij: coste de un enlace entre el nodo i y el nodo j, dependiendo si

el nodo i está en el nivel 2 o en el 3.



� Modelado (I):� Función Objetivo:� Restricciones:

� r, x e y modelan laexistencia, o no, deenlace entre el nodo i yel j (caso de x e y) yentre el nodo i y la raíz(RNC).

� cada nodo sólo puedepertenecer a uno de losniveles del árbol y que seconecta al nodoinmediatamente superiorpor un sólo enlace.

� el número de enlacesque llegan al RNC nodebe superar el máximoadmisible por éste.



� Modelado (y II):� Restricciones (y II):

� Los autores completan el modelocon dos restricciones relativas ala capacidad de cada nodo.

� Lo lógico hubiese sido expresiónanáloga a la anterior pero relativaa d_RBS.

� En vez de eso, fijan lassiguientes restricciones:

� Los niveles están formados por 2nodos, es decir, hay 2 estacionesbase de cada nivel conectadas aotra estación base del nivelsuperior.



�Resolución del modelo:� A pesar de que la formulación del problema es ILP

(Integer Lineal Programming) y está muy simplificada, el problema sigue siendo NP-Hard.

� Para su resolución se aplicarán dos acciones:� Aplicar relajación Lagrangiana para obtener una cota

inferior de la solución.� Aplicar exploración dirigida (branch-and-bound)



� Referencias:� Matteo Fischetti, Giorgio Romanin Jacur, Juan José Salazar

González. “Optimisation of the interconnecting network of aUMTS radio mobile telephone system”. European Journal ofOperational Research, 144 (2003), p 56-67.

� Alpár Jüttner, András Orbán, Zoltán Fiala. “Two new algorithmsfor UMTS access network topology design”. European Journalof Operational Research, 164 (2005), p 456-474.

� E. Builtenwerf, G. Colombo, H. Mitts, P. Wright, “UMTS: Fixednetwork issues and design options”. IEEE PersonalCommunications 2 (1) 1995 p. 30-37.

� Bartlett, A.; Jackson, N.N.; “Network planning considerations fornetwork sharing in UMTS”. 3G Mobile CommunicationTechnologies, 2002. Third International Conference on (Conf.Publ. No. 489). 8-10 May 2002 Page(s):17 – 21

� Zangar, N.; Abdennebi, M.; Tabbane, S.; Tohme, S.; “UTRAN Capacity Study and Dimensioning”. Information and Communication Technologies, 2006. ICTTA '06. 2nd. Volume 2, 24-28 April 2006 Page(s):2506 – 2511


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Resumen

� La complejidad de diseñar una red completa conlleva la división del mismoen sub-problemas que pueden resolverse por separado y que puedenconducir, al unirlas, a una solución localmente óptima.

� Los problemas son:� El emplazamiento de estaciones base, concretamente en UMTS, Nodos B.� La interconexión de las estaciones base con los nodos con capacidades de

conmutación, RNC, y su interconexión al core de la red para encaminamiento delas llamadas y los paquetes de datos.

� Optimización de los recursos radio de un Nodo B para minimizar potencias deemisión (minimizar interferencias) pero maximizando el área de cobertura delNodo B.

� En cualquier caso, a pesar de que el problema global es divisible, los sub-problemas por sí mismos implican una alta carga computacional en suresolución, siendo casi todos NP-duros.


Referencias.1) Joseph C.S. Cheung, Mark A. Beach and Joseph P. McGeehan. “Network Planning for Third-Generation Mobile Radio Systems”. IEEE

Communications Magazine. November 1994. P. 54.

2) Evert Buintenwerf, Giovanni Colombo, Häkan Mitts and Phil Wright. “UMTS: Fixed Networks Issues and Design Options”. IEEE Personal Communications. February 1995. P. 30.

3) Ermanno Berruto, Mikael Gudmundson, Raffaele Menolascino, Werner Mohr and Marta Pizarroso. “Research Activities on UMTS Radio Interface, Network Architectures and Planning”. IEEE Communications Magazine. February 1998. P. 82.

4) Matteo Fischetti, Giorgio Romanin Jacur, Juan José Salazar González. “Optimisation of the interconnecting network of a UMTS radio mobile telephone system”. European Journal of Operational Research, 144 (2003), p 56-67.

5) Alpár Jüttner, András Orbán, Zoltán Fiala. “Two new algorithms for UMTS access network topology design”. European Journal of Operational Research, 164 (2005), p 456-474.

6) Iana Siomina, Peter Värbrand and Di Yuan. “Automated optimization of service of coverage and base station antenna configuration in UMTS Networks”. IEEE Wireless Communications. December 2006, p 16-25.

7) Edoardo Analdi, Antonio Capone, Federico Malucelli and Francesco Signori. “Optimization models and algorithms for downlink UMTS radio planning”. Wireless Communications and Networking, 2003. WCNC 2003. 2003 IEEE Volume: 2, p: 827- 831.

8) Edoardo Analdi, Antonio Capone and Federico Malucelli. “Planning UMTS Base Station Location: Optimization Models with power control and algorithms”. IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 2 Nº5 September 2003, p. 939-952.

9) Chae Y. Lee and Hyon G. Kang. "Cell Planning with Capacity Expansion in Mobile Communications: A Tabu Search Approach". IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 49, NO. 5, SEPTEMBER 2000.

10) Tecnologías y aplicaciones móviles: GPRS y UMTS”. Fundación Vodafone y Universidad de Sevilla. 2005.

11) “Elementos de Arquitectura y Gestión de Recursos Radio en UMTS”. Ramón Agustí, Oriol Sallent, M. Álvarez-Campana. Fundación Vodafone. 2004 ISBN: 84-933783-1-3

12) M. Calvo Ramón (coordinador), “Sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación IMT-2000 (UMTS)”, Fundación Airtel Vodafone, 2002.

13) J. M. Hernando Rábanos, “Comunicaciones móviles”, Ed. Centro de Estudios Ramón Areces, 1997.

14) David Roldán. “Comunicaciones inalámbricas. Un enfoque aplicado”. Septiembre 2004. Ed. Ra-Ma. ISBN:8478976213.

15) S. Sohn and G.S. Jo. “Optimization of base stations positioning in Mobile Networks”. Lecture Notes in Computer Science Vol. 3981(2006), p. 779-787

16) Manuel F. Cátedra, Jesús Pérez-Arriaga. “Cell Planning for Wireless Communications”. Ed Artech House. 1999. Chap. 6


Muchas gracias por vuestra atención

Planificación de redes UMTS

Juan J. Velasco Rivera

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