proyectofindegrado grado en ingeniería de las tecnologías de...

Proyecto Fin de GradoGrado en Ingeniería de las Tecnologías deTelecomunicación

Planificación radioeléctrica de una red LTEIntensificación: Sistemas deTelecomunicaciónAutor: Jesús Cáceres Jiménez Director: María José Madero Ayora

Teoría de la Señal y ComunicacionesEscuela Técnica Superior de IngenieríaUniversidad de SevillaSevilla, Junio 2014

Proyecto Fin de GradoGrado en Ingeniería de las Tecnologías de Telecomunicación

Planificación radioeléctrica de una red LTE

Autor:

Jesús Cáceres Jiménez

Director:

María José Madero AyoraProfesora Titular

Teoría de la Señal y ComunicacionesEscuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Junio 2014

Proyecto Fin de Grado: Planificación radioeléctrica de una red LTE

Autor: Jesús Cáceres JiménezDirector: María José Madero Ayora

El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profeso-res:

Presidente:

Vocal/es:

Secretario:

acuerdan otorgarle la calificación de:

El Secretario del Tribunal

Fecha:

Agradecimientos

En primer lugar agradecer a mi tutora y directora de proyecto María José Madero Ayora porofrecerme la posibilidad de realizar este proyecto, por tener siempre la puerta abierta para

atender cualquiera de mis inquietas y repentinas dudas, así como por sus recomendaciones y críti-cas que me sirvieron en todo momento de guía durante la elaboración de esta memoria.

También a todos aquellos profesores de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la US queformaron parte en estos cuatro años de enseñanza. En especial a aquellos pertenecientes al De-partamento de la Teoría de la Señal y Comunicaciones, personas realmente comprometidas consu labor docente como Juan José Murillo Fuentes y que gracias a ellas todo lo aprendido recobrasentido.

Y especialmente a mi familia y amigos, por apoyarme, guiarme y creer incondicionalmente enmí durante todos estos años. A partir de hoy comienza una nueva etapa, llena de ilusión y conganas de seguir aprendiendo, sin ellos, sin duda alguna no hubiera llegado a donde estoy hoy. Sinmás, gracias de corazón.

Jesús Cáceres JiménezSevilla, Junio 2014

I

Resumen

Long Term Evolution (LTE) es una tecnología de comunicación móvil que permite garantizartanto la creciente demanda de transmisión de datos por parte de los usuarios como la calidad

del servicio ofrecido. Para ello, se sirve de un conjunto de funcionalidades pioneras que gestionanlos recursos radio disponibles.

Este proyecto nace de la propuesta de realización de un despliegue de una red LTE en un entornocon alta densidad de población, teniendo lugar la planificación radioeléctrica en la ciudad francesade París. El estudio de diversos parámetros como la potencia transmitida por los elementos de lared o relaciones señal a interferencia determinan el despliegue de la red. Se aplicarán estrategiasde cancelación de interferencia, reutilización de frecuencias o traspaso entre células.

Para su realización, la herramienta clave empleada será ICS Designer, que permite realizar lassimulaciones de la red diseñada y comprobar así si el diseño es adecuado.

Entre los resultados más importantes, cabe destacar que el uso de un valor correcto de tilt mecánicoresulta de vital importancia para el funcionamiento del sistema, pues su optimización desembocaráen la reducción de las interferencias totales presentes en la red.

III

Abstract

Long Term Evolution (LTE) is a mobile communication technology which ensures the high de-mand for user data currently required and the quality of the service. For that, it uses a set of

pioneer capabilities that manage available radio resources.

This project is a proposal made as a deployment of an network LTE conducted in an urban set-ting with high population density, whose radio planning phase takes place in the French city ofParis. The study of parameters such as power transmitted by the network elements or signal-to-interference ratio determines the network deployment. Interference cancellation strategies, fre-quency reuse and handover will be applied.

The key tool to develop the project is ICS Designer, which allows simulations of the designednetwork to check if the design is adequate.

Among the most important outcomes it is highlighted that the correct use of mechanical tilt isof paramount importance to system operation, since its optimization will lead to a reduction in theglobal interference.

V

Introducción

La evolución de los sistemas de telefonía móvil ha sido un proceso que ha visto en pocos añosla introducción de múltiples avances tecnológicos que han permitido que sean cada vez más

las personas que hacen uso de su teléfono móvil como dispositivo indispensable en sus vidas co-tidianas. De manera muy rápida, las comunicaciones inalámbricas han conseguido cambiar porcompleto todos los esquemas y recorrer un camino muy amplio. En la actualidad, la población estáinmersa en la llamada Cuarta Generación de Telefonía Móvil (4G).

Este vertiginoso avance se debe indudablemente a que las redes de telefonía fijas cableadas nohan sido capaces de proporcionar y satisfacer las demandas de movilidad y ubicuidad de los usua-rios. Dicha evolución ha devenido en una mayor importancia de los contenidos y servicios, y lanecesidad de que sean personalizables, de acceso ubicuo, y adaptativos en función de las circuns-tancias. Se ha pasado de ofrecer sólo servicios de voz en un origen, a ofrecer múltiples servicios(voz, datos, etc) de una manera precisa y controlada a través de la definición de multitud de pará-metros Quality of Service (QoS), como velocidad, retardo o fiabilidad, que permiten dar respuestasindividualizadas a las nuevas necesidades de los usuarios.

Prueba de este cambio, ha sido la gran evolución de las redes de telefonía móvil. Debemos re-montarnos a principios de la Segunda Guerra Mundial para encontrar la necesidad de una comuni-cación inalámbrica de gran distancia, fue por eso por lo que la compañía Motorola creó un equipollamado Handie Talkie H12-16 (dispositivo de baja frecuencia para la comunicación entre tropas).A partir de entonces han sido numerosos los cambios vistos en la telefonía celular, pasando derobustos aparatos a dispositivos cada vez más pequeños y minimalistas. En dicha evolución, comoes conocido, se distinguen cuatro generaciones. La primera generación se centró únicamente enlas conversaciones de voz transmitidas de forma analógica, mientras que la segunda generación seconvierte en una tecnología digital que introduce capacidad y cobertura, proporcionando inclusoservicios de datos. La tercera generación es más ambiciosa, y persigue el reto de conseguir mayo-res velocidades para abrir puertas de lo que se conoce como "banda ancha móvil". Por su parte,la cuarta generación (4G) tiene dos objetivos claros: aumentar aún más la velocidad con la que setransmite aumentando para ello la eficiencia espectral, es decir, el número de bits por segundo ypor unidad de frecuencia; y que los usuarios tengan un flujo de datos personalizable y adaptativoen función de sus necesidades o de la tarifa plana que se posean (proporcionar QoS).

El presente proyecto trata sobre Long Term Evolution (LTE), que no es más que el nombre dela línea evolutiva que el 3rd Generation Partnership Project (3GPP) ha dado a los últimos avancesen telefonía móvil. El principal objetivo será la realización de la planificación radioeléctrica de unared de telefonía móvil enmarcada en la provincia de Sevilla que emplea la tecnología LTE. Para

VII

VIII Introducción

ello, en este proyecto se empezará introduciendo y describiendo las principales características dedicha tecnología, para posteriormente en los últimos capítulos pasar a la realización de la red através de la herramienta ICS DESIGNER.

Índice Abreviado

Resumen IIIAbstract VIntroducción VIIÍndice Abreviado IX

1 Planteamiento del problema 11.1 Propuesta y Objetivos 11.2 Justificación 11.3 Limitaciones 11.4 Estructura de la memoria 2

2 Marco Referencial 32.1 Evolución de las comunicaciones móviles 32.2 Sistemas móviles celulares 32.3 Sistemas de Primera Generación (1G) 42.4 Sistemas de Segunda Generación (2G) 42.5 Sistemas móviles 2.5/2.75G 52.6 Sistemas de Tercera Generación (3G) 62.7 Sistemas de Cuarta Generación (4G) 8

3 LTE 113.1 Arquitectura 123.2 Interfaz Radio 14

4 Tecnologías de nivel físico presentes en LTE 194.1 Fundamentos de OFDM 194.2 OFDMA como técnica de acceso múltiple para el enlace ascendente 244.3 SC-FDMA como técnica de acceso múltiple en el enlace descendente 264.4 MIMO 284.5 Capa física 284.6 Gestión de Recursos Radio y del Espectro Radioeléctrico 31

5 Planificación Radio Frecuencial (RF) de redes LTE 375.1 Fase 1: Balance de potencias inicial 385.2 Fase 2: Simulaciones del entorno 385.3 Fase 3: Puesta a Punto y Optimización 385.4 Fase 4: Optimización Post-Despliegue 39

IX

X Índice Abreviado

6 Metodología 416.1 Investigación Teórica 416.2 Aprendizaje de la herramienta ICS Designer 416.3 Planificación y Optimización de la red LTE en ICS Designer 416.4 Evaluación del Rendimiento de la Red 42

7 Desarrollo 437.1 Aprendizaje de la herramienta ICS Designer 437.2 Planificación, optimización y evaluación de la red LTE en ICS Designer 54

8 Conclusiones y Futuras Líneas de Investigación 858.1 Conclusiones 858.2 Líneas futuras 86

A Bandas de frecuencia en LTE 87B Especificaciones técnicas antena eNodeB 89C Estación base y Equipo de Usuario 91

Índice de Figuras 93Índice de Tablas 95Índice Alfabético 99Glosario 99

Índice

Resumen IIIAbstract VIntroducción VIIÍndice Abreviado IX

1 Planteamiento del problema 11.1 Propuesta y Objetivos 11.2 Justificación 11.3 Limitaciones 11.4 Estructura de la memoria 2

2 Marco Referencial 32.1 Evolución de las comunicaciones móviles 32.2 Sistemas móviles celulares 32.3 Sistemas de Primera Generación (1G) 42.4 Sistemas de Segunda Generación (2G) 42.5 Sistemas móviles 2.5/2.75G 52.6 Sistemas de Tercera Generación (3G) 62.7 Sistemas de Cuarta Generación (4G) 8

3 LTE 113.1 Arquitectura 12

3.1.1 Red de acceso E-UTRAN 123.1.2 Red troncal EPC 13

3.2 Interfaz Radio 143.2.1 Protocolos en la interfaz radio 15

4 Tecnologías de nivel físico presentes en LTE 194.1 Fundamentos de OFDM 19

4.1.1 Esquemas de modulación y demodulación 204.1.2 Efecto de la dispersión del canal: concepto del prefijo cíclico 22

4.2 OFDMA como técnica de acceso múltiple para el enlace ascendente 244.2.1 Parámetros de OFDMA empleados por LTE 25

4.3 SC-FDMA como técnica de acceso múltiple en el enlace descendente 264.3.1 Parámetros SC-FDMA empleados por LTE 28

4.4 MIMO 284.5 Capa física 28

XI

XII Índice

4.5.1 Señales y Canales Físicos en el enlace descendente 304.5.2 Señales y Canales Físicos en el enlace ascendente 30

4.6 Gestión de Recursos Radio y del Espectro Radioeléctrico 314.6.1 Control de Admisión Radio 324.6.2 Control de Servicios Portadores Radio 324.6.3 Scheduling de Paquetes y Estrategias 324.6.4 InterCell Interference Coordination (ICIC) 34

5 Planificación Radio Frecuencial (RF) de redes LTE 375.1 Fase 1: Balance de potencias inicial 385.2 Fase 2: Simulaciones del entorno 385.3 Fase 3: Puesta a Punto y Optimización 385.4 Fase 4: Optimización Post-Despliegue 39

6 Metodología 416.1 Investigación Teórica 416.2 Aprendizaje de la herramienta ICS Designer 416.3 Planificación y Optimización de la red LTE en ICS Designer 416.4 Evaluación del Rendimiento de la Red 42

7 Desarrollo 437.1 Aprendizaje de la herramienta ICS Designer 43

7.1.1 Diseño de una red LTE en ICS Designer 437.1.2 Predicciones básicas de cobertura 45

7.2 Planificación, optimización y evaluación de la red LTE en ICS Designer 547.2.1 Parámetros generales 547.2.2 Simulaciones LTE en 800 MHz 55

8 Conclusiones y Futuras Líneas de Investigación 858.1 Conclusiones 858.2 Líneas futuras 86

A Bandas de frecuencia en LTE 87B Especificaciones técnicas antena eNodeB 89C Estación base y Equipo de Usuario 91

Índice de Figuras 93Índice de Tablas 95Índice Alfabético 99Glosario 99

1 Planteamiento del problema

El siguiente capítulo describe la propuesta del siguiente Trabajo de Fin de Grado, la justificacióndel mismo, los objetivos generales y específicos, y las limitaciones encontradas en su proceso derealización.

1.1 Propuesta y Objetivos

En este trabajo se propone llevar a cabo la planificación de una red LTE con la herramienta ICSDESIGNER para también posteriormente estudiar diversos parámetros relacionados con esta tec-nología y compararlos con los esperados según la teoría.

Específicamente se propone realizar un análisis detallado de una red de comunicaciones móvi-les enmarcada en la ciudad de Sevilla. Se realizará un análisis profundo del proceso de gestiónradio para observar el impacto en la obtención de los Throughputs por usuario, por celdas y totalesde la red.

1.2 Justificación

La iniciativa de este proyecto surge de manera personal con el fin de indagar en la última tecnologíade comunicaciones móviles presente en la actualidad y a la propuesta por su parte de María JoséMaderoAyora, profesora del Departamento de la Teoría de la Señal y Comunicaciones de la EscuelaTécnica de Ingeniería de la Universidad de Sevilla.

1.3 Limitaciones

Los estudios realizados se limitarán a las opciones que ICS DESIGNER dispone para modelar unared LTE, en algunos casos se puede decir que los algoritmos empleados por dicha herramienta nocorresponden con lo que puede suceder en la realidad, porque se ven limitados por aspectos queno pueden implementarse en el programa. Por ejemplo, las simulaciones ocurren en un tiempoinstantáneo y no tienen memoria del pasado.

Por otra parte, se hará una estimación de los datos técnicos característicos de los usuarios de lazona donde se desea implantar la red, debido a la imposibilidad de su obtención por el gran valorde estos datos de los operadores de telefonía.

1

2 Capítulo 1. Planteamiento del problema

1.4 Estructura de la memoria

El presente documento se compone de un total de 6 capítulos. Este primer capítulo se utiliza paraplantear el problema y los objetivos generales a alcanzar. Por su parte, el segundo capítulo conten-drá una descripción global de la evolución de las comunicaciones móviles, sirviendo así de puntode partida para situar cronológicamente la tecnología LTE. Posteriormente, se aprovecharan loscapítulos tres y cuatro para comentar detalladamente toda la estructura de la red LTE, haciendoespecialmente hincapié en las tecnologías de nivel físico y acceso radio. Para acabar, los últimoscapítulos servirán para acercar al lector a la herramienta software y realizar la simulación y pre-sentación de los resultados.

2 Marco Referencial

El siguiente capítulo contiene una descripción global de la evolución de las comunicaciones móvi-les desde sus orígenes hasta la cuarta generación de telefonía móvil. Servirá de introducción paraen capítulos posteriores describir la arquitectura y funcionamiento de LTE.

2.1 Evolución de las comunicaciones móviles

La telefonía móvil es hoy en día la tecnología más utilizada en el planeta por encima de Internet,ordenadores personales, telefonía fija y otras tecnologías; estimándose que alrededor del 87% dela población mundial es usuario de telefonía móvil [1]. El rápido avance tecnológico ha permitidocrear dispositivos móviles cada vez más sofisticados. A pesar de que la telefonía celular fue con-cebida estrictamente para la voz, la tecnología celular de hoy día es capaz de brindar otro tipo deservicios, como datos, audio y vídeo. Respecto a la evolución de la telefonía móvil se puede decirque ella ha sido, es y será lo que los usuarios en todo momento demanden, es decir, su evoluciónqueda marcada por las necesidades de estos últimos.

2.2 Sistemas móviles celulares

Para entender correctamente las comunicaciones móviles celulares de la actualidad es importanteestudiar la evolución que éstas han tenido desde la llamada primera generación de telefonía (1G),donde pocos usuarios gozaban del privilegio de tener teléfono móvil, hasta llegar a la actual y pre-sente cuarta generación (4G), todo ello pasando por la segunda y tercera generación (2G y 3G)donde más de 3/4 partes de la población mundial se ve involucrada. Todo esto es fundamental paracomprender como entendemos actualmente la telefonía móvil y el porqué de la necesidad del es-tándar LTE [2].

Cabe destacar que las comunicaciones móviles celulares no fueron las primeras comunicacionesmóviles en aparecer, puesto que a partir de mediados del siglo XX surgieron sistemas de comu-nicaciones móviles tanto en América como Europa. A diferencia, estos últimos carecían de unagran movilidad y capacidad, por ello no se consideran pertenecientes a la familia de los sistemasmóviles celulares.

El concepto celular nace en 1947 de la mano de D.H. Ring en los famosos laboratorios Bell. Estese centró en diseñar un sistema celular dividiendo una superficie extensa en pequeñas áreas quedescribían un área hexagonal, denominadas celdas, donde en cada una de estas celdas se ubicabaun transmisor de baja potencia. También se tenía en cuenta la gestión de frecuencias o por ejemploun handover o traspaso automático que permitiera la continuidad de una comunicación. A pesar de

3

4 Capítulo 2. Marco Referencial

esto, no se puso en marcha hasta 30 años después debido a la imposibilidad de implementar dichossistemas con la tecnología presente en aquellas fechas.

2.3 Sistemas de Primera Generación (1G)

En los sistemas móviles de primera generación se puso en marcha el concepto de celular. Dichossistemas se caracterizaban por realizar la transmisión analógica de la señal y proporcionar serviciossólo de voz. Basaban su funcionamiento en la técnica Frequency Division Multiple Access (FD-MA), lo que hacía a estos sistemas limitados en relación al número de usuarios a los que podían darservicio. Todos estos sistemas utilizaban la técnica Frequency Duplex Division (FDD) definiendodistintas bandas para el enlace ascendente y descendente, que generalmente se situaban en tornoa los 450 MHz [3]. Se utilizaba modulación FM para la voz y dividían el espectro disponible encanales que se repartían entre los distintos transmisores evitando asignar la misma frecuencia a dostransmisores vecinos. Además, se utilizaba conmutación de circuitos con la que para cada llamadase asignaba un canal dedicado para el enlace todo el tiempo.

