Planning 3G

7/30/2019 Planning 3G

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Captulo 3

Metodologa

3.1.Criterios de PlanificacinAl momento de planificar una red de telecomunicaciones son varios los parmetros y criterios

que se utilizan para llevar acabo el despliegue de una red. Los criterios que se utilicen, as como losparmetros que se tomen en cuenta dependern de la estrategia que tenga el operador, cual es suambiente de competencia, fortalezas y debilidades de sus competidores, etc.

As un operador puede enfocar su planificacin a entregar servicios con diferentes calidades deservicio. Otro camino sera lograr la mayor cobertura posible, en un pas o regin determinada,ofreciendo servicios a una demanda determinada y reducida.

Figura 3-1: Diagrama de flujo de la planificacin de cobertura, frecuencia y capacidad.

En la Figura 3-1 se muestra un diagrama general de flujo de la planificacin de cobertura,frecuencia y capacidad, pero an as puede haber partes que no se apliquen en su totalidad a lastecnologas abordadas en este documento. En el diagrama se encuentra implcito el hecho de que este


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gran proceso, que involucra la planificacin de estos tres parmetros, es iterativo, donde se empiezacon alguna priorizacin de las variables: minimizar el nmero de BS a utilizar, minimizar el nmerode frecuencias a utilizar, u ofrecer una determinada capacidad y/o calidad de servicio. Luego dadaesta base de caractersticas prioritarias se contina con el resto de las planificaciones y una vez que seha completado el proceso se deben realizar anlisis de sensibilidad de modo de obtener mayorinformacin, tanto para planificar el crecimiento de la red como para determinar donde se puedenrealizar disminucin de costos.

En este documento se aborda la planificacin de cobertura, capacidad y frecuencia. En laplanificacin de cobertura se tom en cuenta los diferentes modelos de propagacin desarrolladospara cada tecnologa, adems de modelos utilizados para estimar las prdidas debido al uso indoor, sinantena exterior. La planificacin de capacidad se enfoc a travs de los parmetros y mecanismosque aumentan o disminuyen la capacidad del recurso radioelctrico. En la planificacin de frecuenciase abordan las principales configuraciones y los parmetros a considerar para desarrollar un buenplan de frecuencias.

3.2.Planificacin de CoberturaLa planificacin de cobertura corresponde a uno de los tpicos ms importantes de las redes

inalmbricas, el cual debe considerar un plan de expansin de acuerdo a la estrategia que tenga cadaoperador. Adems dentro de esta planificacin se debe considerar en particular el efecto pulmn quepresentan tecnologas como WCDMA. Este fenmeno se produce cuando hay un aumento en lacantidad de usuarios de una celda, provocando una disminucin del radio de cobertura.

Figura 3-2: Diagrama del proceso de planificacin de cobertura.

En la Figura 3-2 se muestra el diagrama del proceso de planificacin de cobertura abordado eneste documento. Dentro de las salidas se establece una recomendacin de la antena a utilizar. Estopuede utilizarse como un dato en la planificacin de frecuencia, ya que es en este proceso donde se


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Margen de Desvanecimiento Lento o Margen de Sombra (Sm). Penetracin en Edificaciones (PI). Factor de Penetracin en Vehculos (Pc).

3.2.1.3.Clculo del Enlace UplinkEn este caso el clculo del radioenlace permite obtener la mxima prdida aceptable para la

trayectoria entre la antena del MS y la antena de la BTS. Al tomar el enlace UL se comienza con elclculo de la potencia radiada del MS. La potencia de recepcin, Pr, estar en las mismas unidadesque Po, en dB o dBm. Por otro lado las prdidas se utilizan en dB y las ganancias en dB o dBi.

iobor GLLPP +=

Expresin 3-1: Potencia radiada por el MS.

Se puede apreciar que la Expresin 3-1 es prcticamente igual a la Expresin M-1, salvo que eltrmino Lc es cambiado por Lb, el cual representa las prdidas producidas por el cuerpo del usuario(Ver seccin M.1 del anexo).

El siguiente paso consiste en determinar la sensibilidad til de la antena de la BTS, la cual seobtiene a travs de la Expresin 3-2. El valor que se obtiene con esta expresin es en dB o en dBm,el cual depende de S, es decir, si Sest en dB tambin lo estar Su.

iodu GLRSS +=

Expresin 3-2: Sensibilidad til de la antena de la BS.

Donde Scorresponde a la sensibilidad del receptor, la cual depende del fabricante y adems tieneun lmite que depende del estndar. El parmetro Rd corresponde a la ganancia por diversidad delreceptor el cual debe estar en dB.

Tomando en cuenta estos parmetros y los correspondientes mrgenes se obtiene:

),max( cmurUL PPISSPL =

Expresin 3-3: Mxima prdida aceptable en el enlace UL.

Con la Expresin 3-3 se puede obtener el valor de la prdida mxima aceptable en el enlace UL.Su ySm corresponden a la sensibilidad de la BTS y el margen de sombra respectivamente. Pc yPIsonlos factores de penetracin en vehculos y edificaciones respectivamente. Se debe tener enconsideracin que las unidades de LUL son las mismas que Pr, es decir, estar en dB o en dBm. Porltimo cabe mencionar que estos parmetros son revisados en la seccin M.1 del anexo.

3.2.1.4.Clculo del Enlace DownlinkEn este caso la situacin es exactamente contraria a la anterior, en este caso el clculo del

radioenlace permite obtener la mxima prdida aceptable para la trayectoria entre la antena de la BTSy la antena del MS.

La potencia radiada por la antena de la BS est dada por la Expresin M-1, y la sensibilidad tildel MS por la Expresin 3-4.


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iob GLLSSu ++=

Expresin 3-4: Sensibilidad til de la antena del MS.

Finalmente la Expresin 3-5 representa la prdida mxima aceptable en el enlace DL. Como sepuede apreciar esta expresin es prcticamente idntica a la obtenida para el enlace UL. Las unidadesde LDLson las mismas que elEIRP, dB o dBm.

),max( cmuDL PPISSEIRPL =

Expresin 3-5: Mxima prdida aceptable en el enlace DL.

3.2.1.5.Clculo de la CoberturaPara realizar el clculo de la cobertura en GSM se utiliza el modelo emprico COST 231 Hata,

ver anexo seccin C. Con la Expresin 3-6 se puede obtener las prdidas por propagacin en dB quese tienen a cierta frecuenciaf[MHz], a una distancia R[Km] de la BTS, donde el MS est a una alturahm [m] y la antena de la BTS a una altura efectiva hb[m]. En la seccin K del anexo se aborda en formabreve el clculo de la altura efectiva.

mbmbp CRhhahfL +++= 10101010 log)log55.69.44()(log82.13log9.333.46

Expresin 3-6: Prdidas por propagacin dado por el modelo COST 231 Hata.

El trmino Cm corresponde a un factor de correccin, en dB, que permite reflejar la variacin dedistintos entornos, ver Tabla C-3 en el anexo, el cual es un dato.

Para obtener Rse iguala la Expresin 3-6 con el valor de la menor prdida mxima obtenida enlas secciones 3.2.1.3 y 3.2.1.4. Se escoge la mnima, ya que si se hiciera tomando el mximo uno delos dos enlaces no podra establecerse y no tendra sentido el clculo de la cobertura.

En el caso que se este implementando una celda con una cobertura menor a 1 [Km], microcelda,se debe utilizar otro modelo, ya que el modelo COST 231 Hata no es vlido para distancias menoresa 1 [Km]. En la seccin C.1.2.1 se presenta el modelo COST 231 Walfisch-Ikegami, el cual permiteobtener la cobertura en micro celdas. El procedimiento para obtener la cobertura mxima es elmismo.


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3.2.2.UMTS-WCDMA3.2.2.1.Parmetros de WCDMA [17]

En el caso de la tecnologa WCDMA slo se revisarn los parmetros involucrados en el clculodel radioenlace en la direccin ascendente (UL), ya que es en este enlace donde la cobertura est mslimitada. En el clculo del enlace existen parmetros que son especficos a WCDMA y que no sonutilizados en los sistemas de acceso basados en TDMA, como GSM.

Los parmetros ms relevantes son listados a continuacin, siendo abordados en forma breve enlos anexos, seccin M.

Margen por Interferencia Margen por Desvanecimiento Rpido (Fast Fading) Ganancia del Handover Blando (Soft Handover) Ganancia de Procesamiento

3.2.2.2.Ejemplo de Clculo del EnlaceA continuacin se presentan un ejemplo del clculo del radioenlace para el servicio de voz

usando un codificador de voz Adaptive Multi Rate (AMR), lo cual se traduce en una tasa de 12.2[Kbps]. El clculo considera un ambiente urbano con macro celdas. Los valores utilizados para losparmetros de los receptores y transmisores se muestran en la Tabla 3-1 y Tabla 3-2.

Tabla 3-1: Valores dados para los parmetros del MS.

Parmetros Terminal de voz Terminal de datos

Mxima potencia de transmisin [dBm] 21 24Ganancia de la antena [dBi] 0 2Prdidas del cuerpo [dB] 3 0

Tabla 3-2: Valores dados para los parmetros de la estacin mvil.

Parmetros Valores

Noise Figure [dB] 5.0Ganancia de la antena [dBi] 18 (Estacin base de 3 sectores)

Requerimientosde Eb/N0 [dB]

12.2 Kbps (Voz): 5.0144 Kbps: 1.5384 Kbps: 1.0

Prdidas del cable [dB] 2.0

En la Tabla 3-3 se muestra el clculo del radioenlace en la direccin ascendente (UL), donde seasume que se requieren 5 [dB] de Eb/N0. Este requerimiento depende de la tasa de bits, servicio,velocidad del MS, algoritmos en el receptor y estructura de la BS. Para el caso de los servicios dedatos de 144 [Kbps] y 384 [Kbps] los valores de los parmetros del Eb/N0 varan de acuerdo a laTabla 3-2. Por otro lado la ganancia por procesamiento vara tambin debido a su dependencia de latasa de bits.


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El valor que se obtiene en la ltima fila de la Tabla 3-3 corresponde a las prdidas que se utilizanen el modelo correspondiente para calcular la cobertura de la celda.

Si consideramos que el clculo de la tabla corresponde a una macro celda, se puede utilizar elmodelo COST 231 Okumura-Hata. Adems se deben tomar en cuenta las siguientes hiptesis.

Ciudad relativamente densa. La altura del MS se considera de 1.5 [m].

La altura de la antena de la BS es de 50 [m]. Se est operando a una frecuencia de 1900 [MHz].

Con las hiptesis anteriores y utilizando la Expresin 3-7 se obtiene la cobertura de la celda aldespejar el parmetro R, que llega a ser levemente superior a 1 [Km]. El valor de la mxima prdidaaceptable, Lp, est en dB.

mbmbp CRhhahfL +++= 10101010 log)log55.69.44()(log82.13log9.333.46

)8.0)(log56.1()7.0)(log1.1()(1010

= fhfhamm

Expresin 3-7: Prdidas por propagacin segn modelo COST 231 Okumura-Hata.

Tabla 3-3: Clculo del radioenlace para un servicio de voz dentro de un auto.

