estrategias de mitigación de interferencia en una red lte · lte fue diseñado para utilizar en...
TRANSCRIPT
COMTEL 2012 IV Congreso Internacional de Computación y Telecomunicaciones
249
Estrategias de mitigación de interferencia en una red LTE
Pablo Díaz, Paula Urbano, Víctor Quintero [email protected], [email protected], [email protected]
Universidad del Cauca, Colombia
Popayán - Colombia
Resumen: En este artículo, se presentan tres estrategias de mitigación de interferencia en una red LTE diseñada para la ciudad de Popayán, Colombia. Parámetros de las antenas como su inclinación, radiocanal utilizado y el número de señales transmitidas por la misma, son determinantes para disminuir la interferencia inter-celda y de esta manera generar un incremento en la cobertura. Los resultados presentados en este artículo y su análisis muestran los efectos sobre la cobertura al implementar las 3 estrategias de forma independiente sobre la red.
Abstract: In this paper three interference mitigation strategies for an LTE network designed for Popayán, Colombia are presented. Parameters of the antenna such as downtilt, radio channel used and the number of transmitted signals are crucial for reducing inter-cell interference and thus improving network coverage. The results presented in this paper and its analysis show the effects on the coverage when deploying these three strategies independently.
Palabras clave: LTE, cobertura, interferencia.
1. Introducción LTE (Release 8) es un estándar promovido por el Proyecto de Cooperación en Sistemas de Tercera Generación (3GPP, Third Generation Partnership Project) desde noviembre de 2004 y es conocido comercialmente como 4G.
LTE fue diseñado para utilizar en sus sistemas un factor de reúso de frecuencias igual a uno, lo cual significa que cada eNodeB (estación base) hace uso de todo el Ancho de Banda (BW, Bandwidth) disponible para transmisión y no realiza planeación de frecuencias entre celdas. Debido a esto, la interferencia inter-celda puede llegar a ser severa para un Equipo de Usuario (UE, User Equipment) situado en el borde de la celda o en lugares de cobertura limitada. Por lo anterior, se planteó la evaluación, a través de simulaciones a nivel de sistema, de tres estrategias para la mitigación de dicha interferencia: variación del ángulo de inclinación (tilt), reúso de frecuencias y diversidad en transmisión con el fin de reducir al máximo esta interferencia y determinar cuál de ellas brinda mejores resultados a un menor coste de implementación.
Este artículo se divide en una sección de trabajos previos, donde se enuncian los trabajos relacionados. Seguidamente, se encuentra la sección de fundamentos teóricos la cual describe brevemente los conceptos que fundamentan las tres estrategias de mitigación de interferencia propuestas: variación del ángulo de inclinación, planeación manual de frecuencias y diversidad en transmisión. La sección 4 divide las simulaciones y su descripción en tres escenarios, en donde se recopilan los resultados de la simulación realizada para cada estrategia. La sección 5 realiza un análisis de los resultados obtenidos en la sección anterior y, finalmente, en la sección seis, se concluye el trabajo realizado.
2. Trabajos Relacionados En esta sección, se encuentra una breve descripción de los trabajos relacionados con el presente artículo.
El artículo [I. Forkel, A. Kemper, R. Pabst y R.Hermans, 2011] evaluó y analizó el efecto sobre la capacidad y cobertura al variar los tilts eléctricos y mecánicos.
La tesis [L. Zhang, 2010] investigó la capacidad y la cobertura de un sistema LTE de forma teórica, utilizando la herramienta software WRAP.
El artículo [F. Athley y M. Johansson,2010] estudió cómo la distribución entre dos tipos de tilt (eléctrico y mecánico) afecta las pérdidas por trayecto, el tamaño de la celda y el throughput pico y promedio en escenarios macro-celulares.
La tesis [G. Mengitsu y O.Olayinka] evaluó el desempeño del enlace de bajada en LTE haciendo uno de sistemas MIMO y SISO.
3. Fundamentos teóricos También conocido como ángulo de inclinación de la antena, la variación del tilt busca reducir la interferencia inter-celda y de esta manera optimizar las redes en términos de cobertura y capacidad. Existen dos tipos de inclinación de la antena: tilt mecánico y tilt eléctrico, el primero varía físicamente la inclinación de la antena, mientras que el segundo método de variación de la inclinación se realiza ajustando la fase de los diferentes segmentos eléctricamente [I. Forkel, A. Kemper, R. Pabst y R.Hermans, 2011].