El primer sistema móvil comercial de esta generación fue desarrollado por la Nipon Telegraphand Telephone (NTT) en 1979 en el país de Japón. Poco después, en 1981, apareció el primer siste-mamóvil mundial de primera generación, el NordicMobile Telephony (NMT), que fue introducidoen países como Dinamarca o Noruega utilizando la banda de los 450 MHz. Además de éstos, des-tacan sistemas como el Advanced Mobile Phone Service (AMPS) en Estados Unidos, Total AccessCommunications System (TACS) en Reino Unido, Radiocom 2000 en Alemania, C-Netz en Ale-mania y RTMI/RTMS en Italia [4].

Sin embargo, a pesar de que todos ellos tenían las características comentadas anteriormente y se ba-saban en los mismos principios de funcionamiento, no eran compatibles entre ellos, lo que suponíaun gran inconveniente para los usuarios.

2.4 Sistemas de Segunda Generación (2G)

Debido a las incompatibilidades entre los sistemas existentes por la época y a las predicciones desaturación del espectro radioeléctrico, en Europa se empezó a investigar con el fin de desarrollarun único sistema global de telefonía móvil que permitiera movilidad entre diferentes países. Todasestas investigaciones tuvieron éxito gracias a los numerosos avances tecnológicos que tuvieron lu-gar durante los años 80.

Por su parte, la Conference of European Postal and Telecommunications (CEPT) creó en 1982el estándar llamado Global System for Mobile Communications (GSM), convirtiéndose en el pri-mer sistema de telefonía móvil europeo con tecnología digital que podía ofrecer un servicio debuena calidad y eficiencia espectral, sin olvidar la compatibilidad entre países. Tal fue el éxito queen 1989 la recién creada European Telecommunications Standards Institute (ETSI) continuó conlos avances del proyecto consiguiendo en 1992 el lanzamiento comercial del sistema.

Sin duda alguna, se puede decir que la característica más importante de la segunda generaciónfue que los sistemas pasaron de ser analógicos a digitales, lo que permitía numerosas ventajas co-mo mayor robustez a interferencias o una mejor utilización del espectro. Como era predecible ygracias a la tecnología emergente de la última década del siglo XX, los terminales bajaron su costecomercial y su tamaño, y de una manera rápida se introdujeron en la mayoría de la sociedad. Porotra parte, todas las técnicas de procesado digital de la información como las primeras modulacio-

2.5 Sistemas móviles 2.5/2.75G 5

Figura 2.1 Arquitectura de la red GSM.

nes digitales, codificación de fuente o la codificación de canal, se tradujeron en severas mejoras enel sistema, en aspectos como la velocidad, la calidad, o la aparición de nuevos servicios como elbuzón de voz, identificador de llamadas o los mensajes de texto [5].

El sistema GSM se caracterizó por utilizar la técnica de FDD en la banda de 900 MHz, operandoinicialmente a frecuencias de 890-915 MHz en el enlace ascendente y 935-960 MHz en el enlacedescendente. Respecto al acceso múltiple, se emplea tanto división por tiempo como por frecuen-cia, es decir, se utiliza FDMA con el objetivo de dividir todo el espectro disponible de 25 MHzen 124 canales con un ancho de 200 kHz. Además, cada canal se divide en 8 ranuras temporales oslots empleando la técnica Time Division Multiple Access (TDMA). Tal fue su auge que surgieronvariantes del sistema operando a frecuencias superiores, de las más importantes son DSC-1800 yPCS-1900, también conocidas como GSM-1800 y GSM-1900 [6].

El éxito de GSM se extendió muy rápidamente por todos los países del mundo, y con la apari-ción de los conocidos teléfonos tribanda, que operaban en las frecuencias de 900, 1800, y 1900MHz, se hizo posible el empleo del conocido roaming internacional. A pesar del éxito de GSM yde ser el estándar de referencia de los sistemas de segunda generación, aparecieron otros sistemascomo IS-54, IS-136 e IS-95 en Estados Unidos o el sistema Personal Digital Cellular (PDC) enJapón [7]. Aunque éstos compartían la mayoría de las características con GSM, existían diferen-cias sobre todo en el uso de la frecuencia o en las técnicas de acceso múltiple. Como ejemplo deesto último, el sistema IS-95 introducido en 1993 en Estados Unidos, fue un sistema que basó sufuncionamiento en Code Division Multiple Access (CDMA), tecnología de acceso que provienede usos militares y que posteriormente se empleó en los sistemas de tercera generación [8].

2.5 Sistemas móviles 2.5/2.75G

A pesar del indudable éxito de los sistemas de segunda generación y de los avances aportados comola digitalización, desde el punto de vista funcional seguían siendo utilizados principalmente paravoz. Todas las versiones primeras de los sistemas de segunda generación estaban orientados a con-mutación en modo circuito, lo que permitía soportar sólo en algunas ocasiones servicios de datos


Figura 2.2 Arquitectura de la red GPRS.

a muy baja velocidad (en torno a 10 Kbps). Para alcanzar mayor velocidad y satisfacer las futurasnecesidades de los usuarios empezaron a desarrollarse y evolucionar los sistemas presentes por en-tonces, para dar lugar a lo bautizado como sistemas 2.5 G y sistemas 2.75 G [10]. Algunas de lastecnologías que surgieron como evolución de GSM fueron el sistema High-Speed Circuit-SwitchedData (HSCSD), General Packet Radio Services (GPRS) y Enhanced Data Rates for Global Evo-lution (EDGE), todos ellos desarrollados por la ETSI. Además, el sistema IS-95 es llamado 2.5Gcuando implementó IS-95B o CDMA2000 1XRTT.

El sistema HSCSD fue implementado por la ETSI a comienzos de 1997 con el objetivo de emplearmás de un intervalo de tiempo (time slot) por usuario de forma paralela para la transmisión de datosy conseguir así velocidades de hasta 57.6 Kbps. Este sistema funcionó muy bien para aplicacionesen tiempo real pero seguía empleando conmutación de circuitos, lo que disminuía drásticamente laeficiencia debido a que se existían recursos dedicados para los usuarios. Posteriormente, aparecióla conmutación de paquetes de la mano del sistema GPRS, cuya principal novedad fue la apariciónde la codificación adaptativa dependiendo de la calidad del enlace, el tipo de terminal y el tráfi-co de la celda. El coste de implementación siguió siendo bajo debido a las pocas modificacioneshardware en la estructura de la red y consiguió mejoras considerables en la velocidad (hasta 171.2Kbps utilizando varios intervalos de tiempo por conexión) [7].

Como mejora a GSM/GPRS surgió el sistema EDGE. Así como la tecnología GPRS complementóa GSM con la adición de una codificación adaptativa, EDGE complementa a GPRS introduciendola modulación adaptativa. En este sentido, además de la modulación GMSK empleada en GSMy GPRS, EDGE introduce la modulación 8PSK que permite triplicar la tasa de datos (hasta 384kbps) a cambio de una menor área de cobertura [11].

2.6 Sistemas de Tercera Generación (3G)

Los sistemas de tercera generación son creados para proveer compatibilidad entre una amplia va-riedad de servicios como la telefonía, localización, mensajería, Internet y transmisión de datos debanda ancha. Los sistemas de segunda generación marcaron un éxito en la historia de las comu-

2.6 Sistemas de Tercera Generación (3G) 7

nicaciones móviles pero las crecientes demandas de tráfico de datos y las expectativas de nuevosservicios multimedia se hacían insuficientes para los sistemas 2G y 2.5G. Por ello la InternationalTelecommunications Union (ITU) empezó el desarrollo de un sistema de tercera generación lla-mado International Mobile Telecommunications (IMT-2000), que posteriormente pasó a ser unafamilia de sistemas 3G en vista de no poder englobar los intereses de todos los países en un únicosistema. En este sentido, la familia IMT-2000 abarca el sistema europeoUniversalMobile Telecom-munications System (UMTS) y el norteamericano CDMA 2000 [7]. Dichos sistemas se marcarontasas objetivos de hasta 2 Mbps. La primera publicación del sistema UMTS estuvo disponible

Figura 2.3 Arquitectura de la red UMTS.

en 1999 conocida como Release 99, siendo desarrollada por el 3GPP. Podía operar de dos mo-dos diferentes: el modo FDD empleando la técnica de acceso Wideband CDMA (W-CDMA), y elmodo Time Duplex Division (TDD) empleando la técnica de acceso Time Division CDMA (TD-CDMA). Dicho sistema soportaba velocidades de transmisión de datos de hasta 144 kbps sobrevehículos a gran velocidad, 384 kbps en espacios abiertos y 7.2 Mbps con baja movilidad (interiorde edificios). Muy pronto se producirían mejoras con la aparición de High-Speed Packet Access(HSPA); a través de la Release 5 con la definición de High-Speed Downlink Packet Access (HSD-PA), y Release 6 con High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA). HSPA mejora los servicios depaquetes de datos introduciendo mayores velocidades y menores retardos, manteniendo al mismotiempo una buena cobertura y una gran capacidad del sistema. Alcanza velocidades de hasta 14.4Mbps en HSDPA y 5.7 Mbps en HSUPA [12]. Cabe destacar que introduce mecanismos como elcontrol de potencia rápido con nuevos esquemas de modulación mayores.

Por otro lado y siguiendo con la evolución hacia los sistemas de tercera generación, estaba el siste-ma desarrollado por el 3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2) llamado CDMA2000 comoevolución del sistema IS-95, sistema similar al presente en la Unión Europea. Era capaz de sercompatible con sus sistemas predecesores como ocurría con los estándares desarrollados por el3GPP.


2.7 Sistemas de Cuarta Generación (4G)

La creciente demanda de tráfico de datos por parte de los usuarios y la capacidad de la tecnología deproveer dispositivos cada vez más aptos para ofrecer nuevas y novedosas aplicaciones con mayorescapacidades para imágenes, vídeos, y otras aplicaciones multimedia, desembocó en la necesidadde crear una nueva generación de sistemas de comunicaciones móviles. Al igual que en otras ge-neraciones, la ITU creó un comité para definir la nueva generación de telefonía móvil, la 4G. Fueel llamado como IMT-Advanced y en él se definen los requisitos mínimos para que un estándar seaconsiderado como perteneciente a dicha generación. Algunos de los requisitos consisten en una redbasada en conmutación de paquetes con una arquitectura plana basada en el protocolo Internet Pro-tocol (IP), velocidades de transferencia de datos mayores a 100 Mbps para altas movilidades y de1 Gbps para entornos relativamente fijos, canalizaciones flexibles o menores tiempos de latencia,entre otros [14].

Figura 2.4 Líneas evolutivas de las distintas asociaciones.

Diferentes fueron los organismos que empezaron su camino a desarrollar estándares de comuni-cación que cumplieran con los requisitos planteados por el IMT-Advanced. Por su parte, el 3GPPempezó a finales de 2004 la primera especificación del sistema LTE que evolucionaría y daría lu-gar posteriormente en 2008 a LTE-Advanced, como consecuencia de que el primer estándar noreunía los requisitos para alcanzar los objetivos impuestos por el IMT-Advanced. Por otro lado,de la mano del IEEE apareció la conocida familia Worldwide Interoperability for Microwave Ac-cess (WiMax) o 802.16. Entre ellas, la norma 802.16m (WirelessMAN-Advanced) aprobada por laITU Radiocommunication Sector (ITU-R) como una tecnología IMT-Advanced se postuló en uncamino paralelo de gran competencia a los estándares comentados anteriormente. Por último, la3GPP2 comenzó el desarrollo también de un sistema denominado Ultra Mobile Broadband (UMB)como una natural evolución del estándar CDMA2000 con las intenciones futuras de convertirse en

2.7 Sistemas de Cuarta Generación (4G) 9

un sistema de 4G. El proyecto no tuvo suficiente éxito y dicho comité lo dejó para pasar a apoyara LTE [15].

Para terminar, atendiendo al documento [13] acerca de las tecnologías consideradas IMT-Advanced,concluimos que sólo LTE-Advanced y WirelessMAN-Advanced pueden ser considerados técnica-mente estándares 4G, aunque existen ciertos comentarios que permiten aplicar el concepto 4G a lastecnologías como LTE yWiMax que evolucionaron del sistema 3G por proporcionar un importantenivel de mejora respecto a los sistemas iniciales 3G.

En este capítulo se ha estado hablando de las diferentes líneas evolutivas y de sus principales carac-terísticas, a partir de ahora se intentará abarcar con una mayor profundidad el sistema LTE, sistemasobre el cual se basa el presente proyecto.

3 LTE

En el caso del sistema LTE, como sabemos las especificaciones emanan del 3GPP, que nació en1998 con el objetivo de especificar 3G. Fue diseñado con la idea de incrementar en gran medidalas capacidades que ofrecían hasta entonces los sistemas de comunicaciones móviles anteriores.El gran desarrollo de la tecnología se produce en diciembre de 2004 cuando se creó el conocidoStudy Item “Evolved UTRA and UTRAN” con el que se define una nueva arquitectura radio a par-tir de las anteriores (UTRA y UTRAN) y se produce la evolución hacia una tecnología de accesode elevada velocidad de transmisión o baja latencia entre otras características. Dicho acceso radioestá basado en un esquemaOFDMA en el enlace descendente y SC-FDMA en el enlace ascendente.

Toda la red pasaría a estar basada en conmutación de paquetes dejando atrás por fin la conmu-tación de circuitos. En este sentido y como hemos comentado en apartados anteriores, el protocoloIP es el encargado de proporcionar dicha conmutación de paquetes y de ofrecer todos los servicios,incluso el de voz. Por su parte, las velocidades de transmisión de pico superan notablemente lasofrecidas por los sistemas de tercera generación, alcanzando 100 Mbps en el enlace descendnetey 50 Mbps en el enlace ascendente. Todo ello, proporcionando una perfecta compatibilidad consistemas antecesores. Estos requerimientos, en resumen, son:

• Reducción de los retardos de transmisión: Retardos en establecimiento de conexión y laten-cia.

• Incrementar la tasa de datos de los usuarios: La velocidad de datos objetivo es de 100 Mbpsen el DL y 50 Mbps en el UL, en un ancho de banda de 20 MHz.

• Ancho de banda escalable: Deben soportarse anchos de banda de 20, 15, 10, 5, 3 y 1.4 MHz.• Posibilidad de uso de banda pareada (modo FDD) y no pareada (TDD).• Mejorar la tasa de datos de los usuarios en el límite de la celda, más afectados por las inter-ferencias.

• Reducir el coste por bit, implicando una mejora de la eficiencia espectral.• Arquitectura de red simplificada.• Consumo de potencia razonable por parte del terminal móvil.• Mejora de la cobertura.• Calidad de servicio: Se ha de garantizar calidad de servicio extremo a extremo. El serviciode Voz sobre IP (VoIP) debe soportarse con las mismas prestaciones con las que se ofreceun servicio de voz para conmutación de circuitos.

11

12 Capítulo 3. LTE

3.1 Arquitectura

Atendiendo a la arquitectura general de los sistemas desarrollados por el 3GPP, en la Figura 3.1se muestra de manera simplificada la arquitectura completa del sistema LTE, denominado formal-mente como Evolved Packet System (EPS). Dicha arquitectura se diseñó a base de tres requisitosfundamentales: conmutación de paquetes únicamente, baja latencia y costos reducidos. Para lograrlos objetivos, se planteó una arquitectura plana sin ningún nivel de jerarquización con la menorcantidad de nodos e interfaces. Los componentes fundamentales del sistema LTE son la nueva redacceso, E-UTRAN, y el nuevo dominio de paquetes Evolved Packet Core (EPC). Por otro lado, seencuentra la evolución del subsistema IP Multimedia Subsystem (IMS) nacido inicialmente en elcontexto de los sistemas UMTS.

Figura 3.1 Arquitectura del sistema LTE.

En dicha figura también se muestran las principales interfaces de E-UTRAN y EPC. La interfazentre E-UTRAN y EPC se denomina S1 y proporciona a la EPC los mecanismos necesarios paragestionar el acceso de los terminales móviles a través de E-UTRAN. Por su parte, la interfaz entrelos equipos de usuarios y E-UTRAN se denomina E-UTRAN Uu. Por otro lado, se encuentra lainterfaz SGi que proporciona la conexión a plataformas de servicio IMS y acceso a otras redes(e.g., Internet).

3.1.1 Red de acceso E-UTRAN

La arquitectura de la red de acceso se compone de una única entidad de red o elemento de redllamado Evolved NodeB (eNB) que constituye la estación base E-UTRAN. Así pues, la estaciónbase E-UTRAN integra toda la funcionalidad de la red de acceso, a diferencia de otras redes deacceso como la de GSM y UMTS compuestas por estaciones bases y controladoras (BTS y BSCen GSM, NodeB y RNC en UMTS). Tal y como muestra la Figura 3.2, la red de acceso E-UTRANestá formada por eNBs y los equipos de usuarios.

3.1 Arquitectura 13

Figura 3.2 Red de acceso E-UTRAN.

Como se ha comentado anteriormente, el eNB integra todas las funciones de la red de acceso. Porello, en él terminarán todos los protocolos específicos de la interfaz radio. Mediante estos protoco-los, el eNB realiza la transmisión de los paquetes IP hacia/desde los equipos de usuario junto conlos mensajes de señalización necesarios para la comunicación. El servicio de transferencia de pa-quetes IP entre un eNB y un equipo de usuario se denomina servicio portador radio o Radio Bearer(RB). El eNB mantiene un contexto de cada uno de los equipos de usuario que tiene conectados.En dicho contexto almacena la información necesaria para mantener los servicios de E-UTRANactivos (información sobre el estado del equipo de usuario, servicios portadores activos, informa-ción de seguridad, capacidades del terminal, etc.).

Los eNBs soportarán funciones de control de admisión de los servicios portadores radio, controlde movilidad, asignación dinámica de los recursos radio disponibles tanto en el enlace ascendentecomo en el descendente (scheduling), control de interferencias entre estaciones bases, etc. Además,cabe destacar que un eNB puede enviar/recibir paquetes IP de los usuarios a los que sirve a travésde diferentes pasarelas S-GW de la red troncal EPC. Ello conlleva que el eNB albergue funcionesde encaminamiento del tráfico de los usuarios hacia la pasarela de red S-GW correspondiente [14].