Parmetros Valor Expresin Unidades

Transmisor (MS)

Mx. potencia de transmisin 30.0 a dBmGanancia de la antena del MS 2.0 b dBiPrdidas en el cuerpo 3.0 c dBPotencia Isotrpica Radiada Equivalente (EIRP) 29.0 d = a + b - c dBm

Receptor (BS)

Densidad del ruido trmico -200.0 e dBm/HzNoise figure del receptor de la BS 5.0 f dBDensidad del ruido recibido -195.0 g = e + f dBm/HzPotencia del ruido recibido -129.2 h = g + 10 log(chip rate) dBmMargen de interferencia 3.0 i dBEfecto total de ruido e interferencia -126.2 j = h + i dBmGanancia de procesamiento 25.0 k = 10 log(chip rate/12.28) dBEb/No requerido 5.0 l dBSensibilidad del receptor -146.2 m = l - k + j dBmGanancia de la antena de la BS 18.0 n dBi

Prdidas en el cable (en la BS) 2.0 o dB

Mx. prdida por propagacin 191.2 q = d - m + n - o dBMargen de desvanecimiento Log-normal 7.3 r dBGanancia por soft handover 3.0 s dBPrdidas por penetracin en el auto 8.0 t dBPrdidas por propagacin permitida 172.9 u = q - r + s - t dB

8 Este valor corresponde a la tasa de transferencia en kbps.


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El valor del alcance mximo calculado se debe a que se est considerando una ciudad densa enedificaciones y se est asegurando la cobertura ante posibles apantallamientos (margen dedesvanecimiento log-normal). Adems se considera que no se est utilizando diversidad, en casocontrario se debera agregar una ganancia por diversidad dentro del clculo del radioenlace, la cualdepende del tipo de diversidad que se utilice.


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3.2.3.WiFiLa cobertura que ofrece WiFi es mucho menor a las que se pueden alcanzar con las otras

tecnologas abordadas en este documento. Esto sucede cuando se utiliza WiFi en enlaces punto amultipunto (PMP), ya que en enlaces punto a punto su alcance puede llegar a varios kilmetros. Eneste documento se aborda slo el caso PMP.

En su uso PMP es posible encontrar antenas WiFi, o AP, como el acceso a Internet de unafamilia que vive en un departamento con un par de laptopsen l, mientras que en el otro extremo sepuede considerar empresas que iluminan ciertos pisos y/u oficinas para ofrecer Internet a sus clientesy/o servicios de intranet a sus empleados.

En estos escenarios, en oficinas y hogares, la movilidad es prcticamente nula, por lo cual elclculo del radioenlace, que se considera en esta seccin, no contempla el uso de ningn modelo enparticular para la aproximacin de las prdidas por propagacin. Slo se considerarn las prdidaspor propagacin en el espacio libre, adems de ciertos mrgenes como el de desvanecimiento por

apantallamiento.

En el caso que se quisiera hacer un clculo mucho ms certero se deberan considerar ciertosmrgenes, como lo son el de desvanecimiento rpido y lento, adems de algn modelo depropagacin indoor.

Con la Expresin 3-8 se obtienen las prdidas por propagacin en el espacio libre en decibeles,donde la frecuencia, F, est en gigahertz y la distancia, d, en kilmetros.

)(log20)(log2045.92 1010 dFLp ++=

Expresin 3-8: Prdidas en el espacio libre.

En la Figura 3-3 se muestra cada una de las componentes que se consideran en el clculo delradioenlace entre un AP y un usuario.

Figura 3-3: Esquema de un enlace entre un AP y un usuario.

Con la Expresin 3-9 se puede obtener la cobertura de un AP, donde Lmax corresponde almargen mximo de prdidas que se puede tener en el enlace.


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rxrxorxptxotxtx PGLLGLPL ++=max

Expresin 3-9: Clculo del radioenlace entre el AP y un usuario.

Donde los otros parmetros que componen la expresin corresponden a lo siguiente:

Ptx : Es la potencia de transmisin del AP en dBm.Lotx : Prdidas en cables desde el transmisor y la antena en dB.Gtx : Ganancia de la antena del AP en dBi.Lp : Prdidas por propagacin en el espacio libre en dB.Lorx : Prdidas en cables desde la antena al receptor en dB.Grx : Ganancia de la antena del usuario en dBi.Prx : Sensibilidad del equipo receptor del usuario en dBm.

Cabe mencionar que las prdidas por cables en los sistemas actuales casi no se consideran debidoa que los AP corresponden a un solo equipo en donde estn integradas antenas, transmisores yreceptores. En este tem se consideran prdidas del orden de 1 a 2 [dB].

Finalmente para calcular la cobertura del AP se debe despejar del termino Lp la distancia dqueprovoca que Lmax sea cero. Pero al realizar este ejercicio, lo que se estara calculando es la distancia ala cual ya no se tiene cobertura, por lo tanto lo que se recomienda es dejar un margen de 5 a 7 [dB],los cuales se consideran razonables y necesarios para evitar cortes en el enlace debido a algn tipo dedesvanecimiento.

3.2.3.1.Ejemplo de Clculo del EnlaceEn el siguiente ejemplo se considerar que se quiere obtener una cobertura mxima de 20

metros, y los valores de los parmetros sern los siguientes.

La potencia de transmisin del AP ser: Ptx = 15 [dBm]. Las prdidas en los cables ser: 1 [dB]. La ganancia de las antenas ser: G = 2 [dBi]. La sensibilidad del equipo del usuario ser: P rx = -71 [dB].

La prdida en espacio libre a 20 metros ser:

075.66)02.0(log20)4.2(log2045.92 1010 =++=pL

Expresin 3-10: Ejemplo de clculo de prdidas en espacio libre.

Con lo que se obtiene que Lmax es:

925.217121075.662115max =++=L

Expresin 3-11: Ejemplo de clculo del radioenlace.

Con estas caractersticas se obtuvo un margen de 21.925 [dB] para un enlace de 20 metros entreel AP y un usuario. Un punto a destacar es que la sensibilidad del equipo vara de acuerdo a lavelocidad del enlace. As es posible que la sensibilidad sea menor, es decir, menor a -71 [dBm] (porejemplo -80 [dBm]). En este caso la sensibilidad es bastante baja, por lo que est asociada a unavelocidad de transferencia de datos alta.


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Para obtener la cobertura del AP con los mismos valores utilizados en el ejemplo, se debe

establecer un margen que permita sobrellevar posibles apantallamientos, por ejemplo, alguna murallaante un pequeo desplazamiento. A continuacin se muestran los clculos con un margen de 7 [dB].

1115.06027.0)(log

7121)](log20)4.2(log2045.92[21157

10

1010max

==

++++==

dd

dL

Expresin 3-12: Ejemplo de clculo de cobertura.

En la Expresin 3-12 se obtiene que la cobertura del AP, con las caractersticas antesmencionadas, es de 111.5 metros. Como en todo enlace inalmbrico la cobertura depender de suentorno, la naturaleza y cantidad de obstculos que exista entre el AP y el usuario. As en el ejemplode clculo, Expresin 3-12, la cobertura es bastante amplia debido al margen que se est dando, conel cual se estara considerando aproximadamente 3 murallas entre los puntos.

Por ltimo se debe aclarar que los ejemplos presentados corresponden a un enlace DL. Sin

embargo el clculo es anlogo para el enlace UL y slo varan los parmetros de sensibilidad y depotencia de transmisin.


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porque las zonas pares estn en una determinada fase y las impares en otra, provocando que la sealrecibida sea peor si se recibe la informacin de la primera y segunda zona. En la seccin J del anexose da ha conocer el clculo del radio de las zonas de Fresnel.

3.2.4.1.2.Fenmenos ClimticosLos fenmenos climticos, como la lluvia o la niebla, afectan a todo tipo de comunicacin

inalmbrica, cuyo nivel de degradacin depender de la frecuencia en la cual se est trabajando. Aspara frecuencias por sobre los 8 [GHz], los efectos de estos fenmenos se hacen ms notorios, porlo cual se recomienda establecer mrgenes de resguardo en el clculo del radioenlace. Este margendepender de que tan a menudo se presenten este tipo de fenmenos y la estrategia bajo la cual seest desplegando la red, es decir, depender de los servicios y la calidad que se pretenda ofrecer.

3.2.4.2.WiMAX MvilLos parmetros que son considerados en esta tecnologa no son diferentes a los presentados en

las secciones anteriores, por lo cual se presenta en forma inmediata un ejemplo de clculo de enlace.

3.2.4.2.1.Ejemplo de Clculo del EnlacePara realizar el clculo del radioenlace se asume que los parmetros de la red WiMAX mvil, son

los que se muestran en la Tabla 3-4. Los parmetros que se listan corresponden a una posibleimplementacin. Se asume que se utiliza Time Division Duplex (TDD) en la banda de 2.5 [GHz], seespecfica el nmero de antenas Tx/Rx, tanto de la BS como del MS o SS, para considerar laganancia por diversidad.

Tabla 3-4: Parmetros de la red WiMAX Mvil.[18]

Parmetros Valor Unidades

Nmero de celdas trisectoriales 19 -

Frecuencia de operacin 2500 MHzDuplexacin TDD -Ancho de banda del canal 10 MHzDistancia entre BSs 2.8 KmDistancia mnima entre BS y Mvil 36. mPatrn de la antena 70 (-3 dB) con 20 dB de razn front-to-back -Altura de la BS 32 mAltura del terminal mvil 1.5 mGanancia de la antena de la BS 15 dBiGanancia de la antena del MS -1 dBiMxima potencia de amplificacin de la BS 43 dBmMxima Potencia PA del terminal mvil 23 dBm

N de antenas Tx/Rx de la BS Tx: 2 o 4; Rx: 2 o 4 -N de antenas Tx/Rx del MS Tx: 1; Rx: 2 -BS Noise Figure 4 dBMS Noise Figure 7 dB

En la Tabla 3-5 se listan los parmetros y los valores de Orthogonal Frequency Division Multiplex(OFDM) que se utilizan en el clculo del radioenlace (revisar secciones F.1 y F.2 del anexo).


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Tabla 3-5: Parmetros de OFDM. [18]

Parmetros Valor Unidades

Ancho de banda del sistema 10 MHzFrecuencia de muestreo (Fs) 11.2 MHzTamao de la FFT (NFFT) 1024 -Distancia entre subportadoras 10.94 KHzTiempo til del smbolo (Tb) 91.4 sTiempo del prefijo cclico (Tg=Tb/8) 11.4 sDuracin del smbolo OFDM (Ts=Tb+Tg) 102.8 sDuracin del Frame 5 msNmero de smbolos OFDM 48 -

Subportadoras nulas 48 -Subportadoras piloto 120 -Subportadoras de datos 720 -

DL PUSC

Subcanales 30 -Subportadoras nulas 184 -Subportadoras piloto 280 -Subportadoras de datos 560 -

UL PUSC

Subcanales 35 -

Con estos valores es posible clculo del radioenlace, tanto del enlace UL como del DL.