Además de la variación de los ángulos de inclinación, la planeación de frecuencias es otro método para mitigar la interferencia. Esta estrategia presenta tres esquemas o variaciones, diferentes al de reúso uno, para la implementación de la denominada Coordinación de Interferencia Inter-Celda (ICIC, Inter-Cell Interference Coordination): reúso duro de frecuencia, reúso suave de frecuencia y reúso fraccional de frecuencia.
El reúso duro de frecuencia es comúnmente utilizado en las redes del Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (GSM, Global System for Mobile Communications), en LTE significa que las subportadoras
COMTEL 2012 IV Congreso Internacional de Computación y Telecomunicaciones
250
se dividen en tres, cuatro o siete grupos. Estos grupos son asignados a cada eNodeB de manera que los eNodeB vecinos no utilicen el mismo grupo de subportadoras. Lo anterior implica una reducción significativa de la interferencia inter-celda al coste de una reducción de la eficiencia espectral en un factor igual al factor de reúso [V. Pauli, J.D. Naranjo y E.Seidel, 2010].
En general, un factor de reúso alto mejora el throughput11 de usuario en el borde de la celda al coste de degradar el throughput promedio de la celda debido a la reducción innecesaria de interferencia para los usuarios ubicados en el centro de la celda, lo cual hace que además se reduzca el BW disponible en cada una de las celdas.
Para mantener el throughput de usuario en el borde de la celda mientras se intenta mejorar el throughput promedio en el centro de la misma, se desarrolló el concepto de reúso fraccional de frecuencia. Contrario al reúso duro, este esquema divide el espectro en dos partes, los cuales tendrán diferentes reúsos de frecuencia, la primera parte del espectro se utiliza en todas las celdas mientras que la segunda parte se distribuye entre los diferentes eNodeB. La idea es que el eNodeB asigne reúso uno de frecuencia al centro de la celda y para el borde de la misma asigne un reúso de mayor valor, por ejemplo de tres [V. Pauli, J.D. Naranjo y E.Seidel, 2010].
Así como en el reúso fraccional, en el reúso suave de frecuencia el área de la celda se divide en dos regiones: interior (centro) y exterior (borde), con la diferencia de que a los usuarios del centro de la celda se les permite compartir subbandas con los usuarios ubicados en el borde de las celdas vecinas.
La Figura 1 muestra los diferentes esquemas de reúso disponibles para los que de acuerdo con los requerimientos de la red, se podrían implementar en LTE.
Figura 1: Esquemas de reúso de frecuencia.
El tercer método que permite mitigar la interferencia en redes LTE manteniendo alta la eficiencia espectral que logra LTE al utilizar un factor de reúso de 1, es la diversidad de transmisión o recepción.
Este método se basa en el uso de más de una antena de transmisión o recepción para enviar o recibir más de una copia de la misma señal, estas copias son combinadas de 11 Es la cantidad total de información por unidad de tiempo que fluye a través de un canal de comunicaciones y llega satisfactoriamente a su destino, incluye información de usuario, de ancho de banda y de señalización.
forma constructiva en el receptor para extraer la señal útil. De esta manera, después de dicha combinación, el nivel de la señal recibida es más resistente a la interferencia que al transmitir una única señal, por lo tanto la diversidad en transmisión mejora las condiciones de canal y la fiabilidad del enlace mitigando los desvanecimientos y disminuyendo la probabilidad de error [H. Holma y A. Toskala, 2009].
4. Simulación y Resultados La ciudad de Popayán se encuentra ubicada al suroccidente de Colombia a 1730 msnm, se caracteriza por ser una ciudad pequeña construida sobre un terreno húmedo y bastante irregular. El diseño de la red LTE de la ciudad para la ciudad de Popayán con el que se han realizado las simulaciones, fue obtenido a partir del Balance del Enlace Radio (RLB, Radio Link Budget) con el cual fue posible calcular que cinco sitios de tres sectores cada uno son necesarios para brindar cobertura al área de mayor demanda de conexión LTE en la ciudad. El RLB fue calculado para la banda de Servicios Inalámbricos Avanzados (AWS, Advanced Wireless Services), un ancho de banda igual a 10 MHz y un valor de SNR provisto por la especificación TS 36.104 del 3GPP para el canal de multitrayectoria EVA 70 [3GPP, 2010].
En las simulaciones de la red LTE diseñada para Popayán, se utilizó el software de planeación y optimización de radiofrecuencia Atoll en su versión 2.8.0. Esta herramienta creada por la empresa Forsk cuenta con diversas opciones de predicción de cobertura entre las cuales se encuentra la predicción de cobertura por mejor portadora LTE. Este estudio de cobertura calcula y muestra las mejores portadoras radio LTE basándose en la Relación Portadora a Interferencia y Ruido (CINR, Carrier to Interference plus Noise Ratio), en la cual se muestra las áreas donde es posible utilizar un determinado Esquema de Modulación y Codificación (MCS, Modulation and Coding Scheme) para cada uno de los sectores de cada sitio.