Para llevar a cabo todas las funciones mencionadas, los eNBs están interconectados a los equi-pos de usuario (UE) mediante la interfaz Uu donde aplican los protocolos Access Stratum (AS).Asimismo, la interfaz que conecta a los eNBs entre sí es denominada X2, y la interfaz que conectaun eNB a la red troncal EPC es denominada S1, que a su vez se divide en S1-MME para el planode control y S1-U para el plano de usuario [15].

3.1.2 Red troncal EPC

La red troncal de LTE es la responsable de proporcionar un servicio de conectividad IP para permi-tir el acceso a las distintas redes externas y plataformas de servicios como IMS y a la vez controlarel establecimiento de los Bearers o portadores. Los elementos principales del EPC son: el Mobi-lity Management Entity (MME), el Serving Gateway (S-GW) y el Packet Data Network Gateway

14 Capítulo 3. LTE

(P-GW), pero además de estas entidades se encuentran también el Home Subscriber Server (HSS)y el Policy Control and Charging Rules Function (PCRF).

La entidadMME constituye el elemento principal del plano de control de la red LTE. Dicha entidades la encargada de gestionar el acceso de los terminales. Realiza entre otras las funciones de auten-ticación y autorización, gestión de los servicios portadores EPS o gestión de movilidad de usuarios.Además, en este elemento terminarán los conocidos protocolos Non Access Stratum (NAS). Losprotocolos NAS fluyen entre el equipo de usuario y la entidad MME que tenga asignada. A travésde ellos se soportan los procedimientos relacionados con las funciones de control de acceso a lared LTE, la gestión de las conexiones a redes externas o el establecimiento de servicios portadoresEPS [14].

Por otro lado, las funciones asociadas al plano de usuario se concentran en el S-GW y el P-GW,quienes además se encargan de servir de anclaje para la gestión de movilidad entre LTE y redes3GPP y no 3GPP respectivamente. El Home Location Register (HLR) es la base de datos principalque contiene la información de los subscriptores tales como los perfiles de QoS, las restriccionesde roaming, información permanente y dinámica del usuario, etc. Por su lado, el PCRF se encargade controlar los servicios portadores que ofrece la red LTE y de los mecanismos de tarificación[15].

3.2 Interfaz Radio

La interfaz radio es la encargada de soportar los siguientes mecanismos de transferencia de la infor-mación en el canal radio: difusión de señalización de control, envío de paquetes IP y transferenciade señalización de control dedicada entre un equipo de usuario y el eNB. Dichos mecanismosquedan reflejados en la siguiente figura [15].

Figura 3.3 Ilustración de los mecanismos de transferencia de información en la interfaz radio.

• Difusión (broadcast) de señalización de control en la zona de cobertura de la celda. El obje-tivo de dicha información es que los equipos de usuario puedan detectar la presencia del eNBy conocer sus parámetros básicos de operación (e.g., potencia máxima que pueden utilizarlos equipos de usuario en la celda) así como la identidad de los operadores a los que se puedeaccederse a través del eNB. También sirve para realizar función de aviso o paging, con la

3.2 Interfaz Radio 15

que se fuerza que un equipo de usuario que no tenga una conexión de control establecidainicie un acceso a la red.

• Transferencia de paquetes IP de los usuarios a través del canal radio. Como se comentó ante-riormente, los servicios de transferencia entre un eNB y un equipo de usuario se denominanRB y están diseñados para soportar exclusivamente tráfico IP. De cara a la optimización delenvío de tráfico IP a través de la interfaz radio, los servicios portadores albergan funcionescomo la compresión de cabeceras de los paquetes IP.

• Transferencia de señalización de control dedicada entre el eNB y un equipo de usuario. Elestablecimiento de una conexión de control dedicada resulta imprescindible de cara a po-der gestionar el uso de los servicios portadores así como para realizar cualquier gestión deseñalización con la red troncal (e.g., registro del terminal radio). La conexión de control sellevará a cabo mediante el protocolo Radio Resource Control (RRC). Con este protocolo ade-más de gestionarse el establecimiento o liberación de servicios portadores, se controlan losconocidos mecanismos de movilidad handover que permiten que un equipo de usuario cam-bie de celda manteniendo activos tanto la conexión de control como los posibles serviciosportadores radio que esté utilizando. Los terminales que mantienen una conexión de controlcon E-UTRAN se dice que se encuentran en modo conectado o activo, en contraposición aldenominado modo idle en el que el terminal no tiene una conexión RRC y básicamente seencuentra monitorizando la información de control difundida por la red.

Respecto al envío de paquetes de usuario, cada servicio portador tendrá asociado un perfil de QoSque deberá satisfacerse mediante la correcta configuración de los protocolos radio así como laadecuada operación de los mecanismos de gestión de recursos radio (e.g., scheduling). Además,cabe destacar que dichos paquetes enviados por la interfaz radio son protegidos mediante funcionesde cifrado que proporcionan confidencialidad e integridad.

3.2.1 Protocolos en la interfaz radio

La arquitectura de protocolos radio de la red de nueva generación está basada en el modelo dereferencia OSI. La principal propiedad de este modelo de referencia es su fácil comprensión y elsoporte de una amplia gama de servicios. El envío de paquetes IP entre el eNB y un equipo deusuario a través de la interfaz radio se sustenta en una capa de enlace (o capa de nivel 2) y una capafísica. La capa de enlace se desglosa a su vez en tres subcapas: Packet Data Convergence Protocol(PDCP), Radio Link Control (RLC) y Medium Access Control (MAC). Además atendiendo a laFigura 3.4 la arquitectura se subdivide a su vez en plano de usuario (U) y plano de control (C).El plano de usuario se encarga de todos los protocolos que son responsables de la transferencia dedatos de usuario y el plano de control se encarga de controlar las transferencias de datos en la redy las conexiones de los equipos de usuario con la red de acceso. A continuación se describen lasprincipales características de las diferentes capas/subcapas [15]:

• Packet Data Convergence Protocol (PDCP). Constituye la capa superior de la torre de proto-colos encargada de proporcionar el punto de acceso al servicio portador radio (Radio Bearer(RB)). Es decir, los paquetes IP del tráfico de usuario se entregan y reciben a través del servi-cio de transferencia proporcionado por la capa PDCP. Las funciones principales de esta capason la compresión de cabeceras de los paquetes IP y el cifrado de la información para garan-tizar su confidencialidad e integridad. La cabecera añadida por la capa PDCP básicamentecontiene un número de secuencia que identifica al paquete IP enviado y permite realizaruna entrega ordenada de los paquetes IP en el extremo receptor así como detectar posiblesduplicados de los paquetes IP (ocasionados por ejemplo en un proceso de handover). Cadaservicio portador radio tiene una entidad PDCP asociada.

16 Capítulo 3. LTE

Figura 3.4 Protocolos de la interfaz radio de E-UTRAN.

• Radio Link Control (RLC). La capa RLC permite enviar de forma fiable los paquetes PDCPentre el eNB y equipo de usuario. Para ello, la capa RLC soporta funciones de corrección deerrores mediante mecanismos Automatic Repeat ReQuest (ARQ), concatenación, segmen-tación y re-ensamblado, entrega ordenada de paquetes PDCP a capas superiores (exceptodurante el mecanismo de handover), detección de duplicados y detección/recuperación deerrores en el protocolo. Cada servicio portador radio tiene una entidad RLC asociada.

• Medium Access Control (MAC). Es la capa encargada de controlar el acceso al canal radio.Para ello, la capa MAC soporta funciones de scheduling dinámico entre equipos de usuarioatendiendo a prioridades, multiplexa los paquetes de diferentes servicios portadores radioen los canales de transporte ofrecidos por la capa física (un canal de transporte puede sercompartido por varios servicios portadores de uno o varios equipos de usuario) y realiza uncontrol de errores mediante Hybrid ARQ (ARQ). Los servicios de transferencia que la capaMAC ofrece a la capa RLC se denominan canales lógicos. Existe una única entidad MACpor celda.

• Capa física. Es la encargada de realizar la transmisión propiamente dicha a través del ca-nal radio. Alberga funciones de codificación de canal, modulación, procesado asociado a lastécnicas de múltiples antenas de transmisión/recepción, y mapeo de la señal a los recursosfísicos frecuencia-tiempo apropiados. En el enlace ascendente, el esquema de transmisión sebasa en un esquema single-carrier FDMA. En el enlace descendente, el esquema de trans-misión es Orthogonal FDMA (OFDMA). Los servicios de transferencia que la capa físicaofrece a la capa MAC se denominan canales de transporte. Existe una única entidad de capafísica por celda.

Para el plano de control los protocolos de la capa de enlace serán los mismos que para el plano deusuario. Para la capa de red los protocolos específicos son:

• Radio Resource Control (RRC). Esta capa permite establecer una conexión de control entreel eNB y un equipo de usuario a través de la cual se llevan a cabo un número importantede funciones relacionadas con la gestión de la operativa de la interfaz radio. Entre dichasfunciones de la capa RRC destacan los mecanismos de gestión de los servicios portadores

3.2 Interfaz Radio 17

radio (e.g., señalización para el establecimiento, liberación y modificación de los portado-res radio), el soporte de funciones de movilidad (e.g., señalización de handover), la difusión(broadcast) de parámetros de sistema y funciones de aviso de los terminales que no disponende una conexión RRC establecida (e.g., envío de avisos a través del canal de paging). El ser-vicio de transferencia que ofrece la capa PDCP para el envío de los mensajes de señalizacióndel protocolo RRC se denomina servicio portador de señalización (Signalling Radio Bearer(SRB)).

• Señalización de los protocolos NAS. Los protocolos NAS se extienden entre la entidad de redMME en la red troncal y el equipo de usuario. Los mensajes de estos protocolos se transpor-tan de forma transparente en la interfaz radio encapsulados dentro de la parte de datos de losmensajes RRC. Las principales funciones de los protocolos NAS son: autenticación, autori-zación, gestión de movilidad de los terminales que no tienen una conexión RRC estableciday gestión de los servicios portadores de la red EPS.

4 Tecnologías de nivel físico presentes enLTE

Una de las principales características que poseen los sistemas de última generación, como LTE,es la tecnología que implementan a nivel físico, ya que permite utilizar de forma más eficiente losrecursos radio disponibles en comparación a los sistemas previos. LTE utiliza las técnicas de accesomúltiple OFDMA y SC-FDMA para los enlaces descendente (downlink) y ascendente (uplink)respectivamente, ambas basadas en la técnica de transmisión OFDM.

4.1 Fundamentos de OFDM

En este capítulo analizaremos la técnica de transmisión multiportadora Orthogonal Frequency Di-vision Multiplex (OFDM) que es hoy día una de las tecnologías presentes en capas físicas másutilizadas. OFDM ha tenido gran aceptación en el ámbito de las comunicaciones inalámbricas debanda ancha y, además de estar presente en LTE aparece en estándares como el IEE 802.16 o elIEE 802.11 (popularmente conocido comoWiFi). También aparece en estándares de radiodifusiónde televisión digital terrestre (DVB-T) y de radio digital (DRM y DAB).

Su éxito se basa en que la selectividad en frecuencia es una característica que no sólo dependedel canal sino también del ancho de banda de la señal transmitida. La idea fundamental de OFDMconsiste en disminuir el ancho de banda con que se transmite una señal con el fin de que el efectode la selectividad en frecuencia le afecte lo menos posible, disminuyendo en gran medida la inter-ferencia entre símbolos en el receptor (Intersymbol Interference (ISI)).

La técnica de transmisión OFDM constituye un mecanismo de transmisión multi-portadora consis-tente en multiplexar un conjunto de símbolos sobre un conjunto de subportadoras (K) ortogonalesentre sí [15]. Gracias a las propiedades de ortogonalidad de dichas subportadoras, es posible efec-tuar la transmisión simultánea de todos los símbolos manteniendo la capacidad de separación delos mismos en recepción. Es decir, el flujo total de información, de tasa Rs, se divide en K subflujosde tasa Rs/K que modularán a cada una de las subportadoras, descomponiendo así el canal originalde banda ancha y selectivo en frecuencia, en K subcanales de banda estrecha y con respuesta enfrecuencia plana.

La Figura 4.1 muestra un ejemplo con el módulo de los espectros correspondientes a un conjuntode 6 subportadoras OFDM. Obsérvese en la figura que para cada frecuencia múltiplo de 1/TS úni-camente existe contribución espectral de una de las subportadoras, mientras que el resto presentannulos.

19

20 Capítulo 4. Tecnologías de nivel físico presentes en LTE

Figura 4.1 Ejemplo del espectro correspondiente a 6 subportadoras OFDM.

4.1.1 Esquemas de modulación y demodulación

Con objeto de estudiar el principio de modulación de una señal mediante OFDM, se consideraráque se dispone de un conjunto de K símbolos complejos d0, d1...,dK−1 que se desean transmitir si-multáneamente, siendo TS el período de símbolo. Cada uno de dichos símbolos se modula medianteuna de las subportadoras anteriormente comentadas. Atendiendo a todo esto, la señal resultante delproceso en banda base vendrá dada por:

s(t) =K−1

∑k=0

dke j2πk∆ f trectTS(t). (4.1)

Como hemos comentado dicha señal corresponde a la señal modulada en banda base. Habitual-mente los sistemas de telecomunicaciones trabajan con la señal original trasladada a una frecuenciaportadora f0. En consecuencia, la frecuencia de las subportadoras finalmente transmitidas pasa aser f0 + k∆ f , 0 ≤ k ≤ K −1. Por tanto, la señal queda descrita por la siguiente ecuación:

r(t) =K−1

∑k=0

dke j2π( f0+k∆ f )trectTS(t). (4.2)

En el proceso de recepción, se efectúa la traslación espectral de la señal a banda base. Puestoque tenemos K subportadoras, tendremos también K ramas diferente en nuestro receptor, cadauna formada por una multiplicación compleja por la correspondiente subportadora seguida de unaintegración en el período de símbolo tal como muestra la Figura 4.3. Si se analiza en concreto larama k-ésima se obtiene que:

d̃k =K−1

∑k=0

dm1TS

∫ Ts

0e j2π(m−k)∆ f tdt = dk. (4.3)

4.1 Fundamentos de OFDM 21

Figura 4.2 Modulación OFDM de un conjunto de símbolos.

Figura 4.3 Demodulación OFDM.

Si bien los esquemas presentados hasta ahora han resultado de utilidad para explicar el principiode funcionamiento de la modulación y demodulación OFDM, en la implementación práctica nose realiza la modulación y demodulación siguiendo estos esquemas, debido entre otras cosas a sualta complejidad. En cambio, es habitual realizar la implementación práctica de los moduladores ydemoduladores mediante técnicas basadas en la transformada discreta de Fourier (Discrete FourierTransform (DFT)).

Dada una señal y(t) muestreada en el dominio temporal con N muestras y(n),n = 0,...,N − 1,su DFT y su transformada inversa de Fourier (Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT)) vienen


dadas por la Ecuación 4.4 y Ecuación 4.5 respectivamente [15].

Y (k) =N−1

∑n=0

y(n)ej2π

N kn k = 0,1,...,N −1. (4.4)

y(n) =1N

N−1

∑k=0

Y (K)ej2π

N kn n = 0,1,...,N −1. (4.5)

Por otro lado, si analizamos la expresión de la señal modulada OFDM y la muestreamos con fre-cuencia de muestreo fm = N∆ f y período Tm = 1/N∆ f = Ts/N (esto es, tomamos N muestras dela señal en cada período de símbolo TS), obtenemos:

s(n) =K−1

∑k=0

dke j2πk∆ f nTmrectTS(nTm). (4.6)

siendo la secuencia S(k) una versión extendida de dk construida como S(k) para 0≤ k <K y S(k) =0 para K ≤ k < N. Por lo tanto, se comprueba como a pesar del factor multiplicativo constante(1/N), las muestras de la señal modulada s(n) no son más que la IDFT de la secuencia S(k) quecontiene en lasK primerasmuestras los símbolos amodular y ceros en lasN−K muestras restantes.En cambio, en el dominio de la frecuencia la secuencia S(k) se corresponde con la DFT de lasecuencia s(n), y está compuesta por N muestras equiespaciadas en el intervalo 0 a fm y con unaseparación entre subportadoras ∆ f = fm/N. Así y de acuerdo con todo lo anterior, la forma deimplementar el modulador y demodulador OFDM queda reflejado en la Figura 4.4. Además, puestoque el tamaño de las transformadas (N) suele ser potencia de dos, se utilizará sus versiones rápidas(IFFT, FFT).

Figura 4.4 Esquema OFDM basado en DFT e IDFT.

4.1.2 Efecto de la dispersión del canal: concepto del prefijo cíclico

Hasta ahora se ha comentado que el uso de OFDM permite pasar de un canal de banda ancha se-lectivo en frecuencia a K subcanales de banda estrecha planos. Llegados a este punto, convienematizar esta última afirmación. Como sabemos, en cualquier sistema de comunicaciones móviles,la propagación se ve afectada por diferentes fenómenos que varían según el entorno del terminalmóvil receptor, tales como la presencia de múltiples reflexiones, la difracción por obstáculos, etc.Estas réplicas de la señal en el dominio del tiempo se traducirán en un canal con varios multitra-

4.1 Fundamentos de OFDM 23

yectos, es decir, una respuesta impulsonial compuesta por un cierto número de caminos, cada unocaracterizado por un retardo de propagación τn y por una amplitud hn que dependen de los reco-rridos efectuados por las ondas radioeléctricas en su propagación. Tanto las amplitudes como losretardos y el número de caminos variarán además temporalmente de acuerdo con las variacionesdel entorno y la movilidad asociadas.

Como ya se ha comentado, la presencia de este multitrayecto provocará en el receptor que la se-ñal recibida esté compuesta por la superposición de múltiples réplicas de la señal transmitida condiferentes amplitudes y retardos. Esto se traduce en un ensanchamiento temporal de la señal, pu-diéndose llegar a producir solapamientos entre símbolos adyacentes, dando lugar así a interferencia.En OFDM se pueden distinguir dos tipos de interferencia temporal que se explican a continuacióncon la ayuda de la Figura 4.5.

• Intersymbol Interference (ISI). Esta interferencia se produce al solaparse símbolos OFDMadyacentes.