Tabla 3-6: Clculo del radioenlace descendente (DL) para WiMAX mvil. [18]

Estacin Base MAP Trfico Unidades

Potencia de Tx por antena 40.0 40.0 40.0 dBmGanancia de combinacin cclica 3.0 3.0 3.0 dBGanancia de la antena de Tx 15.0 15.0 15.0 dBiGanancia por incremento en subportadoras piloto -0.7 -0.7 -0.7 dBEIRP 57.3 57.3 57.3 dBmN de subportadoras ocupadas 840 840 840 -

Potencia por subportadora ocupada 28.1 28.1 28.1 dBmUnidad Mvil (Handset indoor)

Ganancia de la antena Rx -1.0 -1.0 -1.0 dBiGanancia por diversidad de antena Rx 3.0 3.0 3.0 dBFigura de ruido Rx 7.0 7.0 7.0 dB

mrgenes

Desvanecimiento Log Normal 5.56 5.56 5.56 dBDesvanecimiento rpido 6.0 2.0 2.0 dBInterferencia 2.0 2.0 2.0 dBPrdidas por penetracin 10.0 10.0 10.0 dBMargen Total 23.56 19.56 19.56 dB

Sensibilidad del MvilRuido termal -174 -174 -174 dBm/HzDistancia entre subportadoras 10.94 10.94 10.94 KHzModulacin Codificacin QPSK 1/8 QPSK 1/2 16QAM 1/2 -SNR requerido -3.31 3.49 3.49 dBTasa de transferencia DL 2.88 5.76 MbpsSensibilidad Rx (por subportadora) -129.9 -123.2 -117.7 dBmSensibilidad Rx (compuesta) -100.7 -93.9 -88.4 dBmGanancia del sistema 160.0 153.3 147.8 dBPrdida mxima por propagacin 136.4 133.7 128.2 dB


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El margen por interferencia en la Tabla 3-6 asume un reuso de frecuencia 1x3x1. Este reusosignifica que se utiliza un (1) mismo canal para todas las celdas, donde cada sitio est dividido en 3celdas y en cada celda se utilizan todos los subcanales, lo que significa un factor de reuso igual a 1. Sepuede disminuir este margen si se utiliza un reuso 1x3x3 lo cual significa que el canal se divide en 3grupos de subcanales, y se utiliza uno por celda.

La columna MAP corresponde al clculo del radioenlace para los mensajes UL y DL MAPrealizados por la BS, los que permiten informar a los SS o MS cuando pueden enviar su informaciny cuando deben recibir.

Tabla 3-7: Clculo del radioenlace ascendente (UL) para WiMAX mvil. [18]

Unidad Mvil (Handset indoor)Trfico mximo

asignadoUnidades

Potencia de Tx por antena 200.0 200.0 mWPotencia de Tx por antena 23.0 23.0 dBmGanancia de la antena de Tx -1.0 -1.0 dBiEIRP 22 22 dBmSubportadoras disponibles 840 840 -

Subcanales asignados 3 9 -Subportadoras asignadas 72 216 -Subportadoras de datos asignadas 48 144 -Potencia utilizada por subportadora 3.44 -1.334 dBm

Estacin Base

Ganancia de la antena Rx 15.0 15.0 dBiGanancia por diversidad de antena Rx 3.0 3.0 dBFigura de ruido Rx 4.0 4.0 dB

mrgenes

Margen de desvanecimiento Log Normal 5.56 5.56 dBMrgen desvanecimiento rpido 2.0 2.0 dBMargen de interferencia 3.0 3.0 dBPrdidas por penetracin 10.0 10.0 dBMargen Total 20.56 20.56 dB

Sensibilidad de la estacin base

Ruido termal -174 -174 dBm/HzDistancia entre subportadoras 10.94 10.94 KHzModulacin Codificacin QPSK 1/8 QPSK 1/8 -SNR requerido -2.5 -2.5 dBTasa de transferencia UL 38 115 KbpsSensibilidad Rx (por subportadora) -132.1 -132.1 dBmSensibilidad Rx (compuesta) -111.1 -108.8 dBmGanancia del sistema 153.5 148.8 dB

Prdida mxima por propagacin 133.0 128.2 dB

En la Tabla 3-7 se muestra el clculo del radioenlace ascendente (UL), en el cual se muestran 2casos. Se diferencian primordialmente por el nmero de subcanales asignados, lo cual repercute en latasa de transferencia, adems de otros parmetros. Cabe resaltar que la tasa de codificacin nocorresponde a una de las especificadas en el estndar, incluso en la enmienda 802.16e de stetampoco es mencionada. Esta situacin resulta natural si se piensa a WiMAX como lo que representala alianza WiFi para el estndar 802.11, donde esta entidad es la encargada de certificar los equipos


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que son WiFi compatibles, los cuales estn basados en el estndar pero no son 100% compatiblescon stos.

En [18] se establecen los clculos que se muestran en la Tabla 3-6 y en la Tabla 3-7. A partir delos cuales se puede obtener la cobertura de la BS y el alcance del MS o SS, donde el objetivo es lograrque el alcance de la BS sea muy parecido al del MS. En este documento tambin se hace referencia alos modelos que se pueden utilizar para determinar la cobertura, entre los cuales est el modeloCOST 231 Hata, el que est diseado para frecuencias menores a 2 [GHz], realizando prediccionesque son ms bien conservadoras. Por otro lado el modelo introducido por el grupo 802.16, modeloErceg-Greenstein9 [19], es mencionado como una mejor opcin llegando a dar resultados hasta un70% mejor.

Para obtener la cobertura tanto del enlace DL como UL se utilizar el modelo Erceg-Greenstein,el cual utiliza la Expresin 3-13 para obtener la distancia mxima de cobertura.

)4

(log20

;)/(log10

010

0010

dA

ddsPLPLddAPL hf

=

>++++=

Expresin 3-13: Modelo de prdidas por propagacin utilizado para WiMAX.

Utilizando los valores de la mxima prdida por propagacin, cuando se le asignan 3subportadoras al SS en el enlace UL, y la mxima prdida de propagacin permitida en el enlace DLcon una modulacin y codificacin QPSK , se calcul la cobertura para los distintos tipos deterreno que establece el modelo (Ver Tabla 3-8). Se debe notar que la diferencia en las prdidas es de0.7 dB, los cuales, dependiendo del tipo de terreno, hacen que la diferencia de cobertura entre losenlaces sea hasta un poco ms de 1.5 [Km].

Tabla 3-8: Cobertura en los enlace UL y DL con el modelo Erceg-Greenstein

Terreno

Enlace Tipo A [m] Tipo B [m] Tipo C [m]

UL 16.957 30.027 41.812DL 17.569 31.235 43.614

Para el clculo de las coberturas el valor utilizado para el parmetro sdel modelo fue de 9.4 dB,lo que representa las prdidas por desvanecimientos del tipo apantallamiento o sombra.

9 En la seccin E del anexo se da a conocer este modelo.


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mximo de clientes que se tendr (punto marcado con **). Como se aprecia los puntos marcados con** tambin pueden ser entradas o salidas y tampoco pueden estar en las dos partes del proceso.

3.3.1.GSM/GPRS/EDGEDurante la etapa de dimensionamiento se realiza una primera aproximacin en la planificacin

de capacidad y se vuelve a retomar, en forma paralela, con la planificacin de cobertura. Cabemencionar que la planificacin de capacidad puede ser una especificacin para la planificacin defrecuencia, ya que establece el nmero de sitios y TRXs necesarios en cada uno de stos para unadeterminada capacidad, de lo contrario se puede dar el caso que se trabaje a partir de ciertos recursosdel espectro radioelctrico.

La planificacin de capacidad est estrechamente ligada con la planificacin de cobertura, ya queambas estn relacionadas con el equipamiento del sitio, por ejemplo, la configuracin de la antena.Ms an, la planificacin de cobertura define el nmero de estaciones base requeridas para cubrircierta rea y a la vez este grupo de estaciones base define la capacidad mxima de la interfaz de radiopara sta, cuando el nmero mximo de transceivers para cada estacin base est especificado. El

nmero mximo de transceiversse obtiene a travs de la planificacin de capacidad y se deriva delfactor de reuso de frecuencia. Luego puede darse el caso que se deba agregar ms estaciones base, nopor problemas de cobertura sino de capacidad.

La planificacin de capacidad comienza especificando el trfico objetivo y la altura promediomnima necesaria de las antenas para poder cubrir el rea en estudio. Otro parmetro esencial es elnmero de frecuencias disponibles, ya que stas definen el nmero mximo de transceiversen cadaestacin base [14].

Un punto importante a resaltar es que el sistema GSM es limitado por capacidad, al contrario deWCDMA que es limitado por interferencia. Otro punto a considerar es que la planificacin de la

capacidad del sistema GSM est ms enfocada al clculo de la cantidad de trfico por servicios devoz.

3.3.1.1.Clculo de Capacidad de TrficoEl trfico que se produce en cualquier red no es completamente distribuida, sino que existen

ciertas horas del da en las cuales la carga que debe soportar la red es mayor. As al realizar laplanificacin de capacidad se debe tomar en cuenta el peor caso, es decir, el trfico que se produce enla hora ms cargada del da llamada hora cargada (busy hour).

Cuando no se tienen mayores datos acerca de la distribucin del trfico en el rea de estudio, se

realiza la planificacin bajo la hiptesis de que el trfico est uniformemente distribuido, es decir,todas las celdas debern manejar niveles de trfico similares y que todos los suscriptores del reacomparten los mismos objetivos de calidad. Esto ltimo significa que todas las BTS tendrn algunosparmetros en comn, como por ejemplo, probabilidad de bloqueo, ancho de banda, factor de reusode frecuencia, entre otros. Sin embargo existen otros parmetros que deben ser configurados paracada BTS como lo son el modelo de propagacin, potencia de radiacin y altura de la antena.

El nmero de TRX por BTS viene de la divisin del nmero de frecuencias a utilizar en ciertarea por el factor de reuso de frecuencia. Un valor tpico en las redes GSM para el factor de reuso de


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frecuencia es 15, si adems suponemos que un operador tiene licitada una banda de 6 [MHz], lo cualsignifica 30 canales, se obtendra que el nmero mximo de transceiverspor BTS ser 2 (30/15=2).

El nmero de TRXs por celda y la probabilidad de bloqueo definen la cantidad de trfico que sepuede manejar en una celda. El nmero de time slots(TS) que sern utilizados por TRX, de acuerdo ala planificacin, tambin debe ser tomado en cuenta. El trfico por un sector, dada una probabilidadde bloqueo, puede ser obtenido a travs de las formulas Erlang B10 [20].

La probabilidad de bloqueo representa la probabilidad de que una llamada generada por un MSsea bloqueada debido a que todos los canales de trfico estn siendo utilizados. La distribucin con lacual llegan los requerimientos de llamadas en GSM sigue una ley de Poisson al igual que en latelefona tradicional.

La unidad con la cual se mide el trfico es el Erlang (Erl), el que representa la cantidad de trficoque es transportado por un canal, un time slot, durante una hora.

El nmero de TSs utilizados para sealizacin por cada TRX dependern de la solucinpropuesta en la planificacin.

En la Tabla 3-9 se muestra la relacin entre el nmero de TRX y trfico en Erlangs, para 3probabilidades de bloqueo distintas. Se aprecia que a medida que la probabilidad de bloqueo aumentatambin lo hace la capacidad de trfico, esto refleja uno de los tantos compromisos que seencuentran durante la planificacin de una red celular.

Tabla 3-9: Relacin entre el nmero de TRXs y el trfico en Erlangs.

TRXs TimeSlots

TS deTrfico

TS deSealizacin

Trfico(1%)

Trfico(2%)

Trfico(5%)

1 8 7 1 2.5 2.9 3.72 16 15 1 8.1 9.0 10.63 24 22 2 13.7 14.9 17.1

4 32 30 2 20.3 21.9 24.85 40 38 2 27.3 29.2 32.6

Una vez que se ha calculado el nmero total de TRXs, se tiene el nmero de sitios y canales, loque sigue es determinar el siguiente nivel, el nmero de BSCs y MSCs. El nmero de BSCs que senecesitan depende de la cantidad de TRXs que puede manejar un BSC. Luego la decisin, la cualdepender de los objetivos de la planificacin, ser si utilizar algunos BSCs de una gran capacidad ovarios BSCs de una menor capacidad. Esta eleccin depender adems de la geografa del rea dedespliegue.