Los resultados fueron obtenidos únicamente para el enlace de bajada (DL, Downlink) y fueron divididos en 3 escenarios de simulación, donde cada uno de ellos evalúa una estrategia para la mitigación de interferencia.
4.1 Escenario 1
En el escenario 1 de simulación, se observó el efecto de la variación del tilt mecánico sobre la denominada interferencia inter-celda generada por los 5 sitios utilizando un factor de reúso igual a 1. Para este fin, se utilizó la predicción de mejor portadora LTE en DL para los valores de tilt 4°,7° y 14° y de esta manera se determinó su efecto sobre la mitigación de la interferencia. Cabe resaltar que es posible variar el tilt mecánico en un rango desde -5° hasta 20° [F. Athley y M. Johansson, 2010].
La figura 2 muestra el efecto de la coexistencia de diversos sitios en un área limitada al radiar con un ángulo de inclinación igual a 0°. Es importante tener en cuenta que los azimuth de cada sector fueron definidos de tal manera que los lóbulos principales de la antena no se
COMTEL 2012 IV Congreso Internacional de Computación y Telecomunicaciones
251
apuntaran directamente entre sí. En la figura es posible apreciar el alcance de las portadoras 64QAM 3/4, 16QAM 1/2 y QPSK 1/3 representadas por los colores naranja, verde y azul, respectivamente.
Figura 2: Efectos de un ángulo de inclinación igual a 0°
sobre la interferencia de la red.
La figura 3 muestra el efecto que tiene sobre la interferencia y sobre el alcance de cada portadora LTE cuando se aplica un ángulo de inclinación igual a 4° sobre las antenas transmisoras de la red.
Figura 3: Efectos de un ángulo de inclinación igual a 4°
sobre la interferencia de la red.
La tabla 1 resume los diferentes valores de la distancia alcanzada por la portadora 64QAM 3/4 para los tilt evaluados en el escenario 1. Para la construcción de esta tabla, se tomó en cuenta únicamente un sector por cada sitio para luego determinar el alcance de dicha portadora a medida que se aumenta la inclinación de la antena.
Tabla 1: Alcance en metros de la portadora 64QAM 3/4 según el ángulo de inclinación.
Tilt Sector
0° 4° 7° 14°
Esmeralda_3 446 520 480 215
Empaques_1 286 300 309 211
Ciudad Jardín_1 390 514 438 222
Universidad_3 500 400 330 190
Santa Inés_1 376 440 358 195
4.2 Escenario 2
En el escenario 2 de simulación se realizó una planeación de frecuencias para observar su contribución a la mitigación de interferencia inter-celda y comparar los resultados con la red inicial, la cual consideró reúso igual a 1.
Debido a que la herramienta de simulación, Atoll 2.8.0 solo permite realizar planeación de frecuencias haciendo uso del esquema de reúso duro, se utilizó este esquema ICIC porque es el único que la herramienta soporta, mas no porque sea el mejor de los 4 esquemas de reúso posibles.
Con el fin de observar el comportamiento del sistema bajo el reúso duro, se recurrió una vez más a la predicción de mejor portadora LTE en el DL, para determinar el alcance de cada portadora cuando se implementa un plan de frecuencias determinado. Debido a que se ha trabajado con un ancho de banda de 10 MHz, se tienen 4 radiocanales, cada uno de 2.5 MHz, disponibles para cada transmisor de la red, los cuales han sido distribuidos teniendo en cuenta la mínima distancia de reúso y la vecindad de los eNodeBs restantes.
La figura 4 muestra el alcance de las portadoras 64QAM 3/4, 16QAM 1/2 y QPSK 1/3 representadas por los colores amarillo, verde y azul, respectivamente.
Figura 4: Efecto de un plan de frecuencias manual (reúso
duro) sobre la interferencia.
La tabla 2 resume los valores de distancia que alcanza la portadora 64QAM 3/4 al utilizar un factor de reúso de 1 y un Plan Manual de Frecuencias (MFP, Manual Frequency Plan). Este MFP utilizó el esquema de reúso duro y factor de reúso igual a 4.
Tabla 2: Alcance en metros de la portadora 64QAM 3/4 según el plan de frecuencia.