• Self-Symbol Interference (SSI). Es debida a la suma de versiones desplazadas en el tiempodel mismo símbolo OFDM. Esto provoca que la secuencia de entrada a la FFT del receptorsea distinta a la salida de la IFFT del transmisor, lo que se traduce en una incorrecta de-modulación de la señal. En la literatura, este fenómeno se interpreta como una pérdida deortogonalidad de las subportadoras, ya que la información que se transmite por ellas apareceentremezclada en el receptor [16].

Para combatir estos efectos negativos en la comunicación son varias las técnicas que se puedenadoptar. La más sencilla de ellas consiste en esperar un tiempo de guarda entre la transmisión dediferentes símbolos adyacentes OFDM, de manera que en ese tiempo al receptor le lleguen lasréplicas debidas al multitrayecto. Siempre que la duración del intervalo de guarda sea mayor queel ensanchamiento que produce el canal, no se producirá ISI. El precio que se debe pagar a cambioes una pérdida de eficiencia en el uso del ancho de banda del canal, ya que durante el intervalode guarda no se está transmitiendo nada. Sin embargo, con este método no se puede evitar que seproduzca la SSI dentro de un mismo símbolo OFDM, lo cual puede degradar considerablementelas prestaciones del sistema.

Figura 4.5 Señal recibida tras pasar por un canal con M caminos de propagación.

Sin embargo, la solución que adopta LTE se basa en el uso del prefijo cíclico. Tal como muestrala Figura 4.6 esta técnica consiste en añadir al inicio del símbolo OFDM la parte final del mismo,


alargando así la transmisión de cada símbolo OFDM hasta una duración TP + TS. Para evitar lainterferencia intersimbólica en el receptor habrá que escoger una duración del prefijo cíclico su-perior al máximo retardo de las componentes multicamino (TP > τM−1, en el ejemplo). Respectoa la presencia de este prefijo cíclico en el receptor, la integración del demodulador se producirásolamente en el intervalo TS sin considerar el prefijo cíclico. De la misma manera, al repetir en elprefijo cíclico la parte final del símbolo, conseguimos la integración de cada una de las réplicasse haga sobre el símbolo OFDM completo. De este modo, se consigue evitar la SSI y por lo tantorecuperar la ortogonalidad entre subportadoras (evitando interferencia entre ellas).

Figura 4.6 Señal recibida e intervalo de integración al utilizar prefijo cíclico.

Al igual que ocurría con la inclusión del tiempo de guarda, al incluir el prefijo cíclico se produce unareducción de la eficiencia en términos de potencia transmitida y de la velocidad de transmisión. Sinembargo, esta pérdida de eficiencia se va a ver compensada por la eliminación de la ISI, reduciendoasí la tasa de error de bit o haciendo más sencillos los procesos de igualación en el receptor.

4.2 OFDMA como técnica de acceso múltiple para el enlace ascendente

La técnica de acceso múltiple Orthogonal FDMA (OFDMA) empleada en LTE, surge de maneranatural de la modulación OFDM al considerar la posibilidad de que los diferentes símbolos mo-dulados sobre las subportadoras pertenezcan a usuarios distintos. Por lo tanto es posible acomodarvarias transmisiones simultáneas pertenecientes a distintos flujos de información de cada usuariocomo se representa en la siguiente figura.

Figura 4.7 Empleo de OFDMA como técnica de acceso múltiple.

4.2 OFDMA como técnica de acceso múltiple para el enlace ascendente 25

Es importante mencionar que, a pesar de que en el ejemplo de la Figura 4.7 cada usuario tieneasignado un conjunto de subportadoras contiguas, esto no necesariamente tiene porque ser así, sinoque los símbolos de un usuario también podrían estar en subportadoras no contiguas. Además, cabedestacar que el empleo de OFDMA conlleva las siguientes ventajas según [15]:

• Diversidad multiusuario: al utilizar OFDMA la asignación de subportadoras a usuarios serealiza de forma dinámica, a través de técnicas de scheduling, pudiéndose modificar en pe-ríodos cortos de tiempo. Dado que el canal radio presenta desvanecimientos aleatorios enlas diferentes subportadoras (independiente al usuario que las tengas asignadas) se puede in-tentar seleccionar para cada usuario las subportadoras que presenten mejor estado del canal(según la relación señal a ruido que perciba) lo que se traduce en un uso más eficiente delespectro obteniendo mayores velocidades de transmisión.

• Diversidad frecuencial: existe diversidad frecuencial dado que es posible asignar a un mismousuario subportadoras no contiguas y que estén lo suficientemente separadas como para queel estado del canal sea independiente entre ellas.

• Robustez frente a la propagación multitrayecto: gracias al uso del prefijo cíclico como semencionó anteriormente, la técnica OFDMA es muy robusta frente al ISI y es posible com-batir la distorsión utilizando técnicas de ecualización en el dominio frecuencial.

• Velocidad de transmisión escalable: mediante la posibilidad de asignar una cantidad mayoro menor de subportadoras a cada usuario.

• Elevada granularidad en los recursos asignables: como la banda total está subdividida en unconjunto de subportadoras de banda estrecha que se asignan de forma dinámica a los usua-rios, se dispone de una alta granularidad al poder asignar más o menos recursos a cada uno,lo cual es útil para acomodar servicios con distintos requerimientos de calidad.

• Sencillez de implementación en el dominio digital: gracias a la posibilidad de emplear chipsque efectúan los procesos de FFT/IFFT de forma rápida.

De igual forma, la técnica OFDMA presenta una serie de desventajas:

• Relación entre potencia instantánea y potencia media elevada: es uno de los mayores incon-venientes, ya que representa un problema de linealidad para los amplificadores de potencia,limitando su eficiencia e incrementando su coste.

• Sensibilidad ante los errores en frecuencia: dicha sensibilidad proviene del concepto de or-togonalidad entre las subportadoras, ya que pueden existir desplazamientos de frecuenciacausados por factores como la estabilidad de los osciladores o el efecto Doppler dado por losmovimientos de los terminales, entre otros, lo que se traduce en una pérdida de ortogonalidady por consiguiente la aparición de interferencia entre subportadoras.

• Reducción de la velocidad de transmisión: dado que al agregar un prefijo cíclico para com-batir la ISI se está incrementando la duración del símbolo OFDM.

4.2.1 Parámetros de OFDMA empleados por LTE

A continuación se muestran los parámetros OFDMA definidos en el contexto del enlace descen-dente LTE basándose en [15]:

Respecto a la separación de portadoras, será de ∆ f = 15 kHz, aunque también existe la posibilidadde que sea de 7.5 kHz. Esta última posibilidad está enfocada a transmisiones de tipo multicast en


redes isofrecuenciales (Single Frequency Network (SFN)).

Las subportadoras son agrupadas en un bloque de 12 subportadoras contiguas, con un ancho debanda resultante de 180 kHz representando la mínima unidad asignable a un usuario en el dominiofrecuencial. Por lo tanto el número de subportadoras que ocupa una portadora LTE en el downlinkes Ns = 12NB + 1, es decir, la suma del número de bloques de 12 subportadoras (NB) utilizadosmás la subportadora central que no es utilizada por ninguno de los bloques debido a la posibilidadde presentar una alta interferencia causada por el oscilador local en recepción.

La flexibilidad en el ancho de banda de transmisión ocupado viene dada por el número de NButilizados de forma tal que BWT X = (12NB +1), el cual está relacionado a su vez con el ancho decanal LTE como se muestra en la Tabla 4.1. En todos los casos el porcentaje de banda ocupado esdel 90% excepto en el caso de 1.4 MHz que es el 78%. Asimismo la selección de una configuraciónu otra en términos de número de bloques empleados se controla mediante el número de muestras Nusado en los procesos de IFFT/FFT y sus correspondientes frecuencias de muestreo fm = N∆ f . Esimportante remarcar que la selección de estos valores de frecuencia de muestreo se hizo teniendoen cuenta aspectos de compatibilidad con los actuales sistemas UMTS, en tanto que la frecuenciade muestreo de 3.84 MHz coincide con la tasa de chips de UMTS de valor 3.84 Mchips/s, lo quefacilita la implementación de terminales multimodo UMTS/LTE con un único oscilador. Todo ellose aprecia en la misma tabla.

Tabla 4.1 Valores de parámetros usados en el downlink para cada ancho de banda del canal.

BWcanal(MHz) 1,4 3 5 10 15 20NB 6 15 25 50 75 100

BWT X (MHz) 1.095 2.715 4.515 9.015 13.515 18.015NIFFT/FFT 128 256 512 1024 1536 2048fm(MHz) 1.92 3.84 7.68 15.36 23.04 30.72

Por otra parte, del conjunto anterior de frecuencias de muestreo, la mayor de ellas define el inter-valo temporal de referencia como Tm = 1/30.72µs, a partir del cual se definen las duraciones delos símbolos, de los prefijos cíclicos, y finalmente de la estructura temporal de trama. En concreto,la duración del símbolo OFDM, que corresponde al inverso de la separación entre subportadoras,TS = 1/∆ f = 66.67µs, puede expresarse como TS = 2048Tm.

Por último, cabe destacar la duración del prefijo cíclico (TP = 160Tm = 5.21µs,TP = 144Tm =4.68µs y TP = 512Tm = 16.7µs) dependiendo del tipo de trama que se esté utilizando en caso deemplear el modo TDD, o de la cantidad de símbolos por slot para el modo FDD. Las modulacionesque se pueden emplear en este enlace son QPSK, 16QAM y 64QAM.

4.3 SC-FDMA como técnica de acceso múltiple en el enlace descendente

Single Carrier FDMA (SC-FDMA) es una técnica de modulación híbrida que combina las ventajasde los sistemas OFDMA, como la flexibilidad en la elección de subportadoras y la robustez ante lapropagación multitrayecto, con una relación Peak to Average Power Ratio (PAPR) mucho menor encomparación a la del sistema OFDMA. Esta última característica fue principalmente la razón paraelegirla como técnica de acceso múltiple en el enlace ascendente, pues ya que al ser una técnicautilizada en el terminal móvil no es posible requerir amplificadores que consuman mucha potenciay que como consecuencia reduzcan la duración de la batería del equipo.

4.3 SC-FDMA como técnica de acceso múltiple en el enlace descendente 27

El esquema del transmisor y receptor se muestra en la Figura 4.8, siendo su estructura muy pa-recida a la del esquema OFDM nativo. La única diferencia apreciable es la adición de una DFTde K muestras con el propósito de precodificar los K símbolos a transmitir antes de realizar latransmisión OFDM utilizando una IDFT de N muestras (N > K). El valor del ancho de bandaBWSC = K∆ f = K fm/N es regulable simplemente modificando el valor de K, lo que permite ge-nerar la característica de flexibilidad en la banda asignada. Además si escogemos las entradas dela IDFT sobre la que se colocan los K símbolos, se consigue que el rango de frecuencias donde seposicionará la señal variará.

Figura 4.8 Estructura de Transmisor y Receptor SC-FDMA.

Figura 4.9 Multiplexación de usuarios en transmisión.


Tal como ocurría en OFDMA el valor de las muestras N de las IDFT/DFT suele ser potencia dedos, por lo que se puede efectuar la versión rápida IFFT/FFT, respectivamente.

A pesar de que existe la posibilidad de colocar las K muestras a la salida del DFT en posicio-nes no contiguas (SC-FDMA no distribuido), esta posibilidad no se utiliza en LTE. En LTE secolocan en posiciones contiguas (SC-FDMA distribuido o localizado) puesto que este esquema esmenos sensible a los errores de frecuencia. Por último, podemos ver en la Figura 4.9 un mecanis-mo de multiplexación de las transmisiones de diferentes usuarios, en donde cada usuario ubica susdistintas muestras en posiciones diferentes a la entrada del bloque IDFT de modo que ambas trans-misiones ocupen bandas frecuenciales diferentes con un valor de ancho de banda igual KUsuario∆ f .

4.3.1 Parámetros SC-FDMA empleados por LTE

Los parámetros definidos para SC-FDMA en el contexto del enlace ascendente para LTE presentanbastantes similitudes con los del enlace descendente, en tanto que la técnica de transmisión se basaen principios similares. La separación entre subportadoras, al igual que ocurría en OFDMA, es de15 kHz agrupadas en grupos de 12 subportadoras cada uno. Estos bloques pueden ser asignados demanera flexible a los usuarios según sus necesidades, con la única restricción que las subportadorasasignadas a un único usuario han de ser contiguas.

A diferencia del enlace descendente, el número de subportadoras disponibles estará dado porNS = 12NB ya que ahora no se deja sin usar la subportadora central gracias a la precodificaciónbasada en la DFT que hace que la posible interferencia del oscilador local quede dispersada. Losvalores de tiempo de símbolo y tiempo de prefijo cíclico siguen siendo los mismos. Por su parte,las modulaciones en enlace ascendente pueden ser QPSK, 16QAM y 64QAM.

4.4 MIMO

El estándar LTE emplea la técnica Multiple Input Multiple Output (MIMO) (múltiples antenas enrecepción y transmisión) con la que se pretende mejorar las prestaciones del enlace. Los modos deoperación de la técnica dependen del tratamiento que se le de a la información a transmitir por lasdiversas antenas:

• Diversidad en la transmisión: consiste en transmitir el mismo flujo de información a travésde las múltiples antenas. Busca mejorar la relación señal a ruido en recepción, aprovechandolos múltiples caminos de propagación del entorno.

• Multiplexación espacial: consiste en transmitir distintos flujos de información por las ante-nas. Busca incrementar la velocidad de transmisión percibida, aunque depende de cómo dedispersivo sea el canal.

• Beamforming: consiste en utilizar antenas inteligentes para lograr una conformación de hazbuscando eliminar las interferencias.

4.5 Capa física

Como se ha visto en las secciones anteriores, la interfaz aire del sistema LTE está basada en el usode las técnicas de acceso múltiple OFDMA para el enlace descendente y SC-FDMA para el enlaceascendente. En cuanto al uso de frecuencias, está pensada para operar en las bandas altas de UltraHigh Frequency (UHF), por encima de 450 MHz y hasta los 3.5 GHz. Además podrá operar tanto

4.5 Capa física 29

en los modos TDD y FDD. En el ANEXO A se puede observar una completa descripción de laconfiguración de cada una de las bandas del estándar.

A nivel de capa física, se define el concepto de bloques de recurso físico (Physical Resource Block(PRB)), como el mínimo elemento de información que puede ser asignado a un terminal móvil[15]. Un PRB está formado por un bloque de 12 subportadoras contiguas que en conjunto ocupanun ancho de banda de 180 kHz y en él se transmiten 6 ó 7 símbolos OFDMA, dependiendo de laduración del prefijo cíclico utilizado. En el dominio temporal un PRB dura 0.5 ms correspondientea la duración de un slot dentro de una trama LTE. En la Figura 4.10 puede apreciar todo esto.

Figura 4.10 Bloque Radio(Physical Resource Block, PRB) en trama OFDMA.

En el dominio temporal los recursos físicos se distribuyen a través de estructuras de trama. Aunquetal como se ha comentado antes existen dos modos de operación (TDD y FDD), se pasa a comentarsólo FDD puesto que el siguiente proyecto va a estar basado sobre éste último, denominado tramatipo 1.

La estructura de trama 1, que se puede observar en la Figura 4.11, se aplica para ambos enlaces,siendo capaz de soportar tanto half como full dúplex FDD. En esta estructura el eje temporal sedivide en tramas de 10 ms, compuestas a su vez por 10 subtramas de duración 1 ms y cada subtramaestá formada por 2 ranuras temporales o slots (TS) de 0.5 ms. En cada TS se pueden transmitir 6 o7 símbolos OFDMA, cada uno con una duración de 66.7µs.

Figura 4.11 Estructura de trama tipo 1 usada en LTE FDD.


El prefijo cíclico a utilizar depende del número de símbolos por subtrama, en caso de 7 símbolosel CP dura 4.7µs excepto para el primer símbolo que dura 5.2µs y se le define como prefijo cícliconormal. En cambio, en caso de que se utilice 6 símbolos por ranura temporal, tendrá una longitudde 16.67µs y se le denomina prefijo cíclico largo. Es normalmente utilizado cuando las celdas tie-nen una extensión muy grande [15].

Los flujos de información de los usuarios del sistema son ubicados por el gestor de recursos ra-dio, situado en el eNB y denominado scheduler, en una estructura de frecuencia-tiempo definidacomo Scheduling Resource Block (SRB), formada por dos PRB, es decir, que tienen 180 KHz deancho y un intervalo de tiempo de duración igual a una subtrama (1ms) de largo. Dicha duracióncorresponde con la mínima granularidad temporal en la asignación de recursos que es igual a 1 ms.

4.5.1 Señales y Canales Físicos en el enlace descendente

Para poder facilitar la demodulación y detección de las señales moduladas OFDMA el sistema LTEutiliza el siguiente conjunto de señales físicas y de sincronización [15]:

• Señales de Referencia (RS): son conocidas también como símbolos o señales pilotos y seutilizan para realizar medidas sobre la calidad del enlace descendente, implementar meca-nismos de búsqueda de celda y sincronización inicial, así como para estimar la respuestaimpulsional del canal para una correcta demodulación y detección coherente. Existen seña-les de referencia primarias y secundarias, usándose éstas en caso de que las condiciones delcanal así lo requiera.

• Señales de Sincronización (SCH): facilitan los procesos de sincronización temporal, estandoconformadas por una señal primaria que permite la sincronización a nivel de subtrama yuna señal secundaria para sincronizarse a nivel de trama. Ambas utilizan metodologías decorrelación temporal de referencias almacenadas en el receptor.

Además de las señales físicas, también existen una serie de canales que utiliza el sistema parapoder describir los mecanismos físicos de transmisión de la información. Se dividen en canalesfísicos de voz y de control dependiendo de la información que han de transportar. Cabe destacarque a diferencia de sistemas de telefonía previos, LTE no contempla el uso de canales de tráficodedicados, sino compartidos. A continuación se describen únicamente los más importantes en lapuesta en marcha de este proyecto:

• Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): canal de tráfico que normalmente transmiteinformación de usuario a pesar de que también pueden transportar información de aviso(paging) y de radiodifusión que no sea imprescindible para que el terminal se enganche. Noes un canal dedicado, por lo que solo se le asigna a un usuario cuando éste tenga algo querecibir dependiendo de las decisiones de asignación de recursos que efectue el scheduling enel enlace descendente. Emplea esquemas de modulación QPSK, 16 QAM y 64 QAM y engeneral utiliza turbo códigos de tasa 1/3 para la codificación de canal. Utiliza mecanismosde retransmisión híbrida (HARQ).