Por ltimo, el nmero de MSCs a utilizar depender del nmero de suscritos y del tipo deservicio que se quiera ofrecer.

10 En [20] se aborda varios conceptos sobre comunicaciones inalmbricas, adems en su anexo se revisa el conceptode Erlang y teora de trfico con mayor detalle.


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embargo, a medida que se vayan incorporando usuarios con terminales que tengan la capacidad deutilizar ambas redes, conmutacin de circuitos (CS) y paquetes, y se ofrezcan servicios relacionados,se debern realizar cambios.

Como se mencion anteriormente, la carga de trfico producido por el servicio de voz puede serdefinida en Erlangs por subscriptor. Un Erlang corresponde a la cantidad de trfico que un TS puedetransportar durante una hora con una probabilidad de bloqueo determinada. Dado que se introduceel trfico de servicio de datos medidos en Kbps, el cual comparte el medio con el trfico del serviciode voz, se deben mapear a Erlangs de modo de estimar la capacidad necesaria para satisfacer estosservicios. Para realizar esta conversin es necesario estimar la tasa de transferencia de un TS paracada esquema de codificacin.

El trfico de GPRS, EDGE y el trfico de CS de GSM hacen uso de una misma interfaz de aire.El reto de dimensionar la capacidad de este tipo de red, es dividir esta capacidad de forma que seofrezca un grado de servicio satisfactorio para ambos tipos de usuarios.

En la Figura 3-6 se ilustra una forma de cmo los recursos de trfico pueden ser divididos enzonas CS y GPRS o EDGE. En la TRX 1 estn todos los canales de sealizacin y en la TRX 2 slo

hay canales de trfico, el Traffic Channel(TCH) y el Packet Data Traffic Channel(PDTCH), tanto de CScomo de EDGE. En la Figura 3-6 existen canales EDGE fijos y dinmicos, estos ltimos sonasignados de acuerdo a la demanda de este sistema.

Figura 3-6: Ejemplo de posible uso de canales para los sistemas GSM, GPRS y EDGE.[22]

Como se pudo apreciar la capacidad disponible para GPRS y EDGE puede ser fija, o seguir elprincipio de capacidad segn la demanda. A continuacin se abordarn estos dos casos.

3.3.1.2.1. Capacidad Fija GPRSEs posible asignar una capacidad fija o dedicada a GPRS, donde uno o ms TS son asignados en

forma permanente al trfico GPRS. Estos TS al ser configurados para GPRS no pueden serutilizados para trfico de CS. Con esto se asegura cierta capacidad del servicio GPRS para unadeterminada celda. El inconveniente de utilizar esta configuracin es que los niveles de bloqueo para

el trfico de CS aumentan a medida que se reducen los TS para ste.

La decisin de asignar TS fijos para GPRS o EDGE resulta en un compromiso entre proveer unnivel mnimo de servicio GPRS o EDGE y aumentar la probabilidad de bloqueo para los servicios deCS. En esta decisin se debe tener en cuenta las prioridades del operador, el desempeo de la red ylas predicciones de la intensidad del uso de GPRS y EDGE.


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3.3.1.2.2. Capacidad Dinmica GPRSLa capacidad dinmica o capacidad on demandpuede ser usada para ofrecer mayor capacidad de

trfico GPRS cuando la carga de trfico de CS lo permita. Hoy en da la implementacin de estacapacidad vara de acuerdo a los fabricantes de equipos. La capacidad dinmica significa que lacapacidad para el trfico de paquetes es removida slo si los servicios de CS lo requieren o el casocontrario, es decir, la capacidad de trfico es asignada a los servicios CS, pero GPRS y EDGEpueden obtener mayor capacidad cuando la carga de los servicios de PS as lo demanden y la carga delos servicios de CS sea baja. Aunque la diferencia parezca pequea entre estos dos casos, existenimplicaciones para GPRS y EDGE en trminos del desempeo en la interfaz de aire, debido a losalgoritmos utilizados para provocar el cambio de capacidad en la Unidad de Control de Paquetes(PCU) en la BSC.

Dedicar recursos extras a EDGE o GPRS tpicamente es costoso para los operadores, por locual el uso de capacidad dinmica es la opcin ms utilizada al momento de iniciar los servicios dePS. Se debe tener cuidado con establecer tendencias engaosas con respecto a los niveles de trficode PS, ya que si no se brindan los recursos para que se desarrollen habr un estancamiento, lo cual

puede provocar que los operadores piensen que no existe la demanda por estos servicios.

3.3.1.2.3. Recursos para GPRS o EDGE en un Sistema CSUn sistema diseado para trfico de CS usualmente permitir una tasa de transmisin bsica para

los servicios de PS, ya que estos sistemas han sido diseados con suficiente margen para que existauna baja probabilidad de bloqueo, con lo cual aparece una capacidad espontnea que puede serutilizada. A medida que el trfico de paquetes pueda ser interrumpido temporalmente, para acomodarlospeaksde trfico CS, no habr una degradacin relevante en los servicios de CS.

En la Tabla 3-10 se muestra el promedio de TS que pueden ser utilizados por GPRS o EDGE,

dado un nmero de TS y probabilidad de bloqueo. Debido a la eficiencia de trunkingdel trfico de CSla capacidad para GPRS o EDGE no aumenta en forma lineal.

Tabla 3-10: Promedio de TS disponibles para GPRS.

TRX(TCH)/celda

Carga CSde TCH con

un 1% debloqueo

Carga CSde TCH con

un 2% debloqueo

Prom. de TCHdisponibles paraEDGE (caso 1%

bloqueo)

Prom. de TCHdisponibles paraEDGE (caso 2%

bloqueo)

1 (6) 1.9 2.2 4.1 3.82 (14) 7.3 8.0 6.7 6.03 (21) 12.7 13.8 8.3 7.24 (29) 19.3 20.6 9.7 8.4

5 (36) 25.3 26.8 10.7 9.26 (44) 32.2 34.0 11.8 10.0

Habiendo determinado la capacidad disponible para GPRS y EDGE es necesario dimensionaresta capacidad para otorgar al usuario un GoS satisfactorio. El uso del modelo Erlang B, utilizado enel trfico de CS, no puede ser utilizado para el trfico de PS debido a sus caractersticas.


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La estimacin del promedio mximo de la tasa de transferencia que soporta una celda, paraEDGE o GPRS se obtiene multiplicando la capacidad promedio disponible por la tasa detransmisin por TS.

Por ejemplo si se tiene 9.2 TS, se asume que se usa EDGE con un esquema MCS-7, 44.8 [Kbps],y un Block Error Rate(BLER) del 10%, se obtiene que la tasa promedio disponible en una celda es:

KbpsThroughput 944.370)1.01(8.442.9 ==

Expresin 3-15: Tasa de transmisin para un esquema MCS-7, BLER del 10% y 9.2 TS disponibles.

Cabe mencionar que es necesario realizar simulaciones a nivel de red para poder anticipar elperfil del trfico y conformar la base para los procesos de planificacin y optimizacin.

3.3.1.2.4. Incremento de la Capacidad de GPRS y EDGEComo se mencion anteriormente, en una red tpica generalmente se tendr una capacidad

disponible pero limitada para el trfico GPRS y EDGE. Para aumentar esta capacidad se debenutilizar ms recursos, los cuales se reflejarn en una mayor disponibilidad de canales de trfico (TS).

Esto se puede obtener dedicando ms TS al trfico PS, a expensas del aumento de la probabilidad debloqueo en los servicios CS, o agregando TRXs a las celdas que demanden mayor trfico. Otra formaes utilizando un codificador AMR con uso half-ratepara el trfico de voz, lo que permite que dosusuarios utilicen un mismo TS. AMR requiere que los dispositivos tengan la capacidad de soportarAMR. El uso de half-ratepuede ser aplicado slo con condiciones favorables de radio.

3.3.1.3. Capacidad de Sealizacin[8]3.3.1.3.1. Criterio de Capacidad de Sealizacin

La forma ms comn de dimensionar los canales de trfico para las llamadas de voz en GSM esutilizando un criterio de probabilidad de bloqueo del 2%, cuyo trfico se calcula con las formulas delmodelo Erlang B. A pesar de lo anterior, las llamadas tambin pueden ser bloqueadas debido a lafalta de recursos de sealizacin. Si se asume que las probabilidades de bloqueo por falta de canalesde sealizacin y trfico son independientes, entonces la probabilidad de bloqueo que percibir elusuario ser la suma de stas. Por lo tanto se hace necesario contar con algn criterio que permitaestablecer la capacidad necesaria para los canales de sealizacin. Una primera idea, bastanteintuitiva, sera utilizar una baja probabilidad de bloqueo para los procedimientos de sealizacin y asla gran mayora de los bloqueos seran provocados por la falta de canales de trfico. Se puede utilizaruna probabilidad de bloqueo del 0.2% (una probabilidad 10 veces menor). Un segundo criteriopodra ser no sobredimensionar la capacidad de la red, con lo cual se permitira una mayorprobabilidad de bloqueo, de 1% o 2%.

Es importante mencionar que la carga de sealizacin depende de la tasa de llamadas realizadas,y no de la duracin de stas. La capacidad de los canales de sealizacin es determinada como elnmero de llamadas por hora, en vez de la carga de trfico, que pueden ser soportadas dada unacierta probabilidad de bloqueo.


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3.3.1.3.2.Capacidad de Sealizacin para Voz en GSMLos canales usados para establecer las llamadas en los servicios de voz son el Common Control

Channel(CCCH) y el Stand-alone Dedicated Control Channel(SDCCH). El nmero de actualizaciones deubicacin de los usuarios y el trfico SMS tambin afectan la carga, por lo tanto tambin la capacidadde estos canales para establecer las llamadas.

Los procedimientos pueden ser modelados usando sistemas de colas, ya que si no hay subcanalesSDCCH disponibles, quin lo haya solicitado ser puesto en una cola de espera hasta que se liberenlos recursos.

En la Figura 3-7 se muestra un ejemplo de un procedimiento de sealizacin modelado con unsistema de colas.

Figura 3-7: Ejemplo con el procedimiento de sealizacin, modelado con un sistema de colas. [8]

Dado que los sistemas de colas se vuelven ms complejos al considerar colas mltiples no seobtiene una solucin analtica simple, menos an si se considera el uso de temporizadores y

reintentos de establecimiento de llamadas. Por lo tanto es necesario utilizar alguna herramienta desimulacin que permita realizar los anlisis requeridos para estudiar la capacidad de estos canalestomando en cuenta colisiones, accesos aleatorios, nmero mximo de retransmisiones ytemporizadores expirados.

3.3.1.3.3.Capacidad de Sealizacin en GPRS/EDGEEn EDGE existen dos posibilidades para iniciar la transferencia de paquetes de datos, la primera

es utilizando el canal CCCH de GSM o el nuevo incorporado junto con EDGE, PCCH, el cual fuecreado para cumplir esta funcin. A continuacin se realiza la revisin de la capacidad desealizacin en el caso del uso compartido del canal CCCH.

En la seccin N del anexo se profundiza con mayor detalle la influencia de los canales desealizacin en el trfico de los servicios de voz y datos.


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3.3.2.UMTS-WCDMA3.3.2.1.Factor de Carga [17]

Para realizar la planificacin de capacidad se debe estimar el trfico que debern soportar lasestaciones base. El sistema WCDMA es limitado por interferencia, pero por otra parte permite unreuso de frecuencia igual a 1. Esto ltimo conlleva a que se debe estimar la capacidad de la celda enfuncin de la interferencia producida por los mismos usuarios que la estn utilizando, en el caso delenlace UL, y la producida por las otras estaciones base en el enlace DL.