Sector Reúso = 1 MFP
Esmeralda_3 446 804
Empaques_1 286 754
Ciudad Jardín_1 390 703
Universidad_3 500 630
COMTEL 2012 IV Congreso Internacional de Computación y Telecomunicaciones
252
Santa Inés_1 376 680
4.3 Escenario 3
El escenario 3 de simulación implementó el esquema de diversidad en transmisión con el fin de observar su comportamiento y analizar el cumplimiento de los requerimientos mínimos de cobertura inicialmente establecidos para el diseño de la red. Para esta simulación, se recurrió nuevamente a la predicción de cobertura por portadora LTE en el DL con el fin de determinar el efecto que tiene la implementación de estos esquemas sobre la cobertura del sistema diseñado.
La figura 5 muestra el resultado de la implementación de la técnica de diversidad en transmisión en la red diseñada para la ciudad de Popayán. En este caso, el alcance de las portadoras 64QAM 3/4, 16QAM 1/2 y QPSK 1/3 han sido representadas por los colores rojo, verde y azul, respectivamente.
Figura 5: Efecto de la técnica de diversidad de
transmisión sobre la interferencia.
La tabla 3 resume los valores del alcance de la portadora 64QAM 3/4 sin considerar un esquema diversidad en transmisión y al implementar uno para un sistema 2x2 y 4x4.
Tabla 3: Alcance en metros de la portadora 64QAM 3/4 utilizando diversidad.
Sector Sin diversidad 2x2 4x4
Esmeralda_3 446 910 1107
Empaques_1 286 333 410
Ciudad Jardín_1 390 721 756
Universidad_3 500 573 636
Santa Inés_1 376 493 604
5. Análisis de los Resultados 5.1 Escenario 1
Tal como se esperaba, el radio de la celda disminuye a medida que el ángulo de inclinación aumenta, esto debido a que la energía radiada desde cada transmisor se enfoca en una zona más concreto y por consiguiente los niveles de interferencia decrecen haciendo evidente una mejoría
en el alcance de la portadora 64QAM 3/4. Por otro lado, las portadoras de 16QAM 1/2 y QPSK 1/3 experimentaron una disminución de su alcance ya que al aumentar el ángulo de inclinación el lóbulo principal del patrón de radiación se reduce mientras que los laterales se ensanchan.
Al usar un ángulo de inclinación igual a 14° se obtiene una importante mejora en términos de interferencia inter-celda debido a que la separación entre celdas es mucho mayor que con valores más pequeños de ángulo de inclinación.
Adicionalmente, la utilización de un ángulo de inclinación de 14° tiene como consecuencia no solo una considerable disminución en el alcance de las portadoras sino también una importante disminución de la capacidad ya que se está reduciendo el alcance de la portadora que mayor throughput ofrece a los usuarios de esta red. En consecuencia, utilizar ángulos de inclinación de antena altos no resulta en un aumento de la cobertura ni de la capacidad la red y por lo tanto no se considera viable su implementación, ya que implicaría adicionar mayor número de estaciones base para cumplir con los objetivos de cobertura y capacidad previamente establecidos.
Como se ha observado, el alcance de la portadora de 64QAM 3/4, al utilizar un ángulo de inclinación de antena igual a 0°, es más pequeño que el alcance que se logra con una inclinación de 4°, esto debido a que la señal presenta bastante interferencia cuando no hay inclinación de las antenas, ya que ninguna de las antenas transmisoras se encuentra apuntando a una zona específica de la ciudad, causando de esta manera que las señales de varios transmisores lleguen a un mismo punto de la ciudad. Como era de esperarse, a medida que el ángulo de inclinación de antena aumenta, la dispersión que experimenta la señal es menor y por ende el alcance, esto debido a que la energía radiada de la señal es orientada cada vez más a una zona más limitada.
5.2 Escenario 2
El plan de frecuencias propuesto para la red móvil, mejora notablemente la cobertura por portadora, más específicamente la de 64QAM 3/4 al igual que un incremento no tan pronunciado en la de 16QAM 1/2. Por otro lado, la portadora QPSK 1/3 no presenta una mejoría relevante para el sistema.
Tal como se esperaba, al utilizar el mismo radiocanal para todo el sistema, la interferencia inter-celda aumenta, haciendo que el alcance de la portadora 64QAM 3/4 disminuya. Por otro lado, al implementar un factor de reúso igual a 4 la interferencia se mitigó considerablemente, sin embargo, esta estrategia disminuye el ancho de banda por sector afectando la capacidad total del sistema.