• Physical Downlink Control Channel (PDCCH): canal de control que transmite informaciónsobre los recursos asignados en el enlace descendente al PDSCH.

4.5.2 Señales y Canales Físicos en el enlace ascendente

Al igual que en el enlace descendente existen dos tipos de señales de referencia:

• DeModulation Reference Signals (DM-RS): son señales utilizadas para la estimación de larespuesta impulsional del canal para un correcto funcionamiento del sistema. Están asociadas

4.6 Gestión de Recursos Radio y del Espectro Radioeléctrico 31

a la transmisión de datos o información de control en el uplink. En el caso de transmisión dedatos, las señales se ubican en el cuarto símbolo SC-FDMA si se utiliza un prefijo cícliconormal y en el tercer símbolo si se utiliza un prefijo cíclico corto; ocupa el mismo númerode subportadoras que las ocupadas por los datos de usuario. En el caso de transmisión decontrol su ubicación no es fija y depende del formato utilizado.

• Sounding Reference Signals (SRS): son señales de referencia destinadas al sondeo de la ca-lidad del canal de transmisión. A diferencia de la DM-RS no están relacionadas a la trans-misión de datos y/o control del enlace ascendente y se utilizan principalmente para facilitarla toma de decisión de los algoritmos de scheduling a través de reporte sobre el estado delcanal en el dominio de la frecuencia, aunque también pueden utilizarse para mejorar los me-canismos de control de potencia. Se ubican en el último símbolo de las subtramas indicadasmediante mensajes de radiodifusión.

Asimismo, al igual que en el enlace descendente, también existen los canales físicos para el uplink.Se clasifican en canales de tráficos compartidos y canales de control. Se describirán los canalesfísicos más importantes:

• Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): es el canal de tráfico empleado para transmitir lainformación de usuario. El número de subtramas y la cantidad de subportadoras disponiblespara cada usuario dependerá de la asignación realizada por el scheduler en el enlace ascen-dente, el cual se encuentra en la eNB. Emplea esquemas de modulación QPSK, 16 QAM y64 QAM, así como turbo códigos de tasa 1/3 para la codificación de canal y mecanismos deretransmisión híbrida (H-ARQ).

• Physical Uplink Control Channel (PUCCH): canal de control utilizado para realizar peticio-nes de asignación de recursos, enviar reconocimientos (ACK/NACK) para el mecanismo detransmisión híbrido HARQ del enlace descendente. Además se utiliza para transmitir in-formación acerca de la calidad del canal (Channel Quality Indicator (CQI)) utilizado paraoptimizar los procesos de asignación de recursos en el downlink.

4.6 Gestión de Recursos Radio y del Espectro Radioeléctrico

La gestión de los recursos radio y del espectro radioeléctrico representa uno de los aspectos másimportantes para los operadores de cualquier sistema de comunicaciones móviles, en primer lugardado que una gestión eficiente puede permitir ofrecer a los abonados diversos tipos de serviciocon QoS adecuadas y en segundo lugar, debido al alto costo que implica utilizar una porción delespectro radioeléctrico.

En un intento por respetar la calidad de servicio, el operador podría optar por sobredimensionarel número de recursos radio disponibles. Sin embargo, esta estrategia no resulta adecuada en elámbito de las comunicaciones móviles debido a que los recursos radio son, en general, escasos ycaros. En su lugar, se debe gestionar la interfaz de una manera dinámica, incorporando para ellouna serie de funciones que permiten controlar y gestionar de una manera eficiente los recursos ra-dio disponibles. Esta serie de funciones se conocen como Radio Resource Management (RRM).

El estándar LTE define una serie de funciones y conceptos RRM, y especifica las interfaces yseñales necesarias para la ejecución de dichas funciones. En cambio, no especifica los algoritmosque implementan dichas funciones, quedando de esta forma a decisión del fabricante de produc-tos la implementación de las estrategias. A continuación se presentan únicamente las funciones degestión de recursos radio más trascendentes en el desarrollo de este proyecto.


4.6.1 Control de Admisión Radio

El Radio Admission Control (RAC) se encarga de decidir si una nueva petición de servicio paraun usuario es aceptada o no. Cuando llega una nueva petición de usuario con unos determinadosvalores de QoS, se deberá comprobar que se pueden garantizar dichos valores. En caso negativose denegará el servicio, pero en caso positivo se ejecutarán los mecanismos necesarios como elestablecimiento de portador radio o Radio Bearer.

Los modelos de QoS definidos en LTE están asociados directamente al servicio portador o EPSbearer (comprende la comunicación desde el equipo del usuario hasta la red troncal). Este se di-vide entre servicio portador radio RB (entre el UE y el eNB) y otros tipos de servicios portadoresa lo largo de la red. Entre los parámetros que definen un EPS bearer están: QoS Class Identifier(QCI) que determina el comportamiento del plano de usuario del servicio portador, Allocation andRetention Priority (ARP) que se utiliza como un indicador de prioridad en los procesos asociadosal EPS, MBR/GBR (Maximum/Guaranteed Bit Rate) máxima y mínima tasa de transferencia enbits/s por EPS, y valores de tasas agregadas según el perfil del suscriptor [15].

4.6.2 Control de Servicios Portadores Radio

La función de Radio Bearer Control (RBC) se encarga de establecer el RB correspondiente a unservicio basándose en los requerimientos de QoS una vez éste haya sido aceptado por el RAC.Además tienen la función de mantener la QoS del servicio a lo largo de la sesión y la liberación deRBs.

4.6.3 Scheduling de Paquetes y Estrategias

Una de las principales funciones de RRM es el Packet Scheduling o scheduler de paquetes, encar-gado de asignar los recursos a los usuarios dentro del área de cobertura de la celda, decidiendo quéusuarios transmiten en cada momento y bajo qué esquemas de modulación y codificación. En otraspalabras, el scheduler permite asignar los recursos dinámicamente a los usuarios para que éstospuedan realizar sus transmisiones de forma ordenada.

El Packet Scheduling está implementado en la capa RLC/MAC pues opera a corto plazo, es decirque permite reaccionar a las rápidas variaciones del canal radio y asignar recursos cada Transmis-sion Time Interval (TTI), que corresponde a la duración de una subtrama siendo igual a 1 ms. Elmínimo recurso que es capaz de asignar el scheduler a un usuario está formado por un bloque de180 kHz en una subtrama que dura 1ms y se denomina SRB. Esta granularidad que presenta elsistema LTE le permite adaptarse rápidamente a las condiciones cambiantes del canal radio.

En el dominio temporal, el scheduler permite explotar la diversidad multiusuario considerandoque en una determinada subtrama ciertos usuarios observarán un canal de mayor calidad que otrosusuarios, y en este sentido el scheduler les asignará recursos a los usuarios que perciban la mejorcalidad del canal. Cabe destacar que la ganancia que ofrece la diversidad multiusuario será mayoren la medida que la red tenga más usuarios y que las variaciones del canal sean más rápidas.

Asimismo, el concepto de diversidad multiusuario se extiende al dominio frecuencial, en dondeteniendo en cuenta los desvanecimientos selectivos en frecuencias el scheluder asignará el bloquefrecuencial al usuario que sufra menos el impacto de las variaciones del canal. Se evita asignar unPRB a un usuario que presente grandes desvanecimientos en las frecuencias de dicho PRB, consi-guiendo de esta manera asignar recursos a múltiples usuarios en las subportadoras donde cada unoobtenga una mejor calidad del canal. Un ejemplo de la asignación temporal/frecuencial de recursospara dos usuarios se puede observar en la Figura 4.12, donde se seleccionan los recursos al usuario


dependiendo de como este perciba el canal.

Figura 4.12 Asignación de recursos del scheduler utilizando la diversidad multiusuario.

Además del scheduling dinámico descrito hasta ahora, LTE introduce el scheduler semi-persistenteen el cual los recursos radio son asignados a los usuarios para un conjunto sucesivo de varias sub-tramas en vez de cada TTI. El uso de un scheduler semi-persistente es útil cuando se trata de unservicio con pequeños volúmenes de tráfico que llegan de forma regular, como es el caso de VoIP,pues reduce significativamente la cantidad de mensajes de señalización y permite ofrecer un ser-vicio de voz con calidad comparable a los sistemas basados en modo circuito [17].

Las estrategias sobre los criterios y el funcionamiento que ha de efectuar el scheduler para de-cidir qué usuarios transmiten y en qué recursos es uno de los aspectos que no están definidos en elestándar; dichas estrategias son mejor conocidas como estrategias de scheduling. A continuaciónse mencionan las más importantes [14]:

• Round Robin (RR): esta estrategia asigna los recursos a los usuarios de manera cíclica por lamisma cantidad de tiempo sin tomar en cuenta las condiciones del canal. Se considera unaestrategia justa en el sentido que todos los usuarios tienen la misma cantidad de recursosasignados, pero a la vez es injusta en el sentido que aquellos usuarios con condiciones másfavorables obtienen un throughput mayor a los que presentan peores condiciones de canal,que para igualar a los primeros requerirían un mayor número de recursos.

• Proportional Fair (PF): esta estrategia sí toma en cuenta las condiciones del canal (channel-aware) y su objetivo es conseguir un equilibrio entre ser una estrategia justa y optimizar elthroughput de cada usuario, para ello el scheduler asigna recursos a un usuario cuando lacalidad de canal que dicho usuario observa en un determinadomomento (calidad instantánea)es mayor a la calidad media que el mismo usuario ha percibido en el tiempo.

• Proportional Demand (PD): esta estrategia asigna los recursos de manera proporcional a las


demandas máximas de throughput, con lo cual los usuarios que solicitan niveles mayoresde throughput obtendrán mayores throughput que aquellos que solicitan menores niveles dethroughput.

• Maximun C/I (Max C/I): en esta estrategia el scheluder asigna los recursos cada TTI quepresenten las mejores condiciones SINR. Con esta estrategia se consigue maximizar la ca-pacidad de la celda pero es una estrategia injusta ya que los recursos solo estarán disponiblespara los usuarios con las mejores condiciones del canal, y aquellos que se encuentran en losbordes de las celdas (donde se presencian mayores interferencias y atenuaciones) se veránpenalizados al punto que no podrán cumplir con los requisitos de QoS.

4.6.4 ICIC

En los sistemas celulares se pueden clasificar dos tipos de interferencia, intracelular cuando es cau-sada por las transmisiones de/para los usuarios dentro de una misma celda, e intercelular cuandoafecta a transmisiones de/para usuarios de otras celdas.

El scheduling de paquete del sistema LTE consigue evitar la interferencia intracelular, gracias aque éste define qué PRBs son utilizados para cada usuario en cada subtrama con el fin de evitar lascolisiones. Sin embargo, en LTE sí existe la interferencia intercelular, la cual en los sitemas LTEocurre cuando usuarios de distintas celdas tienen asignados el mismo PRB de la misma subtrama;el impacto será mayor a medida que las celdas donde ocurra esta situación sean más cercanas. Es-ta situación puede degradar en exceso las prestaciones del sistema por, entre otras, las siguientescausas:

• Disminución de la SINR, dado que se incrementa el valor de referencia. Para combatirlo esnecesario escoger esquemas demodulación y codificaciónmás complejos y de baja eficienciaespectral, reduciendo así el número de bits enviados por cada PRB.

• Reducción de la batería del equipo móvil dada la necesidad de aumentar la potencia de trans-misión en el uplink para lograr la correcta comunicación.

• Reducción de las capacidades de la celda, dado el incremento de mensajes de señalizacióndebido a las retransmisiones.

En sistemas como GSM, la interferencia intercelular se mitiga en la fase de diseño/despliegue de lared celular. Empleando diversas técnicas de agrupación de celdas y reutilización de frecuencias seconseguía reducir dicha interferencia, a cambio de reducir la capacidad potencial de la celda. Pordicha razón, y dado que LTE persigue obtener altas velocidades de pico y eficiencia espectral, LTEse desplegará con un reutilización universal de frecuencia, es decir, todos los PRBs estarán dispo-nibles para todos los eNB, maximizando la capacidad por celda. El inconveniente será el aumentoconsiderable de la interferencia intercelular, por ello aparece una función de gestión de recursosradio llamada ICIC, cuya función principal es gestionar de manera dinámica las interferencias in-tercelulares.

ICIC es una estrategia de gestión de interferencias, cuya funcionalidad reside en el eNB y su objeti-vo es decidir un conjunto de restricciones y preferencias sobre el uso y la potencias de transmisiónpor PRB para cada eNB. Existen dos formas de realizar la gestión, la primera es a través de unacoordinación dinámica en la que es necesario que los eNBs interactúen entre sí, intercambiandoindicadores de interferencia a través de la interfaz X2, lo que sin embargo se traduciría en un incre-mento de los mensajes de señalización que han de cursar por la red. La segunda es a través de unagestión estática en donde a cada eNB se le asigna durante la etapa de despliegue y planificación dela red las restricciones y preferencias de transmisión asociadas principalmente al establecimiento


de factores de reutilización de frecuencias, y que cuya implementación no implica ningún tipo deaumento de la carga de la red por señalización. La realización de este proyecto se basará en la ges-tión de interferencias de forma estática. A continuación se describirán las distintas posibilidadesque existen de hacer dicha gestión.

Figura 4.13 Posibles esquemas de reutilización de frecuencias en LTE utilizando ICIC.

Inicialmente se ilustra el Fractional Frequency Reuse 1 (FFR1), donde todos los PRBs están dis-ponibles para todas las celdas. Posteriormente se observa el caso de reutilización 3 (FFR3), dondelos PRBs están divididos en 3 grupos y cada grupo es asignado a una celda dentro de un grupo de3 celdas. Este esquema a pesar de que reduce notablemente las interferencias, implica una reduc-ción drástica de las capacidades de cada celda y podría no garantizar la calidad de servicio de lasconexiones establecidas en términos de velocidades de pico y throughput obtenido por los usuarios.

Asimismo se muestra la estrategia Partial Reuse, que resulta de combinar las primeras dos es-trategias, en donde todas las celdas utilizan la misma fracción de la banda en el centro de la celda,pero en el borde cada una emplea una fracción de la banda distinta con una potencia superior. Des-pués se ilustra la estrategia Soft Reuse que es similar a la de Partial Reuse con la variante de quese hace reutilización de toda la banda en el centro de la celda y, al igual que en el caso anterior,para los usuarios en el borde de la celda, cada celda utiliza una fracción de banda distinta con unapotencia superior. Finalmente se muestra la estrategia FFR Time-Divided, que es similar al con-cepto de Soft Reuse pero en él se busca la disminución de interferencias solamente utilizando unafracción de banda distinta en intervalos de tiempo distintos, pero no utiliza un nivel de potenciasuperior al de centro de celda [15].

5 Planificación Radio Frecuencial (RF) deredes LTE

La planificación de redes celulares se define como el proceso por el cual se ubican emplazamientos,se asignan frecuencias y se configuran los parámetros de un sistema de comunicaciones inalám-brico con el fin de proporcionar cobertura y capacidad suficiente para cumplir con los requisitosmínimos exigidos.

Cabe destacar que la Planificación Radio Frecuencial (RF) normalmente se enfoca en los aspectosde cobertura, capacidad e interferencia. La cobertura es la propiedad de una zona por la cual unaestación móvil puede establecer una conexión con la estación base. Para que esta conexión sea con-tinua, hay que definir la distancia máxima entre la estación base y la estación móvil. Esta distanciaviene determinada por la mínima señal posible en ambos lados receptores y la máxima potenciade transmisión en ambos lados transmisores. Estos niveles de recepción y transmisión se puedenmejorar usando gran variedad de técnicas (diversidad, amplificadores de bajo ruido, antenas direc-cionales, etc.). En definitiva, se puede resumir la cobertura como la región geográfica sobre la queel sistema es capaz de proveer una señal lo suficientemente fuerte como para poder establecer unasesión de datos o una llamada.

Por su parte, la capacidad estará relacionada con la cantidad de usuarios que puede soportar elsistema simultáneamente. En LTE, como se podía intuir, la capacidad y la cobertura son indirecta-mente proporcionales. Para mejorar la cobertura es necesario sacrificar capacidad y viceversa.

Por otro lado, el objetivo principal a alcanzar en la planificación de una infraestructura será mi-nimizar el número de estaciones base, con el objeto de minimizar costes. La forma de minimizardicho número es maximizar el número de canales o frecuencias en cada una de estas estacionesbases. El número de frecuencias disponibles para la red es limitado, pero cada una de estas fre-cuencias puede ser reutilizada cada cierta distancia. Esta distancia está relacionada con la relaciónportadora-interferencia (C/I). Por todo ello, la solución óptima es aquella en la que cobertura, ca-pacidad e interferencia se combinan para alcanzar una única solución en la que se maximizan lasdos primeras y se minimiza la última.

Sin embargo, no son los únicos parámetros que se deben tener en cuenta, ya que también exis-tirán otros parámetros que jugarán un papel fundamental como la QoS, equipos a utilizar, coste deimplementación, etc. Para lograrlo será necesario realizar una serie de pasos como por ejemplo:investigar sobre las características del terreno o analizar la población a dar cobertura. En líneasgenerales, el proceso de planificación RF en LTE puede dividirse en cuatro fases.

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38 Capítulo 5. Planificación Radio Frecuencial (RF) de redes LTE

5.1 Fase 1: Balance de potencias inicial

En esta primera fase se realizará un balance típico de potencias. Para ello se empleará métodosestadísticos como COST-31 Hata o Erse-Greestein, entre otros, con el objetivo de averiguar de unamanera aproximada el área de cobertura de cada emplazamiento. Estos modelos de propagaciónson estadísticos, no toman en cuenta consideraciones del terreno y tienen adaptaciones a sus fór-mulas según el tipo de entorno (Rural, Urbano, Suburbano, etc.). Aunque a primera vista puedenparecer simplistas, son suficientes para determinar la cantidad de emplazamientos necesarios.

Para las celdas LTE, las antenas normalmente se sitúan a 45 m de altura en zonas rurales y a 30m en zonas urbanas. Típicamente en un despliegue macrocelular las estaciones bases son ubicadasde forma hexagonal y a una distancia de 1500 metros entre sí [15].