3.3.2.1.1.Factor de Carga del Enlace ULPrimero se definir la raznEb/N0, que corresponde a la energa por bit dividida por la densidad

de ruido espectral. Cabe mencionar que para su clculo se debe tener en cuenta que es una cantidadadimensional.

jtotal

j

jj

jbPI

P

Rv

WNE =)/(

0

Expresin 3-16: Razn Energa por bit a Densidad espectral del ruido del usuarioj.

Donde Wes la tasa de chip, Pj es la potencia de la seal recibida desde el usuarioj, vj es el factorde actividad del usuarioj, Rj es la tasa de bit del usuarioj, por ltimo Itotales la potencia total del ruidode todo el ancho de banda, recibido por la estacin base, incluyendo la potencia del ruido termal. Alresolver para Pj se obtiene la Expresin 3-17.

total

jjjb

j I

vRNE

WP

+

=

)/(

1

1

0

Expresin 3-17: Potencia de la seal del usuariojrecibida en la estacin base.

Definiendo Pj = LjwItotal se obtiene el factor de carga Lj de una conexin.

jjjb

j

vRNE

WL

+

=

)/(1

1

0

Expresin 3-18: Factor de carga para la conexin de UL del usuarioj.

La interferencia total recibida, producida por el uso simultneo de la celda por los usuarios,excluyendo el ruido termal PN , puede ser escrita como la suma de todas las potencias recibidas desdetodos los usuarios,N, en una misma celda.

==

==N

j

totalj

N

j

jNtotal ILPPI11

Expresin 3-19: Interferencia total recibida en una celda conNusuarios.

Se define el trmino incremento del ruido (noise rise) como en la Expresin 3-20.


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N

total

P

IriseNoise =

Expresin 3-20: Trmino noise rise.

Por otro lado se define el factor de carga ULcomo:

=

=N

j

jUL L1

Expresin 3-21: Factor de carga del enlace UL (UL).

Pero la expresin para el factor de carga no est completa, ya que no se est tomando en cuentala interferencia que producen las otras celdas y no slo las adyacentes. Para tomar en cuenta estainterferencia entre celdas se utiliza la razn entre la interferencia en la otra celda y la interferencia enla propia celda.

celdapropialaenciaInterferen

celdasotraslasenciaInterfereni =

Expresin 3-22: Factor ique da cuenta de la interferencia entre celdas en el factor de carga.

Reescribiendo la Expresin 3-21 para el factor de carga se tiene:

( ) ( ) ==

+

+=+=N

j

jjjb

N

j

jUL

vRNE

WiLi

1

0

1

)/(1

111

Expresin 3-23: Factor de carga del enlace UL (UL), corregido.

En la Tabla 3-11 se listan los parmetros que son parte de la Expresin 3-23 del factor de carga yalgunos valores para estos.

Tabla 3-11: Parmetros usados en el clculo del UL.

Definicin Valores recomendados

N Nmero de usuarios por celdavj Factor de actividad del usuarioj a nivel

de capa Fsica0.67 para voz, asumiendo un 50% de actividadde voz. Para el trfico de datos el valor es 1.

Eb/N0 Razn energa por bit a densidad espectraldel ruido, la cual es requerida para alcanzarun determinado BLER. Esta densidad

incluye el ruido trmico y la interferencia.

Depende del servicio, tasa de bit, diversidaden la antena de recepcin, velocidad delmvil, etc.

W Tasa de chip WCDMA 3.84 McpsRj Tasa de bit del usuarioj Depende del servicioi Razn interferencia de otra celda a la propia,

visto por el receptor de la estacin base.Con macro celdas y antenas omnidireccionales:55%. Macro celdas con 3 sectores: 65%.

La Expresin 3-23 predice el incremento del ruido por sobre el ruido termal debido a lainterferencia. El margen por interferencia en el clculo del radioenlace debe ser igual al mximoincremento de ruido calculado, por ste mtodo u otro. El incremento del ruido es igual a -10 log10(1-UL).


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La raznEb/N0 requerida puede ser obtenida a travs de simulaciones, mediciones en terreno yde los requerimientos de desempeo exigidos por el 3GPP. El trmino ies una funcin del entornode la celda (ejemplo: macro/micro celdas, urbana/suburbana) y el patrn de la antena (ejemplo:omnidireccional, 3-sectorial, 6-sectorial).

La Expresin 3-23 es comnmente usada para obtener un promedio de la capacidad de unacelda WCDMA sin tener que realizar simulaciones.

En una red clsica, en la cual slo se dan servicios de voz, donde los Nusuarios de la celdatienen una baja tasa de bit Rse obtiene que:

1/ 0

>> vRNE

W

b

Expresin 3-24: Simplificacin al considerar una tasa de bit, R, baja.

Con lo cual la Expresin 3-23 para el factor de carga para el enlace UL queda como en laExpresin 3-25.

)1(/

/ 0 ivNRW

NEbUL +=

Expresin 3-25: Factor de carga (UL) para una red con slo servicio de voz.

3.3.2.1.2.Factor de Carga del Enlace DLEl factor de carga del enlace DL, DL, puede ser definido de forma similar al factor de carga del

enlace UL, con lo cual se llega a la Expresin 3-26.

( )[ ]jjN

j j

jbjDL i

RWNEv +=

=

1/

)/(1

0

Expresin 3-26: Factor de carga del enlace DL, DL.

En este caso el incremento del ruido es igual a -10 log10(1-DL) por sobre el ruido termal debido ala interferencia por mltiples accesos. Se aprecia en la Expresin 3-26 que existen un trmino nuevo,j, el cual no aparece en el factor de carga del enlace UL. El trmino corresponde a un factor deortogonalidad en el enlace DL. WCDMA emplea cdigos ortogonales en el enlace DL para separar eltrfico de cada usuario. Cuando la ortogonalidad es 1, los cdigos estn perfectamente ortogonales.Tpicamente la ortogonalidad est entre 0.4 y 0.9 en canales con multitrayectorias.

Debido a que la interferencia que recibe el usuario de otras celdas depende de la ubicacin deste, se utiliza el promedio del trmino ij y el promedio de la ortogonalidad del cdigo de cadausuario. Con esto la Expresin 3-26 queda como la siguiente.

( )[ ]iRW

NEv

N

j j

jb

jDL += =

1/

)/(

1

0

Expresin 3-27: Factor de carga del enlace DL, DL, aproximado.


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Tabla 3-12: Parmetros usados en el clculo del DL.

Definicin Valores recomendados

N Nmero de usuarios por celdavj Factor de actividad del usuarioj a nivel

de capa Fsica0.58 para voz, asumiendo un 50% de actividadde voz. Para el trfico de datos el valor es 1.

Eb/N0 Razn energa por bit a densidad espectraldel ruido, la cual es requerida para alcanzarun determinado BLER. Esta densidadincluye el ruido trmico y la interferencia.

Depende del servicio, tasa de bit, diversidaden la antena de recepcin, velocidad delmvil, etc.

W Tasa de chip WCDMA 3.84 McpsRj Tasa de bit del usuarioj Depende del servicioj Ortogonalidad del canal para el usuarioj Depende de la propagacin por multitrayectorias.

1: ortogonalidad perfecta, la seal sigue slo 1camino.0: No existe ortogonalidad.

ij Razn entre la potencia recibida deotra celda a la propia, por parte de unusuario.

Para cada usuario se tiene un valor distinto deij, ya que depende de su posicin en la celda yel desvanecimiento log-normal.

Promedio del factor de ortogonalidad enla celda.

50% para vehculos.90% para peatones.Recomendaciones de la UIT.

Promedio de ij para los usuarios de la celda Macro celdas con antenas omnidireccionales: 55%.Macro celdas con 3 sectores: 65%.

3.3.2.2.Capacidad Blanda (Soft Capacity) [17]Cuando la capacidad de una estacin base est limitada por el hardwarede sta, se le asocia el

llamado bloqueo duro (Hard Blocking) que ocurre cuando un usuario no tiene acceso al servicio porfalta de capacidad, en este caso dura. Se habla de soft capacity si la capacidad est limitada por la

interferencia en la interfaz de aire, ya que no existe un valor fijo para la capacidad mxima. Este casose asocia al bloqueo blando (Soft Blocking), que ocurre cuando un usuario no tiene acceso al serviciopor falta de capacidad, en este caso blanda. En WCDMA, al utilizar Direct Sequence Spread Spectrum(DSSS), la cantidad de usuarios que puede haber en una celda est limitada slo por la interferencia yeste lmite se lo auto impone el operador.

Un sistema que est limitado por capacidad blanda no puede estimar su capacidad utilizando lasformulas del modelo Erlang B, ya que estas daran resultados demasiado pesimistas. El conjunto totalde canales es mayor al simple promedio del nmero de canales por celda, ya que con las celdasadyacentes se comparte una fraccin de la misma interferencia, y existe ms trfico que puede seratendido con la misma probabilidad de bloqueo. La capacidad blanda es importante en aplicaciones

que necesitan tasas altas de transmisin de datos en tiempo real, como por ejemplo videoconferencias.

La capacidad blanda en WCDMA, para efectos de trfico, se define como el incremento de lacapacidad en Erlang con soft blocking por sobre la misma capacidad pero con hard blocking, con elmismo nmero mximo de canales por celda.


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1=blockinghardconErlangenCapacidad

blockingsoftconErlangenCapacidadCapacitySoft

Expresin 3-28: Capacidad blanda (Soft Capacity).

Los pasos para estimar la capacidad blanda de una celda son los siguientes

Calcular el nmero de canales por celda, N, en el caso de carga equilibrada, basada en laExpresin 3-23.

Multiplicar el nmero de canales por 1+ i (ver Expresin 3-22), para obtener el conjuntototal de canales para el caso de bloqueo blando.

Calcular el trfico mximo que se puede ofrecer utilizando las formulas del modelo ErlangB.

Dividir la capacidad en Erlangs por 1+ i.Este procedimiento para obtener la capacidad blanda tiene las siguientes hiptesis.

El nmero de suscriptores en cada celda es la misma, pero el inicio y trmino de cadaconexin es independiente. Los intervalos entre cada solicitud de llamada sigue una distribucin de Poisson.

3.3.2.3.Dimensionamiento de los RNC [22]Las redes de telefona mvil generalmente son bastante grandes, por lo cual no se puede utilizar

slo una RNC, ya que no podra manejar todo el trfico generado en la red. Cuando se estdimensionando la red se hacen estimaciones generales, una de stas es que los sitios estnuniformemente distribuidos en el rea de servicio y cada RNC maneja las mismas cantidades detrfico.

Existen varias limitaciones en la capacidad de los RNC, y al menos se deben tener en cuenta lassiguientes.

Nmero mximo de celdas (Una celda est identificada por una frecuencia y un scramblingcode11).

Nmero mximo de estaciones base (Nodos B) bajo el control de un RNC. Mxima tasa de transferencia (throughput) de la interfaz Iub. Capacidad y tipo de interfaz fsica. (ejemplo: STM-1, E1, Ethernet, F.O.).

El nmero de RNCs que se necesitan para conectar cierto nmero de celdas puede ser obtenidoa travs de la Expresin 3-29.

1MCeldasRNC

NumCeldasNumRNCs

=

Expresin 3-29: Nmero de RNCs considerando el nmero de celdas a desplegar.