5.3 Escenario 3
Al implementar la técnica de diversidad en transmisión, se reducen considerablemente los niveles de interferencia experimentados por la red en la etapa inicial, razón por la cual existe un incremento en el radio de la celda y por ende en el alcance de las 3 portadoras. Lo anterior se produce debido a que las condiciones del canal con esta
COMTEL 2012 IV Congreso Internacional de Computación y Telecomunicaciones
253
técnica mejoran haciendo que los requerimientos de CINR por portadora LTE para una determinada distancia sean menores en comparación con un sistema que no implemente diversidad, lo cual exige menos del UE y mejora el desempeño del enlace.
Los valores de la distancia alcanzada por la portadora 64QAM 3/4 mejoraron notablemente ya que la implementación de los esquemas de diversidad mitigan la interferencia y aumentan la cobertura sin necesidad de recurrir a otros métodos como el reúso de frecuencias que sacrifican la cantidad de ancho de banda que utiliza una celda. Al implementar un sistema 4x4, la cobertura por portadora aumenta aún más que al emplear un sistema 2x2. Además, gracias a la técnica de diversidad implementada en este escenario, la fiabilidad y la robustez ante interferencias se incrementa, pero a la vez se deben tener en cuenta los altos costes para su implementación.
6. Conclusiones La implementación de un plan de frecuencias con un factor de reúso igual a 4, reduce notablemente la interferencia sacrificando considerablemente la eficiencia espectral, lo cual hace que la capacidad de la red disminuya considerablemente (1/4 del ancho de banda total). Por lo anterior, esta estrategia no es viable si se quieren lograr las velocidades de transmisión de datos objetivo del estándar LTE.
A pesar de que los esquemas de diversidad en transmisión son importantes para mejorar la cobertura de la red, requieren inversiones más altas y una mayor complejidad en los UE ya que requieren un mayor número de antenas y un mayor procesamiento de las señales.
Por otro lado, de acuerdo con el análisis de la variación de ángulos de inclinación de antena como mecanismo de mitigación de interferencia, se determinó que al utilizar un ángulo de 7° la red móvil LTE para la ciudad de Popayán presenta un mejor equilibrio entre capacidad y cobertura en comparación con los resultados obtenidos para un ángulos de 4° y de 14° sin sacrificar eficiencia espectral y sin incurrir en costes adicionales.
Referencias bibliográficas [I. Forkel, A. Kemper, R. Pabst y R.Hermans, 2011] The Effect of Electrical and Mechanical Antenna Down-tilting in UMTS Networks, Aachen University of Technology.
http://www.autonomic-communication.org/teaching/ais/slides/1112/FoKePaHe_3G2002-TiltEffec%20ts.pdf. [L. Zhang, 2010] Network Capacity, Coverage Estimation and Frequency Planning of 3GPP Long Term Evolution, Linköping University, Linköping, Sweden. http://www.essays.se/essay/ff6e9106ba. [V. Pauli, J.D. Naranjo y E.Seidel, 2010] Heterogeneous LTE Networks and Inter-Cell Interference Coordination, Nomor Research GmbH. http://www.nomor.de/uploads/a4/81/a4815c4dc585be33c81f0ec7a15deed7/2010-12-WhitePaper_LTE_HetNet_ICIC.pdf. [F. Athley y M. Johansson,2010] Impact of Electrical and Mechanical Antenna Tilt on LTE Downlink System Performance. http://es.scribd.com/doc/71590833/Impact-of-Electrical-and-Mechanical-Antenna-Tilt-on-LTE-Downlink-System-Performance. [H. Holma y A. Toskala, 2009] LTE for UMTS OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access, Finlandia: Nokia Siemens Networks. [3GPP, 2010] Base Station (BS) Radio transmission and reception (Release 8), TS36.104 http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36104.htm.
Pablo Esteban Díaz Molina. Estudiante de último semestre del programa de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad del Cauca en Popayán-Cauca, Colombia. Actualmente desarrollando su trabajo de grado titulado “Análisis de Capacidad y Cobertura de una red móvil LTE para la ciudad de Popayán”.
Paula Andrea Urbano Molano. Estudiante de último semestre del programa de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad del Cauca en Popayán-Cauca, Colombia. Actualmente desarrollando su trabajo de grado titulado “Análisis de Capacidad y Cobertura de una red móvil LTE para la ciudad de Popayán”. Víctor M. Quintero F. Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones (1999), especialista en Redes y Servicios Telemáticos (2002), Magister en Electrónica y Telecomunicaciones (2011) de la Universidad del Cauca en Popayán-Cauca, Colombia. Actualmente es profesor titular de la facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la misma Universidad, y es director del Grupo de Radio e Inalámbricas (GRIAL). Área de interés: sistemas de comunicaciones móviles e inalámbricas.