5.2 Fase 2: Simulaciones del entorno

Esta fase al ser más complicada estará basada en el uso de herramientas de planificación radio,como ICS Designer. En estas herramientas se tienen en cuenta las características del entorno y portanto, mediante simulaciones se podrá tomar decisiones sobre el lugar a situar el emplazamiento omodificar el tipo de antena. En esta etapa se definen parámetros como:

• Plan de frecuencias: a utilizar en la red.

• Técnicas de diversidad (MIMO): es necesario definir la cantidad de antenas que han de uti-lizarse en búsqueda de aprovechar los beneficios de la técnica MIMO.

• Modelo de propagación: se definen los escenarios de propagación para modelar un canalcon propagación multitrayecto para MIMO, así como el modelo de propagación estadísticobasados en la frecuencia y en el tipo de entorno (rural, urbano, etc.).

• Physical Cell ID: se asignan los identificadores a cada una de las estaciones base utilizandodiferentes algoritmos.

• Tipos de celda: se evalúan los tipos de celda a utilizar en la red (macroceldas, microceldas,etc.).

• Parámetros de antenas: se definen aspectos como tipos de antena e inclinación (downtilt).

• Asignación de vecinos: se definen los vecinos para cada celda.

• Mapas de tráfico: se busca representar el tráfico esperado en la zona de estudio.

Asimismo también se han de realizar las simulaciones pertinentes para poder analizar las diferentesseñales que describan el rendimiento de la red como RSSI, RSCP, Ec/No, C/(I+N), BLER, entreotras.

5.3 Fase 3: Puesta a Punto y Optimización

En esta tercera fase se efectúan estudios que permitan la optimización en los detalles de la pla-nificación. Se realiza un test denominado Drive Test o también conocido como Continous Wave(CW) test, considerado esencial para el proceso de planificación RF y previo al despliegue de lared celular. Un CW ha de realizarse para examinar los niveles de señal en el área de estudio (seaen interiores, exteriores o en vehículos) y consiste en ubicar una antena transmisora en el lugar de

5.4 Fase 4: Optimización Post-Despliegue 39

interés (futuro emplazamiento) configurada para transmitir una señal portadora no modulada en elcanal de frecuencia escogido, mientras un vehículo con un equipo receptor recolecta y registra losniveles de señal recibida.

Posteriormente se realiza la denominada puesta a punto del modelo o Model Tuning, en la quelos valores registrados en el CW se estudian para extraer un factor que será incluido en el modelode propagación seleccionado previamente. La optimización del modelo se realiza usando variosalgoritmos de optimización y adaptación de curvas pertenecientes a los propietarios de la herra-mienta de planificación. Una vez finalizado se obtendrá un modelo del canal más preciso y real.

Por último, con estas optimizaciones se realizan nuevamente los estudios de la fase 2 para ob-servar el impacto que tiene sobre el esquema general original planteado y analizar si será necesarioefectuar alguna modificación.

5.4 Fase 4: Optimización Post-Despliegue

Una vez realizado el despliegue se ha de realizar una continua optimización de la planificaciónde radio frecuencia de la red para incluir cualquier cambio en el entorno o satisfacer requisitosadicionales de los servicios (en cobertura o capacidad). En esta fase se efectúa el denominado Op-timization Drive, similar al CW, solo que esta vez es necesario que la red se encuentre operativa.Por lo tanto la señal de datos modulada es transmitida desde la eNB y capturada y registrada porel equipo receptor para después analizar el rendimiento a través de la medición de distintos pará-metros como niveles de señales de referencia, tasas de errores de bloque (BLER), etc.

Al igual que en la fase anterior, los resultados de estas mediciones permiten decidir añadir nuevosemplazamientos o modificaciones de la configuración de las ya existentes.

6 Metodología

En este capítulo se enuncian las distintas fases que comprende este proyecto de una manera general,sin entrar en detalles de su realización.

6.1 Investigación Teórica

Esta primera etapa está asociada con la investigación de todos los aspectos teóricos relacionadoscon el sistema celular a estudiar. Se realizó un estudio detallado de la evolución de los sistemasde comunicaciones móviles prestando una mayor atención a la linea desarrollada por la 3GPP.Después se pasó a profundizar en el sistema LTE con el objeto de entender su funcionamiento ylas diferencias con los sistemas antecesores.

6.2 Aprendizaje de la herramienta ICS Designer

La segunda fase consistió en aprender a manejar la herramienta ICS Designer, siendo necesariopara ello la lectura del manual de la misma ("Getting Started ICS Designer"). Una vez se consigueun acercamiento a la herramienta se pasó a la lectura de la guía "LTE Guidlines in ICS Designer"que contiene las técnicas y algoritmos empleados por ICSDesigner en la simulación de un proyectoLTE.

6.3 Planificación y Optimización de la red LTE en ICS Designer

La etapa de planificación de red consiste en determinar todos los elementos asociados a una pla-nificación de radio frecuencias según la tecnología que se vaya a utilizar (potencias, número deestaciones base, etc.). Se puede partir de alguna planificación realizada en un estudio anterior,adaptando los parámetros necesarios en caso de que no se haya utilizado el mismo software.

Asimismo se puede partir de un proyecto nuevo, para lo cual se requiere hacer una serie de cálculosde balance de potencias para cada enlace, cuyos resultados dependen de parámetros como el mo-delo de propagación utilizado, la frecuencia de trabajo, ancho de banda del canal, ganancia de lasantenas, ente otros. Estos cálculos permiten definir el número de estaciones a utilizar y los nivelesde potencia requeridos en cada enlace. De la misma forma, para cualquier tipo de software que seutilice, es necesario poseer información sobre el terreno a estudiar como los mapas de cartografía,mapas del tipo de terreno, además de información asociada al tráfico de usuarios del terreno quese esté estudiando.

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42 Capítulo 6. Metodología

A partir de esta base, el siguiente paso es configurar los elementos de la red utilizando los re-sultados obtenidos previamente, logrando así definir la ubicación de las bases, características delos transmisores, número de sectores y repetidoras, etc.

Una vez planificada la red a estudiar, es necesario realizar estudios de cobertura por nivel de se-ñal los cuales permiten evaluar las condiciones iniciales de propagación para ambos enlaces, cuyaconfiguración podría variar según el software utilizado. Los resultados de estos estudios serviránde referencia para comparar con aquellos que se obtengan al agregarse una mayor cantidad de fac-tores como la planificación de frecuencias, el tráfico, estrategias de gestión de recursos, tipos deservicios, tipos de usuarios, entre otros. A continuación se realiza la asignación de vecinos y se con-figuran otros elementos básicos según el tipo de tecnología utilizada, como por ejemplo definir elnúmero de TRXs (GSM/GRPS/EDGE), realizar la asignación de frecuencias (GSM/GPRS/EDGE,WIMAX y LTE), de preámbulo (WIMAX) o de identificador de celda (LTE).

6.4 Evaluación del Rendimiento de la Red

En esta última etapa se realizan estudios que permiten evaluar el rendimiento del sistema, y estánrelacionados directamente con los mapas y/o carga de tráfico que se defina para la red. Por lo tantodependiendo del parámetro que se quiera estudiar para ver el impacto que genera su variación/mo-dificación, será necesario hacer uso de las herramientas que proporcione el software utilizado, ysegún la tecnología a utilizar se podrán realizar los diferentes tipos de estudio, entre los más im-portantes se podrían mencionar aquellos relacionados con el nivel de portadora a ruido, portadoraa ruido más interferencia, y los que indiquen el throughput máximo alcanzable sobre las zonas aestudiar.

7 Desarrollo

Durante este capítulo se desarrollarán los puntos mencionados en el capítulo anterior y se relacionaposteriormente con el segundo apartado de este mismo capítulo que contiene la descripción y losresultados de las distintas simulaciones realizadas.

7.1 Aprendizaje de la herramienta ICS Designer

ICS Designer es un software para planificación y optimización radio que permite a los operado-res de comunicaciones móviles, organismos de radiodifusión o fabricantes de equipos realizar eldiseño y planificación de sus redes y estudiar el comportamiento de las mismas para optimizarlasde la mejor manera posible. A partir del año 2008 ICS Designer cuenta con un módulo LTE, delos primeros en el mercado, que permite implementar con detalle y precisión las características deuna red E-UTRAN. Entre sus novedades más importantes destaca la capacidad de integración demúltiples tecnologías en un sólo estudio, ideal para aquellos operadores que actualmente intentanmigrar sus redes de telefonía hacia LTE.

A continuación se explicarán los algoritmos, términos y definiciones de ICS Designer necesa-rios para la comprensión del proyecto. Todo ello enfocado desde un punto de vista didáctico, sinentrar en detalles precisos que puedan convertir la memoria del presente proyecto en un manual deutilización de la herramienta.

7.1.1 Diseño de una red LTE en ICS Designer

En la Figura 7.1 se muestra el diagrama de trabajo a seguir para la creación de una red LTE enICS Designer. Aunque no lo muestra la figura, el primer paso para cualquier proyecto de planifica-ción radio es recopilar información necesaria en cuanto a los equipos radio (p. ej. emplazamientos,transmisores, antenas, etc.), información de la tecnología radio (bandas de frecuencias y otros pará-metros específicos de la tecnología a implementar) e información geográfica (p. ej. clutter, clutterheights, mapas tráfico, etc.) que se utilizará en el despliegue.

Posteriormente se abrirá o creará un nuevo proyecto, para ello primeramente se deberán cargarlas diferentes capas de cartografía necesarias. Después y dependiendo de la tecnología a emplear,habrá que rellenar unas plantillas (Templates) con parámetros específicos que se tendrán en cuentaen las estaciones bases futuras. En este caso el Template LTE es seleccionado para modelar la redsegún las especificaciones de la 3GPP.

El siguiente paso será la configuración de la red agregando emplazamientos (Sites), transmiso-res (Transmitters) y todos aquellos parámetros de la red recopilados en el primer paso.

43

44 Capítulo 7. DesarrolloLTE FEATURES – ICS DESIGNER V2

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2. LTE GENERAL WORKFLOW

Set technical parameters

of the e-nodeB

Define or load the LTE

simulation parameter file

(.PRM)

Basic predictions:

-RSRP level

-RSRQ (dB)

-RSSI

-SNIR (control channels)

- SNIR (PUSCH)

- ACP (Automatic Cell

Planning)

-Import of LTE cells

-LTE cell configuration

(import by batch )

-Selection site based on

existing UMTS or GSM

- Propagation models

selection

-Characteristics of the UE

-Distance of calculation

(Km)

-Min RSRP sensitivity

(dBm)

- ICIC Enhancement

- % PDSCH and %

Overhead parameters can

be adjusted according to

the traffic scenario

- RSRP plot

- Best server RSRP,

- second server RSRP,

- Third server RSRP,

- RSRP probability,

- Max number of RSRP

channel

- RSRP overlapping area

2D or 3D coverage

analysis

Automatic frequency

assignment

Automatic or manual

neighbour cell allocation

Automatic or manual

Physical Cell Ids and RSI

allocation Various histogramme

analysis :

- Over the whole projet

- Inside a cluster area

defined by a drawn

polygon

- Arround a predefined

vector path)

Field strenght exposure

analysis (in 2D or 3D

modes).

e-node B setu parameter in ICS designer:

- LTE mode (FDD or TDD)

- Bandwidth configuration (1.4; 3; 5;10; 15 or

20MHz) -

Site location, Antenna height , Cell ID , azimuts

, mecanical tilts

- Antenna mode (nb of Tx/Rx arrays):

-Max transmitted power, %RS power, %

PDSCH power, and % control channels power

-RBs traffic capacity

- RSRP min level

- PUSCH received power min (dBm)

- Min sensitivity (dBm) – Noise Floor value

Potential interference

analysis between the LTE

stations and existing

DVB-T network (Low

channel band)

- Standard antenna

-SIMO, Tx Div

-MIMO spatial multiplexing

-Multi user MIMO spatial multiplexing

-AAS (Antenna Adaptive Switch)

Open an existing project

or create a new one

Figura 7.1 Workflow general para una red LTE.

7.1 Aprendizaje de la herramienta ICS Designer 45

ICS Designer ofrece la posibilidad de realizar predicciones básicas de cobertura por nivel de señalrecibida sin tomar en cuenta las interferencias. Estas predicciones comprenden estudios del nivel deseñal recibido de distintas señales LTE en cada píxel del mapa, coberturas por transmisor y estudiosde overlapping que permiten estudiar la configuración inicial de la red sin tomar en cuenta datosde tráfico. Una vez realizado esto último, el programa podrá hacer una asignación de frecuenciasautomáticas con el objetivo de reducir la interferencia causada entre diferentes estaciones.

Como sexto paso se propone calcular y establecer los vecinos de cada celda para después reali-zar una asignación de las frecuencias en base a las colindancias establecidas evitando en la mayormedida las interferencias. Posteriormente se puede realizar una asignación de los Physical Cell IDspara facilitar el procedimiento de selección de celdas. ICS Designer permite que estos tres pasospuedan llevarse a cabo de forma manual o automática.

Para realizar predicciones de cobertura avanzadas es necesaria la información de cargas de trá-fico de las celdas que conforman la red, porque a medida que la carga de una celda se incrementa,se reduce el área de cobertura que ésta ofrece. Para ello pueden realizarse simulaciones Monte Car-lo, basadas en los mapas de tráfico o en las listas de subscriptores, o se pueden definir los valoresmanualmente para cada celda. Las predicciones en este punto se calculan en base a la calidad dela señal recibida tomando en cuenta las interferencias y comprenden el estudio de nivel portado-ra a interferencia, área de servicio de las celdas, cobertura por throughput o indicadores de calidad.

Por último se analizan los resultados de las simulaciones y las predicciones de cobertura por cali-dad de señal para realizar modificaciones, si es necesario, en los parámetros configurados al inicioo realizar cambios en la planificación frecuencial.

7.1.2 Predicciones básicas de cobertura

RSRP

Reference Signal Received Power (RSRP) es usado para medir la cobertura de la célula en el en-lace descendente (downlink). RSRP es una de las mediciones más básicas de cobertura de la capafísica. Es un promedio lineal en todo el ancho de banda (en vatios) de las señales de referencia quese envían en el enlace descendente (Reference Signal (RS)). Puesto que todos los símbolos no lle-varán información de referencia, sólo serán medidos los símbolos OFDM que lleven informaciónde referencia.

El principal objetivo de RSRP será determinar (teniendo sólo en cuenta el downlink) en cada pí-xel la mejor celda que le dará cobertura, seleccionando así esta celda como la de servicio. Losresultados de RSRP pueden ser expresados de una manera absoluta o relativa.

46 Capítulo 7. Desarrollo

Tabla 7.1 Tipos de cálculos de cobertura en ICS Designer.

Coverage/Network analysis/RSRP Coverage

analysis/Compositecoverage

Permite calcular la cobertura compuesta RSRP,basándose en el campo "% Ref Señal" definido

en los parámetros de la estación.


analysis/ Best Servercoverage

Calculará para cada punto el mejor servidor, es decir,la estación base que le dé mejor señal.

Coverage/ Network analysis/RSRP Coverage

analysis/ Overlapping

Permitirá calcular las zonas donde exista cobertura de dos o más seservidores.


analysis/ Simultaneous

Indica en% la capacidad de cada píxel de recibir todas las señalesde referencia (RS) presentes en la red LTE. Por ejemplo, si para un píxelel resultado es 30%, significará que dicho píxel será capaz de recibir

un 30% de las señales presentes en toda la red.Coverage/Network analysis/

RSRP Coverageanalysis/ Simultaneous except

best server

Representará un mapa de servidores compuesto. Para cada píxel calcularála diferencia entre RSRP del mejor servidor y la de otros servidores, siempreque la cantidad sea mayor que una constante introducida por el usuario. Es

decir, calculará: abs(FS_serving_server-FS_other_server)>=deltaCoverage/Network analysis/

RSRP Coverageanalysis/ Coverage probability

Calcula la probabilidad de cobertura para cada píxel en función del umbralRSRP

Coverage/Network analysis/RSRP Coverageanalysis/Servers

Mostrará el primer mejor servidor, el segundo, etc.

RSRQ

Reference Signal Received Quality (RSRQ) proporciona información adicional en aquellas situa-ciones en las que RSRP no es suficiente. RSRQ es definido como el ratioNxRSRP/(EUT RA carrierRSSI), donde N es el número de RBs. Por su parte, RSSI es la potencia total de banda ancha recibi-da, incluyendo interferencias y ruido térmico. Como RSRQ combina potencia de señal, así comoel nivel de interferencia, este valor de medición proporcionará ayuda adicional para decisiones atomar en situaciones como las de movilidad.

SINR

La relación SINR es el indicador de referencia principal para LTE. Su conocimiento exacto esvital para conocer la autenticidad del rendimiento de la red y por lo tanto necesario durante eldimensionamiento de la red. El valor de SINR dependerá de los siguientes valores:

• Esquemas de Modulación y Codificación (MSC)

• Modo de propagación en el canal

• Mientras mayor sea el esquema de codificación y modulación (MSC) mayor será la SINRrequerida.

La Relación Señal a Interferencia más Ruido o Signal to Interence plus Noise ratio (SINR) vieneexpresada por la siguiente ecuación:


SINR =S

Iown + Ioth +N(7.1)

• S: Señal útil (potencia recibida)

• Iown: Interferencia de la propia célula (cercana a cero debido a la ortogonalidad de las sub-portadoras)

• Ioth: Interferencia de otras células

En LTE la relación SINR PDSCH sustituye a la ya conocida relación Eb/No, requerida en UMTSRel.99. ICS Designer podrá estimar la SINR de diferentes formas, entre las que destaca la fórmulaAlpha Shannon [18].

Por otra parte, la función "4G SINR Maps" presente en ICS Designer realizará un análisis delparámetro SINR para los canales PDSCH (tráfico) o también para canales de control. En el cálculode la SINR también se podrá tener en cuenta:

• El uso de múltiples portadoras en el mismo emplazamiento

• Limitaciones RSRQ para asegurar la fiabilidad de la calidad de la señal RS

• Todas las posibles fuentes de interferencia. Además de la propia interferencia causada enla red LTE, se puede tener en cuenta todas las posibles interferencias provenientes de otrasredes (GSM, UMTS,etc).

• Activación de ICIC para conseguir mejorar el rendimiento SINR.