11 Corresponde a un cdigo de identificacin que se utiliza tambin para identificar a los usuarios.


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En la Expresin 3-29, NumCeldases el nmero de celdas en el rea que se est dimensionando,CeldasRNCcorresponde al nmero mximo de celdas que pueden ser conectadas a un RNC yM1 esun margen utilizado para no dimensionar utilizando la capacidad mxima.

En la Expresin 3-30 se obtiene el nmero de RNCs necesarias dado el nmero de estacionesbase que deben ser conectadas al RNC.

2MbsRNC

NumBSsNumRNCs

=

Expresin 3-30: Nmero de RNCs considerando el nmero de estaciones base a conectar al RNC.

NumBSs es el nmero de estaciones base a desplegar en el rea que se est dimensionando,bsRNCcorresponde al nmero mximo de estaciones base que pueden ser conectadas a un RNC yM2es un margen utilizado para no dimensionar utilizando la capacidad mxima.

Otro criterio para determinar el nmero de RNCs a utilizar es la capacidad mxima de la interfazIub. Para esto se puede utilizar la Expresin 3-31, donde tpRNC es la capacidad mxima de la

interfaz Iub, M3 es un margen utilizado para no dimensionar utilizando la capacidad mxima ynumUsuarioses el nmero de suscriptores que estarn simultneamente activos.

snumUsuarioMtpRNC

datosTPdatosTPvozTPNumRNCs PSCS

++=

3

Expresin 3-31: Nmero de RNCs considerando el trfico generado por los Nodos B.

El resto de los parmetros de la Expresin 3-31 corresponden a las tasas de transferencia para lavoz, datos del dominio CS y datos del dominio PS.

Dado estos 3 criterios para encontrar el nmero de RNCs, se debe escoger el mximo y en elcaso que se llegue a nmeros con decimales, se debe considerar el entero inmediatamente superior.


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3.3.3.WiFiEn esta seccin se aborda la capacidad que puede ofrecer un sistema WiFi, la cual est limitada

por el mecanismo que utiliza para compartir el medio de transmisin. WiFi utiliza un sistema basadoen Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance (CSMA-CA), en el cual cada host que deseatransmitir debe verificar que el canal est desocupado, si no es as, los host esperan un tiempoaleatorio luego del cual vuelven a verificar la disponibilidad del canal.

3.3.3.1.Primera AproximacinEn la Figura 3-8 se muestra un esquema bsico de un frameWiFi, el cual est compuesto por el

prembulo que le permite detectar la seal del AP, la adquisicin de la frecuencia y la sincronizacin.

Figura 3-8: Componentes bsicos de unframeWiFi.

El segmento delframellamado overheadcontiene la informacin necesaria para manejar el paquetedentro de una red de datos, como por ejemplo el largo del paquete, la tasa de datos, direcciones dedestino y origen, etc. En el ltimo segmento, llamado datos en la Figura 3-8, es el Protocol Data Unit(PDU) MAC que contiene la informacin real del usuario. [24]

El throughput es a una forma con la cual se puede estimar la capacidad de una tecnologa, ycorresponde a la tasa de transferencia de datos con la cual puede contar el usuario. El throughputenWiFi depende de varios factores, entre ellos est la tasa de transmisin, el overheaddel protocolo, laeficiencia de la capa MAC, el prembulo, el tamao del paquete y la eficiencia de protocolos de capas

superiores (TCP/IP). Tambin pueden afectar al throughputlas retransmisiones que se deben realizardebido a colisiones, ya que se est compitiendo por transmitir. Por ejemplo si se utiliza DSSS, elprembulo utiliza 144 bits, y el overhead48 bits. Con estos datos se obtiene que cerca del 50% delpaquete no es informacin til para el usuario, por lo cual el throughput es alrededor de 5 Mbpscuando se utiliza 11 Mbps en 802.11b y 30 Mbps para el caso de los 54 Mbps de 802.11a y 802.11g.

3.3.3.2.Capacidad al utilizar DCFEn el estndar 802.11 se definieron dos mtodos de acceso: el Distributed Coordination Function

(DCF) que utiliza CSMA-CA, donde los usuarios compiten por el medio inalmbrico, y el PointCoordination Function(PCF), el cual proporciona acceso controlado a travs de un punto coordinador(Point Coordinator) que est en el AP. El estndar permite que estos mtodos coexistan utilizando deforma alternada DCF y PCF.

El mtodo de acceso DCF est basado en el principio de CSMA-CA. Si un host inalmbricorequiere transmitir primero debe sensar el canal y esperar un tiempo determinado, para luegotransmitir si el canal est desocupado.

Para estimar la capacidad, en primera instancia se asumir que slo habr un host transmitiendoen una celda 802.11b. Si adems se ignora el tiempo de propagacin se tendr que el tiempo quetoma transmitir unframede datos en forma exitosa, sin colisin, est dado por:


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ovtr ttT +=

Expresin 3-32: Tiempo necesario para transmitir unframe.

Donde el tiempo utilizado en transmitir el overheadest dado por la Expresin 3-33.

ackprov tSIFStDIFSt +++= 2

Expresin 3-33: Descomposicin de los tiempos utilizados en la transmisin del overhead.

Donde tpr es el tiempo utilizado en el prembulo y en la transmisin de la cabecera, el ShortInterframe Spacing(SIFS) es igual 10 [s] (cuando se utiliza DSSS en la capa Fsica), tack es el tiempo quetoma la transmisin del acknowledgment(ACK) MAC. Este tiempo depende de la tasa de transmisin,ya que su largo es de 112 bits, por lo tanto si se escoge una tasa de 11 Mbps tack ser de 10 [s]. Porltimo Distributed Interframe Spacing(DIFS) corresponde al tiempo aleatorio que espera un hostantes detransmitir, cuando al sensar el canal este estaba ocupado, toma un valor medio de 50 [s].

Volviendo a la Expresin 3-32, ttr

corresponde al tiempo de transmisin de un framey dependede la tasa de bits usada por el host. As si el usuario utiliza una tasa de 1 Mbps, el estndar estableceque se debe utilizar la versin larga de la cabecera Physical Layer Convergence Procedure(PLCP) y por lotanto el ttr dura 192 [s]. En cambio si se utiliza las tasas 2, 5.5 o 11 [Mbps]

12, la duracin del ttr es de96 [s] ya que se utiliza la versin corta de la cabecera PLCP.

Con esta informacin se puede estimar la proporcin,p, del throughputtil, medido por sobre lacapa MAC con un framede 1500 [bytes] y 34 [bytes] de overhead. La Expresin 3-34 es vlida paratasas por sobre 1 [Mbps].

7.0

1534

1500==

T

tp tr

Expresin 3-34: Proporcin til del throughputWiFi (802.11b).

En resumen, utilizando la Expresin 3-34, si un usuario esta utilizando un canal de 11 [Mbps] enrealidad su throughput es de 7.7 [Mbps]. Pero esta velocidad es alcanzada slo cuando no existencolisiones o el usuario es el nico que est utilizando el canal.

Cuando hay varios usuarios que estn asociados con un mismo AP, cada host cuando intentetransmitir revisar si el canal est ocupado y si es as los host utilizan un algoritmo que los haceesperar un intervalo de tiempo aleatorio antes de volver a sensar el canal. El intervalo de tiempo queespera cada hostest uniformemente distribuido entre [0,W]slot. Por lo tanto el hostque resulta conel intervalo menor comenzar transmitiendo y el resto repetir el proceso.

La ventana de congestin vara entre 31 (Wmin) y 1023 (Wmx) para la capa Fsica DSSS, en laTabla 3-13 se muestran los valores en los otros casos.

12 Notar que las tasas citadas corresponden a la especificacin 802.11b, y por lo tanto los tiempos citados sonvlidos slo para sta.


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El tamao del slotdepende de la especificacin, en 802.11b es de 20 [s] si se utiliza DSSS en lacapa Fsica, en cambio si se tiene una red con slo equipos 802.11g el tiempo de duracin del slotesde 9 [s],[27], y basta con que un usuario utilice 802.11b para que la duracin del slotsea de 20 [s].

Cuando un hostparticipa en una colisin el valor de W aumenta al doble, con un valor tope deWmx.

Tabla 3-13: Wmin y Wmax segn el estndar IEEE 802.11.[26]

CapaFsica

Wmin Wmax

FHSS 15 1023DSSS 31 1023

IR 63 1023

Cuando hay N host tratando de transmitir, el tiempo total de transmisin est dado por la

Expresin 3-35.

)()( NtttNT contovtr ++=

Expresin 3-35: Tiempo total de transmisin cuando existe N hosttratando de transmitir. [25]

El trmino tcont(N) de la Expresin 3-35 pretende reflejar el tiempo que toma un hosten lograrutilizar el canal cuando compite contra N-1 host. Una expresin analtica para este trmino es difcilde encontrar pero en [25] se sugiere una aproximacin, la cual se muestra en la Expresin 3-36.

22

)(1)( min

W

N

NPslotNt ccont

+

Expresin 3-36: Tiempo que toma un hosten utilizar un canal, al competir con N-1 host.

Donde Pc(N) corresponde a la proporcin de colisiones que son advertidas por la capa MAC,

tomando valores entre 0 y 1. En [25] se propone una aproximacin para este termino, el cual semuestra en la Expresin 3-37.

1

min )11(1)(

=N

c WNP

Expresin 3-37: Proporcin de colisiones reportadas exitosamente a la capa MAC.

Finalmente se puede obtener la proporcin til del throughputen funcin del nmero de host, (N),que estn asociados al mismo AP.

)(NT

tp tr=

Expresin 3-38: Proporcin til del throughputen funcin del nmero de host(N).


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3.3.4.WiMAXDebido al carcter de tecnologa emergente que posee WiMAX, los trabajos referentes a la

capacidad son escasos. Ms an, es difcil encontrar algn documento que abarque cada una de lasposibilidades de implementacin, lo cual es natural debido a que el estndar permite una granflexibilidad y posibilidades de implementacin, ya que tiene como objetivo que su adopcin sea msrpida.

A continuacin se analiza las capa Fsica y MAC del estndar IEEE 802.16, revisando aquellosparmetros que disminuyan la capacidad inicial del canal desde la capa Fsica, y a la vez aquellosmecanismos que incorpora WiMAX que permiten mejorar las capacidades de ste.

3.3.4.1.Capa Fsica [29]3.3.4.1.1.Capacidad OFDM

Debido a la flexibilidad y al amplio rango de frecuencias en las cuales puede operar WiMAX seabordar la capacidad tomando en cuenta la disponibilidad del espectro de radio que se tenga. Ladisponibilidad del espectro de radio ser lo que finalmente determine el tamao de los canales, locual depender de la banda en la cual se este desplegando WiMAX y por lo tanto de los organismosreguladores, que en el caso de Chile es la Subtel.

La banda de 3.5 [GHz] corresponde a la de mayor disposicin en todo el mundo, debido a quees una banda licenciada determinada por la UIT, lo cual provoc que la mayora de los primerosequipos certificados por el WiMAX Forumoperaran en esta banda. Los canales disponibles para stason mltiplos enteros de 1.75 [MHz] y el tamao asignado a cada operador depender del reguladorde cada pas.

WiMAX utiliza OFDM para multiplexar los datos en el canal, ver seccin F.1 del anexo, OFDMutiliza todo el ancho del canal dividindolo en varios canales de banda estrecha, llamadossubportadoras. La capacidad de cada subportadora depender de la modulacin que se utilice, verTabla 3-14, logrando un mximo de 6 bit por subportadora con la modulacin 64QAM.

WiMAX utiliza modulacin adaptiva, esto significa que dependiendo de la calidad de la sealrecibida, nivel del C/I, se cambia el tipo de modulacin. As, para un usuario cercano a la antena dela BS con una buena seal probablemente se tendr una modulacin 64QAM, pero para un usuarioque este en los lmites de la celda WiMAX probablemente se use la modulacin BPSK.

Tabla 3-14: Capacidad de la subportadora depende de la modulacin.

ModulacinCapacidad

[bit/subportadora]

BPSK 1QPSK 216QAM 464QAM 6


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Dentro de la interfaz OFDM yOrthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA), ver seccinF.1.1 del anexo, se establecen parmetros que determinan la distancia entre portadoras y el tiempo decada smbolo OFDM, los cuales sern utilizados para la estimacin de la capacidad de WiMAX. Unode los parmetros es la frecuencia de muestreo, Fs, presentada en la Expresin 3-39, la cual dependedel factor de muestreo, n, que a su vez depende del ancho de banda, que en el caso de 3.5 [GHz] setiene que nes igual 8/713. Para realizar los clculos se trabajar con un ancho de banda (BW) de 7[MHz]. Cabe mencionar que en la Expresin 3-39 BWse utiliza en Hertz y, por lo tanto, el terminoFsse obtiene en Hertz.

8000)8000

(

=BWn

floorFs

Expresin 3-39: Frecuencia de muestreo, parmetro de las interfaces fsicas de WiMAX

A partir de la Expresin 3-39 se obtiene que Fses igual a 8 [MHz]. Con este valor se puedeobtener el espacio que habr entre las 256 subportadoras dentro del canal de 7 [MHz], a travs de laExpresin 3-40.

31250256/8000000/ === FFTNFsf

Expresin 3-40: Espacio entre subportadoras.

De la Expresin 3-40 se obtiene que el espacio entre subportadoras es de 31.25 [KHz], cuyovalor depende del tamao de la Fast Fourier Transform(FFT). En este caso se puede decir que el usodel espectro no es muy eficiente, ya que se tienen 200 subportadoras para transmitir informacin, yesto al multiplicarlo por el f nos entrega el ancho de banda real que se est utilizando, 6.250 [MHz],lo cual significa una eficiencia del 89.28 %.

Cabe mencionar que de las 200 subportadoras, con las cuales se realizaron los clculos, no todasson utilizadas para el trfico de usuarios y administracin de stos, 8 de stas son utilizadas comoreferencia y sincronizacin, y son llamadas subportadoras piloto.

Una primera aproximacin para la capacidad de una subportadora, sin tomar en cuenta el overheadproducido por los sistemas de redundancia y correccin de errores, depende del nmero de bits quese puedan enviar por smbolo, ver Tabla 3-14. Sin embargo para obtener una mejor aproximacin seincluye el overheadque produce el uso del prefijo cclico (CP).

El tiempo de un smbolo est compuesto por un tiempo til, Tb, que es el tiempo que abarca unsmbolo, ms el tiempo que abarca una fraccin del ltimo smbolo enviado. Se enva esta fraccin,denominado prefijo cclico, al comienzo del smbolo que se est enviando para disminuir los efectosde desvanecimientos por multitrayectorias, retardo y errores de sincronizacin (ver Figura 3-9).

Figura 3-9: Estructura del smbolo OFDM en el dominio del tiempo.[30]

13 En la Tabla F-3 se muestran los diferentes valores para nde acuerdo al ancho de banda utilizado.


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bbs

b

TGTT

fT

+=

= /1

Expresin 3-41: Tiempo til del smbolo OFDM, Tb, y tiempo del smbolo OFDM.

A partir de la Expresin 3-41 se obtiene que el tiempo til del smbolo para un canal de 7 [MHz]y 256 canales es de 32 [s].

A medida que el prefijo cclico es ms grande, es decir el factor G es mayor, se tiene un mayoroverheady por lo tanto la capacidad efectiva de un smbolo disminuye. Esto se debe a que no se estenviando informacin nueva, pero se est ganando en inmunidad a la interferencia intersimblica(ISI), debido a multitrayectorias y errores de sincronizacin. El valor de G segn el estndar 802.16-2004 de la IEEE, [30], puede tomar los siguientes valores: 1/4, 1/8, 1/16 y 1/32 (ver seccin F.1 delanexo).

Si se utiliza el menor valor para el factor G se obtiene que el tiempo total del smbolo, Ts, a partirde la Expresin 3-41 es de 33 [s]. Con este valor se puede obtener la capacidad del canal, pero sedebe tener en cuenta que an no se incorporan las redundancias que se utilizan para la correccin de

bits errneos.

saprox T

brasSubportadodeNC =

Expresin 3-42: Aproximacin a la capacidad del canal.

La capacidad aproximada del canal que se obtiene de la Expresin 3-42, depende del nmero debits que se puedan enviar por smbolo, b, del tiempo total del smbolo, Ts, y el nmero desubportadoras que se utilizan para el trfico de datos y su administracin, que en el ejemplo que seest desarrollando es de 192. Por otro lado, el nmero de bits que se pueden enviar por smbolodepende de la modulacin que se utilice (ver Tabla 3-14). Luego, si se asume que se est utilizandouna modulacin 64QAM, 6 bits por smbolo, se obtiene que la capacidad del canal es de 35 [Mbps].

En cualquier sistema inalmbrico se espera que exista recepcin de bits errneos, cuyo origen esbastante variado. Para corregir estos errores en la comunicacin se utilizan distintos mecanismos, enparticular el estndar 802.16-2004 utiliza el Forward Error Correction(FEC) adems de interleaving14, pormencionar algunos. En estos procesos se envan bits redundantes dentro de los bits de informacinde cada smbolo, por lo tanto el overheadaumenta y disminuye la capacidad del canal.

Para la interfaz fsica WirelessMAN-OFDMel estndar especfica, [30], el uso de ciertas tasas decodificacin para cada tipo de modulacin, ver Tabla 3-15. Las tasas de codificacin son la fraccin,del total de bits enviados, que no son redundantes. Por ejemplo, si se tiene una tasa de codificacinde 3/4, significa que 1/4 de los bits enviados son redundantes. Estos mecanismos de redundancia no

replican los bits sino que aplican complejos algoritmos a partir de los cuales se obtienen los bitsredundantes.

14 Es un mecanismo en el cual se toma la informacin y se desordena antes de enviarla.


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Tabla 3-15: Requisitos de codificacin por modulacin, extracto tabla 215 de [30].

ModulacinTamao del bloquesin codificar [Bytes]

Tamao del bloquecodificado [Bytes]

Overallcoding rate

CCcode rate

BPSK 12 24 1/2 1/2QPSK 24 48 1/2 2/3QPSK 36 48 3/4 5/6

16QAM 48 96 1/2 2/316QAM 72 96 3/4 5/664QAM 96 144 2/3 3/464QAM 108 144 3/4 5/6

En la Tabla 3-15 se muestran los tamaos de los bloques, en bytes, para cada tipo de modulaciny codificacin para la interfaz fsica OFDM. Un bloque corresponde a la unidad de informacin quecomprende a todas las subportadoras del canal en un determinado instante. El tamao del bloque,codificado o sin codificar, asignado a un SS ser el tamao listado en la Tabla 3-15 multiplicado porel nmero de subcanales asignados y dividido por 16 [30].

La capacidad til del canal por smbolo, se obtiene a travs de la Expresin 3-43, donde OCR esel overall coding rate. Con esta expresin se puede calcular finalmente una buena aproximacin delcanal. Siguiendo con el ejemplo, donde se obtuvo que Caprox es igual a 35 [Mbps], y asumiendo que sepuede utilizar la modulacin y tasa de codificacin ms altas, se obtiene que la capacidad de un canalde 7 [MHz], con una FFT de 256 puntos, es de C = 36 3/4 = 26 [Mbps]

OCRCC aprox =

Expresin 3-43: Capacidad del canal.

Una forma til para realizar comparaciones entre distintas tecnologas, en cuanto a tasa detransferencia en funcin del ancho de banda utilizado es la eficiencia espectral, la cual se obtiene

dividiendo la capacidad del canal por el ancho de banda de ste. El resultado que se obtiene es enbps/Hertz. En el ejemplo desarrollado se obtiene una eficiencia de 3.71 [bps/Hz].

BWCEspectralEficiencia /=

Expresin 3-44: Eficiencia espectral.

3.3.4.1.2.Eficiencia en el uso del FrameEn la seccin anterior se vio que los smbolos OFDM tienen un tiempo de duracin y que

adems puede variar, pero tanto la BS como el SS envan rfagas de smbolos, no uno slo, los cualesson agrupados enframesTDMA. Debido a que la duracin de los smbolos es variable y el tamao de

losframeses fijo, existe la posibilidad de que no se utilice el 100% del frame. El overheadque se producees menor al tiempo de un smbolo, el cual depende del tamao del frame y del ancho del canal,pudiendo volverse importante enframesde menor duracin.

Para la interfaz fsica OFDM el estndar, [30], especifica que la duracin de unframepuede ser de2.5, 4, 5, 8, 10, 12.5 o 20 [ms].

Cabe mencionar que al calcular el overheadcomo el porcentaje que equivale el tiempo delframenoutilizado, se est suponiendo el uso de transmisin Frequency Division Duplex (FDD), ya que si se


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utiliza TDD se debe agregar a este tiempo, que no se utiliza en el frame, un tiempo de resguardo quese utiliza entreframesde los enlace UL y DL, el cual tambin est especificado.

3.3.4.1.3.Prembulos3.3.4.1.3.1 Sincronizacin

En el enlace DL la sincronizacin se realiza mediante un prembulo de bits con un patrn fijoque es transmitido al comienzo de cada frame. Este prembulo utiliza 2 smbolos de cada framereduciendo de esta forma su capacidad til15. Al igual que en el uso de losframes, la sincronizacin escrtica enframesque contienen pocos smbolos.

En el enlace UL los SS envan rfagas, cuyo largo depender de la naturaleza del servicio queest utilizando cada uno. El prembulo ocupa un smbolo al inicio de cada rfaga y en cada envo,por lo cual la cantidad de prembulos en un determinado tiempo depender del servicio que se estutilizando. El peor caso es aquel en que el SS slo necesite enviar un smbolo por rfaga,provocando un 50% de overhead. Afortunadamente existen mecanismos para evitar estas posiblesineficiencias, como el uso de buffersde memoria en los cuales se agrupan rfagas de menor tamao

para formar una unidad mayor.

3.3.4.1.3.2RangingEl Ranginges un mtodo que permite compensar los retardos variables de cada SS debido a la

distancia a la BS y as evitar recibir smbolos que se traslapen en el tiempo. Para realizar este proceso,peridico, la BS asigna uno o ms smbolos en el enlace UL para escuchar aquellos SS que se unen ala red, los cuales envan su factor de compensacin de retardo e informacin extra necesaria para elestablecimiento de la comunicacin.

La periodicidad con la cual la BS escucha y actualiza la informacin es configurable, yprobablemente variar entre cada fabricante, aunque en el estndar 802.16-2004 se establece que el

intervalo mximo entre procesos de ranging, al momento en que un nuevo SS se une a la red, es de 2segundos. Si consideramos el caso delframede mayor tamao, 20 [ms], se obtiene que 1 de cada 100frames se ver afectado en su capacidad, luego la merma a la capacidad que provoca esteprocedimiento es insignificante.