Hay que tener en cuenta que el cálculo de SINR también se puede utilizar para evaluar el rendi-miento de otros canales físicos como son: PDCCH, PCIFCH, PCH o PBCH (cómo se describe3GPP TS 36.101). Por ejemplo, es importante conocer el rendimiento de canales como PDCCHpara saber su comportamiento en situaciones extremamente importantes como son los handover.Fallos del canal PDCCH harán que el traspaso en movilidad no se haga de manera correcta.

Pico del Throughput o caudal en el enlace descendente

El pico del throughput en el enlace descendente es un valor límite superior en términos de capa-cidad del sistema. Es decir, representa un límite superior del caudal alcanzado en una situaciónideal en la que no existan pérdidas de tramas. Dicho límite superior no debe considerarse como unrendimiento sostenible o alcanzable del sistema.

Este pico dependerá de:

• Configuración del ancho de banda (1.4; 3; 5; 10; 15; 20 MHz)

• Condiciones SINR (depende de la potencia transmitida, pérdidas por atenuaciones...)

• Modulacion Coding Scheme (MCS) utilizado

• Número de PRB asignados al canal PDSCH


Figura 7.2 Ejemplo de cobertura RSRP.

Para el cálculo del pico de throughput se requerirá una tabla de correspondencias entre SINR yThroughput. Usualmente dicha tabla la proporcionan los fabricantes de los equipos. Aún así, ICSDesigner ofrece la posibilidad de utilizar una tabla interna con valores estándares o la importaciónde una tabla externa en formato excel.

Pico del Throughput o caudal en el enlace ascendente

Al igual que ocurría en el enlace descendente, el programa ofrecerá la posibilidad de calcular elpico de caudal en este caso en el enlace ascendente. Dicha función estará disponible en "4G UplinkSINR" dentro de "Statics->Coverage".

Análisis de tráfico y scheluders en LTE

El rendimiento del caudal de un usuario individual dependerá tanto de los recursos que se le hanasignado como de la demanda de los otros usuarios con los que comparte el canal. El encargadode arbitrar los recursos será como sabemos el scheluder. ICS Designer podrá calcular el compor-tamiento del tráfico de la red siguiendo las técnicas o criterios descritos en la sección 4.6.3.

Planificación PCI

Con la pestaña "Coverage/Network planning/Physical layer cell identities..." se podrá planificar deforma automática los identificadores de células Physical Layer Cell Identities (PCI) y los PhysicalLayer Cell Identity Group (PCIGroup ID) con el objetivo de evitar colisión entre células vecinas.Para ello previamente habrá que cargar la lista de vecinos.

Hay que tener en cuenta que de acuerdo a las recomendaciones 3GPP TS 36.211 sólo existen 504identificadores.


Planificación RSI y PRACH

El primer paso en el procedimiento de acceso aleatorio es la transmisión de un preámbulo de accesoaleatorio. El principal objetivo es permitir indicar a la estación base la presencia de una ranura deacceso aleatorio temporal y poder estimar el retardo entre la estación y el terminal. La estimaciónde este retardo será utilizada para ajustar en una segunda etapa los efectos de propagación en elenlace ascendente. El recurso físico en el que se transmite el preámbulo de acceso aleatorio es elcanal Physical Random-Access Channel (PRACH) o canal físico de acceso aleatorio.

En cada célula existirán 64 secuencias de preámbulos definidas. No existirá colisión mientras queningún otro terminal esté llevando a cabo un intento de acceso aleatorio utilizando la misma se-cuencia de preámbulo en el mismo instante.

ICS Designer a través del menú "Coverage/Network/planning/Root Sequence Index Allocation"podrá optimizar la asignación del Root Sequence Index (RSI) o identificador de secuencia raíz delpreámbulo dependiendo de las relaciones existentes entre células vecinas. Para ello previamentehabrá que definir dichas relaciones.

Handover en LTE y análisis de la lista de vecinos (intra-inter sistema)

Handover es el proceso que ocurre cuando el móvil, debido a condiciones del canal o de tráfico,migra desde la interfaz aire de la estación base que le está prestando servicios a otra interfaz airede otra estación base. En LTE y durante este proceso el UE estará siempre conectado a una solacelda, es decir, se produce un Hard-handover.

ICS Designer implementa la opción de cálculo del comportamiento del sistema en situaciones dehandover de acuerdo al procedimiento descrito en la norma 3GPP TS 36.331. E-UTRAN soportarádos tipos de handover:

• Intra-Radio Handover:– Handover intra sistema con intra-frecuencias vecinas– Handover intra sistema con inter-frecuencias vecinas

En LTE cuando un equipo de usuario se enciende, éste escanea todas las bandas de radio frecuen-cias E-UTRA y empieza a escuchar los canales de difusión para poder sincronizarse. Esto se hacepara conectarse en un primer momento a la célula que proporcione las mejores condiciones radiode acuerdo con las mediciones RSRP que realiza el terminal de usuario. Después de seleccionaruna célula y conectarse a la red, el UE empieza a medir las intra frecuencias (células del sistemaque utilizan el mismo canal físico) vecinas como posibles candidatas para conectarse. Se cambiaráde célula si las condiciones radio de acuerdo a las medidas RSRP son mejores que las anteriores.Esto se produce configurando un valor umbral en la célula de servicio que marcará la barrera paradecidir si las condiciones de la nueva celda son mejores que la actual. Además, el UE tambiénmedirá las inter frecuencias (células del sistema que utilizan distintos canales físicos) con el ob-jetivo de completar la lista de vecinos. La prioridad entre intra e inter frecuencia dependerá de laestrategia usada por el operador de telefonía, siendo usual darle más prioridad a los handover intrafrecuencias.

• Inter-Radio Handover:– Handover entre E-UTRAN (LTE) y vecinos UTRAN (3G).– Handover entre E-UTRAN (LTE) y vecinos GSM.– Handover entre E-UTRAN (LTE) y vecinos Wi-Fi


Cuando el UE no sea capaz de realizar el traspaso manteniendo un umbral RSRP aceptable, elnúcleo de red será el encargado de realizar dicho cambio a sistemas UTRAN o GSM.

Por otra parte, la función "Neighbour Calculation" permitirá realizar la lista de inter e intra fre-cuencias vecinas necesaria para planificar las asignaciones PCI y evitar así el riesgo de colisión.Esta función permite también calcular una lista de vecinos inter-sistema (entre LTE y 3G, LTE yWi-Fi...).

Figura 7.3 Ejemplo de lista de vecinos.

Simulador LTE de Monte-Carlo

El simulador de Monte Carlo en ICS Designer comprende tanto el enlace ascendente como eldescendente, incluyendo en sus cálculos funciones como la de Mejor Servidor, Interferencia oAnálisis de Tráfico. ICS Designer realizará varios ensayos o pruebas aleatorias, usando para ellouna distribución pseudo-aleatoria con el objetivo de extender el UE sobre el mapa. La salida delsimulador serán informes sobre calidad y tráfico de la red. Este tipo de simulador es muy útil yeficiente para validar o mejorar los parámetros de la red, con el fin de alcanzar los objetivos decobertura e interferencia para una determinada población de UE. Usualmente, el simulador deMonte Carlo puede ser usado para validar los siguientes criterios:

• Para enlace descendente:– Niveles RSCP– Niveles RSRQ– Niveles SINR

• Para enlace ascendente– Niveles PUSCH

Una vez configurada la red de e-NodoB, una población de equipos de usuario puede ser genera-da aleatoriamente siguiendo diferentes criterios como la densidad de km2. Cuando la herramientagenera la población, calcula el promedio y la distribución de cobertura de los indicadores RSCP,RSRQ, SINR, PDSCH y PUSCH (parámetros Key Performance Indicator (KPI)).


Figura 7.4 Ejemplo de simulación Monte-Carlo para RSCP (dBm).

Además, el simulador de Monte-Carlo implementa la opción de optimizar la configuración delos parámetros que definen el e-NodoB. Dicho simulador es capaz de calcular una distribución delos parámetros KPI para una población de equipos de usuario dada, teniendo en cuenta si se deseala variabilidad de parámetros como la altura de la antena. Se podrán tener en cuenta los siguientescriterios:

• Azimuth (°)

• Tilt Eléctrico (°)

• Altura de la antena (m)

• Porcentaje de la potencia transmitida dedicada a la señal RS

• Porcentaje de la potencia transmitida dedicada a la señal PDSCH

• Porcentaje de la potencia transmitida dedicada a los canales de control

• Tipo de antena


Figura 7.5 Ejemplo de simulación Monte-Carlo para RSRQ con tilt eléctrico variable.

En el ejemplo mostrado en la Figura 7.5, el nivel RSRQ se degrada a medida que aumenta el tilteléctrico, pareciendo que su valor óptimo es de -7°. Para dicho valor en el 100% de los casos sesuperará el objetivo establecido.

Búsqueda automática del emplazamiento

Diferentes características están disponibles en ICS Designer para realizar la búsqueda automáticadel emplazamiento con el fin de aumentar la cobertura y la capacidad. A continuación se muestrauna descripción de las funciones principales.

Tabla 7.2 Búsqueda automática del emplazamiento.

Nombre de la entidad Menú Descripción

"Prospective planning""Coverage/NetworkPlanning/Prospective

Planning..."

Permite encontrar en escenarios densificadosla mejor localización para nuevas estaciones bases.

"Parenting LTE" "Subscriber/Parenting/4Gparenting LTE..."

Función basada en una población de usuarios con perfilesde tráfico definidos. Permite resolver el problema de la congestión

de tráfico añadiendo de forma automática nuevas estaciones en zonasdensificadas. Tiene en cuenta tanto el enlace ascendente como

el descendente.

Planificación automática de frecuencia

A través de la pestaña "Network planning-Network frequency assignment" ICS Designer permiterealizar una planificación completa de frecuencia automática para una red LTE. Resulta de granutilidad para evitar de una manera sencilla interferencias.

Optimización automática de emplazamientos

Diferentes características expuestas en la siguiente tabla están disponibles para poder optimizar lascaracterísticas de los emplazamientos.


Tabla 7.3 Optimización automática de emplazamientos.

Nombre de la entidad Menú Descripción

"Station according to targetcoverage"

"Coverage/Station candidates/Station according to target

coverage"

Permite calcular el número de emplazamientos necesariopara cumplir con el criterio de cobertura. Ayuda al usuario

con el fin de minimizar el número de estaciones.

"Route planning" "Coverage/Network planning/ Routeplanning..."

Usada para entornos como calles, avenidas, caminos detransporte, etc. Permite optimizar las mejores localizacionesy parámetros de las estaciones bases con el fin de cubrir

y cumplir con los criterios de cobertura.

"Prospective planning" "Coverage/Network planning/Prospective planning..."

En entornos muy densificados busca las mejores localizacionespara nuevas estaciones bases.

"Station optimizing" "Coverage/Network planning/Stationoptimizing"

Optimiza parámetros como la altura de la antena en relación amejorar la cobertura de la estación.

Modelos de propagación en LTE

Elegir un buen modelo de propagación para los cálculos es crucial para una planificación y dimen-sionamiento exacto. Diferentes tipos de modelos están presentes en la herramienta ICS Designer.Estos son:

• Modelos empíricos habituales como Okumura-Hata, Hata extended, COST 231, etc.

• Modelos LTE 3GPP basados en las recomendaciones 3GPP TR 36.942 V8.3.0.

• Modelos geométricos utilizados para calcular atenuaciones en situaciones de espacio libre opérdidas por difracción entre otras.

Tabla 7.4 Rango de aplicación de los modelos de propagación empíricos.

Modelos EmpíricosOkumura-Hata Hata extendido COST 231

Rango de frecuencias 150 MHz hasta 1.0 GHz1.5 GHz hasta 2.0 GHZ (modificación ICS) 30 MHz hasta 2.0 GHz 1.5 GHz hasta 2.0 GHz

Altura (efectiva) antena eNodoB 30 hasta 200 m 30 hasta 200 m 30 hasta 200 mAltura antena UE 1 hasta 10 m 1 hasta 10 m 1 hasta 10 m

Rango 1 hasta 20 km 1 hasta 100 km 1 hasta 20 km

Tabla 7.5 Rango de aplicación de los modelos 3GPP.

Modelos 3GPP3GPP Rural 3GPP Urbano

Rango de frecuencias 150 MHz hasta 1.0 GHz1.5 hasta 2.0 GHz 800 MHz hasta 2.0 GHz

Altura (efectiva) antena eNodoB 30 hasta 200 m 4 hasta 50 mAltura antena UE 1 hasta 10 m 1 hasta 3 m

Rango 1 hasta 20 km 1 hasta 100 km


Tabla 7.6 Rango de aplicación de los modelos deterministas.

Modelos geométricos

ITU-R 525(Modelo espacio libre)

Deygout 1994(Modelo para difracción)

Standard/Coarse/Fine Integration(Modelo Subpath)

Rango de frecuencias 30 MHz hasta 450 GHz 30 MHz hasta 450 GHz 30 MHz hasta 450 GHzAltura (efectiva) antena eNodoB Cualquier valor Cualquier valor Cualquier valor

Altura antena UE Cualquier valor Cualquier valor Cualquier valorRango Cualquier valor Cualquier valor Cualquier valor

7.2 Planificación, optimización y evaluación de la red LTE en ICS Designer

El objetivo final será la planificación radioeléctrica de una red LTE en la ciudad francesa de París.Para ello, se realizarán simulaciones utilizando diferentes frecuencias con el objetivo de ver el im-pacto que tienen éstas en diferentes parámetros como el caudal o velocidad que percibe el usuario.Se desarrollarán los cálculos en la banda de frecuencias cercana a 800 MHz y se expondrán losresultados obtenidos. Finalmente, se realizará un análisis de posibles lineas futuras de mejoras delsistema.

7.2.1 Parámetros generales

Para las diferentes simulaciones que se llevarán a cabo posteriormente, existen una serie de archivosy parámetros comunes a todas los cálculos. Una vez creado un nuevo proyecto en la herramienta ICSDesigner, se cargarán diferentes archivos de cartografía necesarios. Todos ellos con una resoluciónde cuatro metros.

• Paris4m.geo: contendrá el Modelo Digital del Terreno, es decir, para cada punto o píxelrepresentará su altitud respecto al nivel del mar.

• Paris4m.sol: almacena los diferentes clutters que componen la ciudad de París. El clutteres un archivo que contiene información administrativa, alturas y atenuaciones de diferenteszonas específicas dentro de un mapa.

• Paris4m.blg: cartografía de edificios. Presenta huellas y alturas descriptivas de los diferentesedificios presentes en nuestro mapa.

• Paris4m.img: archivo de imagen. No es más que una foto instantánea de la ciudad de París,cubriendo una superficie de 1000 km2.

7.2 Planificación, optimización y evaluación de la red LTE en ICS Designer 55

Figura 7.6 Capas de cartografía empleadas en ICS Designer.

Por otra parte, la información relativa al tráfico de los usuarios vendrá reflejada de una maneracifrada en el archivo Parispopulation.csv, proporcionado por la empresa ATDI. En él, la empresarepresenta la información real de usuarios de la zona de París, conteniendo detalles relativos a lasdistintas demandas de tráfico. Será de vital importancia en las simulaciones que se llevarán a cabo,pues gracias a estos datos reales podremos dimensionar correctamente la red LTE.

7.2.2 Simulaciones LTE en 800 MHz

Las bandas de frecuencias disponibles para LTE quedan descritas en el Anexo I. Para el desplieguede la red, se ha optado por elegir una canalización de 5MHz y la banda de frecuencias FDD número20, para simular un posible escenario disponible a partir de 2015 en España tras la liberación de lasfrecuencias pertenecientes al dividendo digital. Además, en las Figura 7.7 y Figura 7.8 se muestranlos diagramas de radiación de la antena que se utilizará en todas las simulaciones de este apartado.Se utilizará el modelo CV65BS del fabricante Andrew en su modalidad Single Input Single Output(SISO), y sus patrones de radiación podrán ser descargados en diferentes formatos de su propiapágina oficial. Una vez descargados podrán ser importados al programa, evitando así cualquierdefinición manual que pueda resultar laboriosa. Toda la información técnica de la antena a utilizarse puede consultar en los apéndices de esta memoria.

Tabla 7.7 Características banda de frecuencia nº20 LTE.

Modo dúplex FDDFrecuencias UL 832 MHz – 862 MHz

Frecuencia central UL 847 MHzFrecuencias DL 791 MHz – 821 MHz

Frecuencia central DL 806 MHzCanalización 5, 10 o 15 MHZNúmero de RB 25, 50 o 75Radio hexágono 550, 500, 450, 400 o 300 m


Figura 7.7 Diagrama radiación horizontal antena Andrew CV65BS.

Figura 7.8 Diagrama radiación vertical antena Andrew CV65BS.

Además, habrá que configurar los parámetros de la plantilla del transmisor (Figura 7.9). Para ello,y ante la dificultad de poder encontrar la hoja de características técnicas de los transmisores, seopta por utilizar valores recomendados por el 3GPP en el documento “3GPP TR 36.942 V8.2.0”.El valor de todos estos parámetros se puede ver en los apéndices de esta memoria.

Nótese que si observamos los patrones de radiación en la Figura 7.10, éstos no coinciden exac-tamente a los definidos en la Figura 7.7 y Figura 7.8. Por simplicidad, ICS Designer en dichapestaña representa estos diagramas de una forma aproximada, teniendo en cuenta para los cálculosel archivo .txt con los valores técnicos del elemento (importado previamente en la base de datosantenas).


Figura 7.9 Parámetros técnicos eNodeB.

Figura 7.10 Radiación eNodeB.


En cuanto a la disposición de los transmisores, se asumirá una planificación celular de los emplaza-mientos. Puesto que este proyecto tiene lugar en un área urbana, se escogerá por radio del hexágonoel valor de 500 m, con una distancia entre dos emplazamientos de 1500 m (3 ·R).

Figura 7.11 Sectorización 120°.

Como se puede apreciar en la Figura 7.11, se utilizará una sectorización de 120°. Su uso será apro-piado puesto que es una de las técnicas más utilizadas por los operadores de telefonía móvil. Conella se consigue reducir el número de interferencias co-canales de 6 a 2, aumentando así la capaci-dad del sistema.

Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, el siguiente paso es situar los emplazamientospara los transmisores. Para ello, ICS Designer permite en una primera instancia la generación delos eNodeBs siguiendo un patrón de red celular para una determinada zona. El resultado quedadescrito en la siguiente figura.