3.3.4.1.4.SubcanalizacinEn la interfaz fsica OFDM se establece que el enlace UL puede ser dividido hasta en 16

subcanales agrupados en un cierto nmero de subportadoras, lo cual permite a los SS concentrar supotencia de transmisin en algunas subportadoras. El estndar permite que el SS pueda transmitir en1, 2, 4, 8 y 16 subcanales, siendo esta ltima la opcin por defecto, es decir, el SS utiliza las 192subportadoras. Este es el caso de OFDM con FFT de 256 puntos, es decir, la versin fija deWiMAX.

La subcanalizacin afecta la capacidad del canal en forma indirecta, ya que cambia el minimumallocation unit (MAU) del enlace UL. El MAU corresponde a la menor unidad de datos que puedeutilizar un SS, la cual es un subcanal, que en el caso de OFDM con una FFT de 256 puntos estarcompuesto por 12 subportadoras (192 subportadoras de datos divididas en 16 subcanales).

15 Se denomina capacidad til aquella que es posible utilizar para el trfico de datos de los usuarios.


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El proceso de subcanalizacin introduce eficiencia a la asignacin de recursos a cada SS, ya que

permite una mayor precisin en la asignacin. Por ejemplo en el caso que cada SS pueda utilizar los16 subcanales y asumiendo una codificacin 16QAM-3/4, se obtendr que la unidad mnimaasignada sin codificar es de 72 bytes, ver Tabla 3-15. Sin embargo si el usuario slo desea enviar 8bytes en unframese estarn desperdiciando 64 bytes. Ahora si slo se le asignan 2 subcanales al SS setendr que la unidad mnima asignada (MAU) ser de 722 16 = 9 bytes, con lo cual slo sedesperdiciara 1 byte.

En conclusin la subcanalizacin afecta la capacidad efectiva que tenga WiMAX en susimplementaciones OFDM y OFDMA, adems de la relacin entre payloady el MAU. Por lo tantopara estimar el overheadque provoca la subcanalizacin se deber trabajar con un payloadpromedio, elcual depender de los servicios que ofrezca cada operador y que pueda soportar el SS.

3.3.4.1.5.Minimum Allocation Unit (MAU)El MAU, como se menciono en la seccin anterior, corresponde a la mnima unidad que se

puede asignar a un usuario para que enve informacin. Una de las caractersticas de OFDM es que

utiliza cada subportadora para enviar pequeas cantidades de informacin, esto en conjunto con eluso de la subcanalizacin, permite obtener una mayor precisin en la asignacin de los recursos, locual se traduce en una mayor eficiencia, ya que los recursos se pueden tener un mejor ajuste a lasnecesidades de cada SS. Por lo tanto se puede decir que existe un aumento en la capacidad ya que suasignacin es ms eficiente.

)16/( OCRNsaNcfloorMAUdelTamao =

Expresin 3-45: Tamao del MAU.

El tamao del MAU se obtiene a travs de la Expresin 3-45, donde Nccorresponde al nmerode bloques codificados, ver Tabla 3-15, yNsaes el nmero de subcanales asignados a cada SS (1, 2, 4,

8 o 16 para el enlace UL y 16 en el enlace DL)16

.

3.3.4.1.6.Control de Potencia, Modulacin y Codificacin AdaptivaEl control de potencia, la modulacin y codificacin adaptiva han tenido un gran realce en los

ltimos aos, debido a que han aparecido de la mano con tecnologas inalmbricas de nuevageneracin, como lo son UMTS-WCDMA y WiMAX, permitiendo a stas mejoras en capacidad, enla velocidad de la transferencia de datos y en cobertura.

Estos mecanismos nacen de la inestabilidad que tienen los canales de comunicacin en sistemasinalmbricos, en especial cuando no existe lnea de vista (NLOS). As, ante estas inestabilidades, sepuede ganar cierta insensibilidad al utilizar una mayor potencia de transmisin, un esquema demodulacin y codificacin bajas. No obstante, la implementacin ptima es cambiar la potencia detransmisin y los esquemas de codificacin y modulacin en forma dinmica, para obtener la mayorcapacidad del canal con un cierto nivel de error en cada momento. De esta forma nacen los sistemasde modulacin y codificacin adaptivos y control de potencia.

16 En la enmienda 802.16e se extiende la capacidad de subcanalizacin en el enlace DL para las implementacionesPMP.


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En WiMAX estos mecanismos los implementa las BSs, donde el estndar ha especificado elsoporte de la codificacin y modulacin adaptivos en los enlace UL y DL, mientras que el control depotencia slo en el enlace UL [30].

Para incluir la influencia de estos mecanismos en la capacidad de cualquier sistema que losutilice, se debe saber cual es la distribucin promedio de usuarios dentro de la celda, as como el nivelde C/I, ya que es este parmetro el que se evala para utilizar uno u otro sistema de modulacin, porlo tanto lo que se obtendr es un promedio de la capacidad del canal.

3.3.4.1.7.DiversidadUtilizar diversidad en un enlace inalmbrico corresponde a repetir hardwareo procesos en ste, en

el receptor y/o en el emisor, que permiten obtener un mejor desempeo al mejorar la calidad de laseal recibida. En WiMAX se pueden utilizar distintos tipos de diversidad: diversidad espacial, alutilizar el sistema adaptivo de antenas, diversidad de tiempo y diversidad de tiempo y espacio, que esuna combinacin de las anteriores.

Adems de Space Time Coding (STC) en WiMAX tambin se puede utilizar sistemas de antenas

adaptivas (AAS), las cuales agregan diversidad espacial, permitiendo direccionar el lbulo principal detransmisin hacia la ubicacin del SS.

3.3.4.1.7.1 Space Time Coding (STC)Este tipo de diversidad est especificada en [30] para la interfaz fsica OFDM como opcional.

STC funciona en el enlace DL agregando una va de transmisin extra, permitiendo obtener hasta 15[dB] de margen para el clculo del radioenlace en entornos NLOS.

La BS genera 2 flujos diferentes de datos codificados, uno para cada va de transmisin, de modoque el SS pueda usar un algoritmo de decodificacin relativamente simple para poder combinar lasseales. Este sistema resulta bastante robusto ofreciendo mejoras relevantes en entornos NLOS, ya

que el desvanecimiento no afectar en forma simultnea a ambos canales.

STC necesita enviar prembulos extras en cadaframeOFDM y por cada va, lo cual provoca unamerma en la capacidad. El overheadque provoca utilizar STC es de un smbolo porframe.

3.3.4.2.Capa MAC [12] [29] - [31]La capa de control de acceso al medio (MAC) est compuesta por una subcapa de convergencia

que funciona de interfaz con las capas superiores, una subcapa comn que lleva acabo las funcionesclave de la capa MAC y, por ltimo, una subcapa de seguridad.

En esta seccin se revisarn aquellos mecanismos de la capa MAC, de la misma forma en que serevis la capa Fsica, que en su implementacin provocan el uso de recursos y, por lo tanto, unaumento en el overheady disminucin de la capacidad disponible para los servicios WiMAX.

3.3.4.2.1.Cabecera MACEl formato que se establece en [30] para el PDU (Protocol Data Unit) MAC se ilustra en la Figura

3-10. Cada PDU debe comenzar con una cabecera MAC genrica de largo fijo, la cual va seguida delpayload que puede incluir una serie de subcabeceras opcionales. La informacin del payload puede


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variar en su tamao y nmero de bytes utilizados, lo cual permite a la capa MAC transportar trficode capas superiores sin tener que saber el formato de la informacin.

Figura 3-10: Formato del PDU MAC.[29]

En [30] se establece que existen dos formatos para las cabeceras MAC, una cabecera genrica yuna para solicitar ancho de banda (Bandwidth Request Header). Pero en la enmienda 802.16e, [12], sedefine una cabecera MAC para el enlace DL, que corresponde a la cabecera MAC genrica, y doscabeceras para el UL. Una de estas cabeceras es anloga a la del enlace DL, la cual se encuentra alinicio de los PDU MAC, llevando informacin de la subcapa de convergencia o mensajes deadministracin MAC, mientras que la segunda cabecera del enlace UL corresponde al PDU MAC sinpayload ni el Control de Redundancia Cclica (CRC). En la enmienda 802.16e no se elimina la

cabecera de solicitud de ancho de banda (BRH: Bandwidth Request Header), sino que se modificanciertas caractersticas y se crean una serie de nuevas cabeceras que son enviadas sin el payload, dondela mayora de stas tienen dos funciones y una de ellas es la solicitud de ancho de banda (revisarseccin 6.3.2.1.2 de [12]).

La cabecera puede estar seguida de las siguientes subcabeceras:

Subcabecera de Fragmentacin (2 bytes). Subcabecera Grant Management(2 bytes). Subcabecera Packing(2 bytes). SubcabeceraMesh(2 bytes). Subcabecera de Asignacin FAST-FEEDBACK(1 byte). Subcabecera de Extensin (variable).

A pesar de que puede que el overheadproducido por las subcabeceras sea menor, se debe tener encuenta la posibilidad de que cada PDU MAC que se transmita puede ser afectado por stas.

3.3.4.2.1.1 Subcabecera de FragmentacinLa fragmentacin se refiere a dividir un SDU17 (Service Data Unit) MAC en varios PDUs MAC.

En el caso de esta subcabecera, el overheadque puede agregar es de 1 a 2 bytes. El peor caso es asumirque cada PDU MAC incorpora esta subcabecera, donde se debe tomar en cuenta que ambos enlaces,DL y UL, se ven afectados.

3.3.4.2.1.2Subcabecera Grant ManagementEl Grant Managementes el mecanismo que permite a los SSs comunicar a la BS las necesidades deancho de banda. Este mecanismo agrega como mximo 2 bytes y afecta slo al enlace UL. El peorcaso es asumir que cada PDU MAC tiene esta subcabecera, pero es poco realista. Un valoraconsejado en [29] es de 10% del total de PDUs MAC.

17 Un SDU corresponde a la unidad de informacin, datos, que es intercambiada entre capas adyacentes, mientrasque el PDU es la unidad de informacin, datos, que es intercambiada entre un par de entidades.


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3.3.4.2.1.3Subcabecera PackingEsta subcabecera permite realizar el proceso inverso al de fragmentacin, donde se pueden unir

2 o ms SDUs MAC en un PDU MAC. Este proceso, al igual que el de fragmentacin, permite unmejor uso de los recursos.

Al igual que en los casos anteriores, el peor caso es asumir que cada PDU MAC tiene esta

subcabecera, pero se debe tener en cuenta al momento de estimar el overhead que producen lassubcabeceras, que la subcabecera packing y de fragmentacin son mutuamente excluyentes. Por lotanto es conveniente tomar un promedio y estimar el overheadproducido por estas subcabeceras en 2bytes. Esta subcabecera, al igual que la de fragmentacin, afecta a ambos enlaces (DL y UL).

3.3.4.2.1.4Subcabecera MeshLa funcin de esta subcabecera es soportar la operacin de la red bajo una arquitectura mesh. En

la arquitectura mesh los SSs no slo pueden o no comunicarse directamente con la BS, sino quetambin lo pueden hacer a travs de otros SSs. El overheadque provoca esta subcabecera es de 2bytes, el cual puede ser estimado en el clculo final si el despliegue de la red ser mediante este tipode arquitectura.

3.3.4.2.1.5Subcabecera de Asignacin Fast-FeedbackEsta subcabecera permite asignar un canal UL de baja latencia al SS, que le permite comunicar a

la BS el estado del enlace. Esta

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