Figura 7.12 Disposición de las células.


Aunque en una primera fase ya se han localizado las estaciones, debemos asegurar que éstas sesitúen en los edificios más altos de su entorno. Al ejecutar la etapa anterior, ICS Designer encuentralos puntos óptimos para su localización, pero sin tener en cuenta las alturas de los edificios. Porello, se pasa a realizar esta mejora.

Figura 7.13 Recolocación de las células.


Simulación de cobertura

El primer paso que debemos hacer es el cálculo de la cobertura. Se debe asegurar que en todos lospuntos dentro de nuestra zona de estudio, el nivel de señal recibido por cualquier receptor móvilestá por encima del umbral definido, es decir, por encima -101 dBm. ICS Designer establecerácomo umbral 34 dBu, es decir, su valor equivalente en campo eléctrico considerando una antenacon ganancia 0 dB. La configuración y resultados quedan reflejados en las siguientes figuras.

Figura 7.14 Configuración de parámetros para el análisis de cobertura.

Figura 7.15 Resultado del análisis de cobertura LTE-800 MHz.


Si observamos los resultados expuestos en la Figura 7.15, se puede afirmar con total seguridad queno tendremos problemas de cobertura en nuestra zona de estudio. Se aprecia cómo el nivel de señalmínimo recibido es de -90 dBm, el cuál es mayor que el umbral exigido de -101 dBm. Ademas, sise utilizaran otros tamaños de células no se tendrán problemas de nivel de señal, puesto que las cé-lulas son de un radiomenor y la señal se vería menos atenuada al tener que recorrer menor distancia.

Respecto a la interpretación de los código de colores que emplea ICS Designer, cabe destacar losiguiente: cada color indicará que el nivel de señal recibido es mayor o igual que el valor reflejadopor dicho color, como ejemplo, en la Figura 7.16 el turquesa indicará que la potencia recibida esmayor o igual a -83 dBm, pero, menor que -74 dBm.

Para profundizar, se realizará un estudio de cobertura RSRP. Con él, y como se comentó en lasección 7.1.2, se consigue ver el alcance de las señales de referencias (RS) de cada célula. Es decir,se analizará la potencia de los símbolos OFDM que lleven identificación de referencia de la celda,que en este proyecto representan un 10% de la potencia total del transmisor.

Figura 7.16 Cobertura RSRP.

En la Figura 7.16 se contempla el nivel de potencia para las señales de referencia. Los valoresaconsejables para el nivel RSRP por "3GPP TR 36.942" están comprendidos entre -40 dBm y -130dBm. Como se aprecia, nuestro valor menor está muy por encima de -130 dBm.

Por otro lado, y puesto a que a un UE le llegan distintas señales de referencia, hay que asegurarque en cada píxel ninguna señal de referencia sea en potencia equiparable a la del mejor servidor,es decir, que en una gráfica de potencia la RS del mejor servidor sea claramente distinguida. Esto,facilitará al UE el proceso de selección de una estación. La Figura 7.17 muestra las RS recibidas encada punto del mapa. Cabe destacar que si existiera algún riesgo de superposición en potencia deseñales RS, ICS Designer mostraría la zona de color rojo intenso (ejemplo de riesgo Figura 7.18).Se puede afirmar entonces que no se hayan riesgos de degradación para dichas señales.


Figura 7.17 Análisis RSRP simultáneo.

Figura 7.18 Ejemplo de degradación de la Señal de Referencia (RS).

Cálculo de mapa SINR

Una vez se ha asegurado un nivel de cobertura adecuado en todos los puntos de la zona a estudiar,se pasa a comprobar la relación SINR (en canal PDSCH) en toda la región. Dicho análisis se realizasobre los canales de tráfico. Como es lógico, dichas relaciones serán a priori muy bajas. Como sepodía intuir previamente, esto se debe a que todas las estaciones están emitiendo en una misma fre-cuencia, en este caso 806 MHz. A pesar de todo ésto, su cálculo servirá de punto de referencia paraver cómo evolucionan dichas relaciones a lo largo del presente proyecto, especialmente después detrazar un plan de frecuencias adecuado para el sistema LTE.


Figura 7.19 Configuración previa al cálculo SINR.

Figura 7.20 Mapa SINR (canal PDSCH) inicial.


Respecto a la máscara IRF que se contempla en la Figura 7.19, no representa más que la atenuacióncausada por los filtros presentes en el receptor para evitar interferencias.

Si observamos detalladamente la Figura 7.20, tenemos niveles muy pobres de SINR. Se apreciacomo en casi cualquier píxel estamos en valores negativos. Para poder mitigar este problema crí-tico, a continuación realizaremos una planificación automática de frecuencias automática y unaoptimización de los emplazamientos.

Planificación automática de frecuencias y optimización de los emplazamientos

El objetivo de la planificación automática de frecuencias es conseguir minimizar las interferencias.Deben tenerse en cuenta dos puntos importantes:

• Durante la asignación de frecuencias, la frecuencia deberá variar entre un rango de valorespreviamente definidos, con un paso determinado.

• Después de la asignación automática, puede ser necesario volver a calcular los niveles decobertura, puesto que estos niveles dependen directamente de la frecuencia de transmisión.A pesar de esto, puesto que nuestro rango de variación será pequeño y nos moveremos dentrode la misma banda, no se notarán rangos de variación apreciables.

Lo primero a tener en cuenta será la banda de trabajo. En este caso y como se comentó con anterio-ridad, será la Banda de Frecuencias nº20. Su uso se remonta a Europa, Australia y algunas zonasconcretas de Rusia. Hoy día representa la segunda banda más usada después de la Banda nº7. Contodas estas consideraciones y atendiendo a que el escenario elegido tiene presencia en París, seestima la mejor opción para desarrollar nuestro estudio en frecuencias próximas a los 800 MHz.

Tabla 7.8 Banda nº20 LTE.

Modo duplexado FDDFrecuencias enlace descendente

(MHz) 791-821

Frecuencias enlace ascendente(MHz) 832-862

La característica más llamativa de dicha banda es que posee las frecuencias menores en el enla-ce descendente, en vez de en el ascendente. Esto se debe a la existencia cercana en frecuencia deservicios de radiodifusión televisivos, por ello el motivo de alejar lo más posible la frecuencia delenlace ascendente.

Considerando las recomendaciones sobre LTE del propio ICS Designer, para la siguiente plani-ficación en frecuencias se considerarán un número de cinco portadoras. Cada una de éstas, estaráequi-espaciada el valor del ancho de banda utilizado, siendo en este caso 5 MHz. No será necesariomantener un margen de guarda entre portadoras, puesto que en los propios 5 MHz ya se considerauna separación de 500 kHz. Atendiendo a la teoría sobre redes celulares, se sabe que el patrón dereutilización debe ser un número rómbico y además múltiplo de tres, puesto que en este proyectose emplea una estructura sectorial de 120°. A pesar de estas premisas, ICS Designer es capaz deoptimizar la interferencia total de la red para un número de frecuencias dado que el operador dered pueda disponer. Por ello, es posible utilizar un número de frecuencias que en esta ocasión noes múltiplo de tres.


Tabla 7.9 Descripción frecuencias asignables.

ID Tx frec. (MHz) Rx frec. (MHz)1 791 8322 796 8373 801 8424 806 8475 811 852

Las especificaciones de las frecuencias a utilizar en la planificación de frecuencias quedan descri-tas en la Tabla 7.9. Se comprueba cómo se respeta en todas las bandas un espaciado duplex de 41MHz, tal como indica el 3GPP. Además, con objeto de mejorar las prestaciones futuras se permitirála alternancia entre polarizaciones horizontales y verticales. Se persigue cambiar las polarizacio-nes a estaciones que tengan asignadas la misma portadora, consiguiendo así mitigar aún más lainterferencia global. Todo esto es posible siempre que las antenas de los eNodeB posean un buenfactor de discriminación sobre polarizaciones cruzadas (XPD). En esta ocasión, se utilizan antenasde última tecnología con un factor adecuado de 11 dB.

Figura 7.21 Asignación de frecuencias.

Una vez todos los parámetros han sido configurados en la plantilla de ICS Designer para la plani-ficación pasamos a iniciar la simulación. Para ello, se elige para el proceso de cálculo un métodoadaptativo y además uno de tipo Monte-Carlo, para tener en cuenta así también las interferenciasen el enlace ascendente y no sólo en el enlace descendente.

Tras un total de aproximadamente 2500 interacciones, el resultado se muestra en la Tabla 7.10. Sedetallan en ella tanto las frecuencias transmisoras como las distintas polarizaciones, representan-do con las letras H y V las polarizaciones horizontales y verticales respectivamente. Con objetivode simplificación no se muestran las frecuencias receptoras, aunque éstas seguirán el espaciadode 41 MHz acorde a como se describió en la Tabla 7.9. Además, se muestra en la Figura 7.22 ladistribución sobre un mapa de las estaciones y frecuencias calculadas.


Figura 7.22 Distribución de frecuencias sobre mapa.

Tabla 7.10 Planificación de frecuencias eNodeB (H=Horizontal, V=Vertical).

Estación Tx frec. (MHz) Polarización Estación Tx frec. (MHz) Polarización1 796 H 22 811 V2 806 V 23 791 H3 811 H 24 796 V4 791 V 25 796 V5 806 H 26 796 H6 801 H 27 806 V7 806 V 28 806 V8 796 H 29 806 H9 806 H 30 806 H10 801 H 31 796 V11 806 H 32 811 H12 801 V 33 796 V13 806 V 34 801 H14 796 V 35 796 H15 811 H 36 811 V16 801 V 37 806 V17 801 H 38 791 H18 806 H 39 811 H19 791 H 40 806 H20 811 V 41 801 V21 796 H 42 791 V


Una vez realizada la asignación automática de frecuencias, se pasa a la optimización de los em-plazamientos. Para ello, se hará uso de la función "Station Optimizing" con el fin de encontrar elmejor valor a aplicar al tilt de las antenas de acuerdo a los objetivos de cobertura.

Hoy día, la eficacia de una red celular depende en gran medida de una correcta configuraciónde los sistemas de telecomunicación radiantes, es decir, sus antenas transmisoras y receptoras. Unade las principales y más usadas técnicas es el tilt. Éste, se basa en un ajuste correcto de la pendientede la antena con relación a un eje. Con ello, se consigue concentrar la radiación en una zona másbaja (downtilt) o más alta (uptilt), según se desee.

Para la realización de la optimización se optará por elegir downtilt. El objetivo de ésta técnicaes conseguir reducir la interferencia provocada por las células, gracias a la reducción de la cober-tura. A pesar de que existen diversas técnicas de tilt (mecánico y eléctrico), se seleccionará el tipomecánico. Éste, se fundamenta en la inclinación manual de las antenas a través de los accesoriosque éstas traen, sin cambiar en ningún momento la fase de la señal de entrada (tilt eléctrico).

Figura 7.23 Configuración previa optimización tilt.

Con todas estas pautas explicadas, se pasa a la realización de la optimización. En ella, elegiremoscomo se ha dicho el tilt entre diversos parámetros que pueden ser optimizados, como por ejemplolo son las alturas de las antenas de los eNodeB o las pérdidas añadidas en exceso por cada una delas estaciones transmisoras. Para conseguir esto, ICS Designer hará distintas simulaciones de co-bertura e interferencia con los distintos valores que se configuren (hasta cinco), eligiendo el valorque cumpla los requisitos de cobertura y produzca la menor interferencia posible. En este caso, seopta por configurar la plantilla con valores de tilt comprendidos entre -8°y -20°.

Además, tal como se observa en la Figura 7.23, se establece como sensibilidad de cobertura elvalor 34, por valor de las alturas receptoras 1.5 m y se seleccionan todos los clutters para el cálcu-lo. Mención especial requiere el valor de cobertura, ya que a simple vista puede parecer distintoal fijado anteriormente en las plantillas de los eNodeB (-101 dBm). Ésto, se debe a que en estecaso ICS Designer automáticamente y tomando como referencias los valores configurados en lasestaciones bases, opta por convertir la sensibilidad a campo eléctrico mínimo que habría en lasinmediaciones de la antena considerando una ganancia de 0 dB.


Tabla 7.11 Optimización del tilt mecánico de las antenas transmisoras.

Estación Tx frec. (MHz) Tilt (°) Estación Tx frec. (MHz) Tilt (°)1 796 -10 22 811 -102 806 -10 23 791 -103 811 -8 24 796 -104 791 -10 25 796 -105 806 -10 26 796 -106 801 -8 27 806 -107 806 -8 28 806 -108 796 -10 29 806 -109 806 -8 30 806 -1010 801 -10 31 796 -1011 806 -10 32 811 -812 801 -10 33 796 -1013 806 -10 34 801 -1014 796 -10 35 796 -815 811 -10 36 811 -1016 801 -10 37 806 -817 801 -10 38 791 -818 806 -10 39 811 -1019 791 -10 40 806 -820 811 -10 41 801 -821 796 -8 42 791 -8

El resultado de la optimización se muestra en la Tabla 7.11. Destaca cómo la mayoría de los tiltsmecánicos son de 10°. Esto podría ser predecible, pues en las hojas de características de las an-tenas (expuestas en los apéndices de esta memoria) destacan valores recomendables de -5°y -10°.Además, ICS Designer en su algoritmo de optimización intenta llegar a que predomine un valorde tilt, para que las antenas tengan características comunes y sea más fácil el proceso futuro deinstalación de la red.

En este caso, aunque predomina el valor de -10°, en ciertos lugares puntuales se produce una mo-dificación estableciéndose para ello el valor de -8°. Destaca cómo los lugares en los que se aplicanlos -8°son en las antenas exteriores o que bordean la red, es decir, en aquellas que pueden disminuirsu inclinación debido a que apuntan a zonas exteriores que no presentan antenas interferentes.

Efectuada la optimización, el siguiente paso será volver a calcular los niveles de cobertura y elmapa SINR. Como se citó anteriormente, este paso es necesario pues se han modificado tanto lasfrecuencias transmisoras como los patrones de radiación de las antenas (al modificar el tilt).

El resultado del nuevo cálculo de cobertura compuesta se muestra en la Figura 7.24. Se obser-va cómo a diferencia de la Figura 7.15, en este nuevo cálculo mejoramos el nivel de señal en laszonas próximas a las estaciones bases, a costa de empeorar el nivel de señal en zonas alejadas aéstas. Esto, es lógicamente consecuencia de emplear downtilt, y resulta beneficioso pues el nivel decobertura que desciende es sólo aquel que se encuentra fuera de nuestra zona de estudio, tal comose ve en la Figura 7.24.


Figura 7.24 Cálculo de cobertura teniendo en cuenta tilt.

Figura 7.25 Análisis RSRP simultáneo tras optimización.

Al igual que se hizo anteriormente, se vuelve a comprobar que no existan riesgos de superposiciónde señales de referencia en ningún punto del mapa. Nuevamente se corrobora que no existen peli-gros de degradación de las señales, al no existir zonas de color rojo en la Figura 7.25.

Finalmente, se realiza el nuevo cálculo del mapa SINR para comprobar que las optimizacionesque se realizaron tuvieron éxito.


Figura 7.26 Mapa SINR (canal PDSCH) posterior a la optimización.

En la Figura 7.26, se observa cómo a diferencia de la situación inicial (Figura 7.20) la relación señalinterferencia que predomina está entre 1 y 14 dB, en cambio, en la situación inicial se obtenía unvalor entre -8 y -1 dB, pues el color de la leyenda indica que la relación es superior a dicho valor.Por tanto, se corrobora la mejora que se venía buscando con la fase de optimización de la red.

Análisis de tráfico en el enlace descendente

Una vez se ha alcanzado el mapa SINR de la red LTE, se está en disposición de poder calcular elmapa de tráfico en el enlace descendente. Para ello, previamente habrá que proporcionar al progra-ma una tabla que relacione las relaciones SINR con los caudales de tráfico que el equipo transmisores capaz de suministrar. Ante la dificultad de encontrar dicha información, se utilizará para el de-sarrollo de este apartado la tabla que proporciona por defecto el propio programa, la cual se puedever en la Tabla 7.12 o bien en forma de gráfico en la Figura 7.27 . Dicho caudal ofrecido es por RB,por lo que para obtener el total habría que multiplicar por doce, pues estamos usando una carga enla célula del 50%.

Además, con el fin de complementar el estudio se ejecutará un análisis dinámico de tráfico. Pa-ra ello, se aprovechará el módulo estadístico que ICS Designer destina a LTE, es decir, se emplearáel conocido simulador de Monte-Carlo. Con él, se conseguirá una gráfica detallada de la evolucióntemporal del caudal de bajada para el UE.


Tabla 7.12 Relación entre SINR y caudal por RB en el enlace descendente.

SINR (dB) SISO (kbps) SINR (dB) SISO (kbps)-5 42.25 16 580.35-4 51.80 17 614.74-3 62.73 18 647.58-2 75.17 19 678.43-1 89.21 20 706.860 104.97 21 732.441 122.57 22 754.802 141.99 23 773.603 163.38 24 788.554 186.74 25 799.405 212.05 26 805.996 239.29 27 808.217 268.38 28 808.218 299.20 29 808.219 331.60 30 808.2110 365.37 31 808.2111 400.27 32 808.2112 436.02 33 808.2113 472.28 34 808.2114 508.69 35 808.2115 544.85 36 808.21

Figura 7.27 SINR vs Caudal por RB en el enlace descendente.


Figura 7.28 Mapa estático de tráfico en el enlace descendente.

Respecto a la simulación estática, como se ha comentado anteriormente ésta es calculada a travésde la relación existente entre SINR y caudal por RB. Esto es posible puesto que justo anteriormentese ha ejecutado un análisis de interferencia. Se observa en la Figura 7.28 cómo se consiguen valorespredominantes entre los 4 Mbps y los 6.5 Mbps. Si bien dichos valores de caudales proporcionanun buen nivel referencia, para poder comprobar el comportamiento real y completo del sistema setiene que ejecutar un análisis dinámico de tráfico.

Para ello, el simulador de Monte-Carlo reflejará el comportamiento temporal que tendría un ter-minal de usuario, mostrando los niveles de caudal y SINR en cada instante de tiempo. Gran partede la fiabilidad de estos resultados depende del número de pasadas o simulaciones del algoritmosecuencial utilizado, no siendo adecuado un valor menor de 1000 pasadas según las propias re-comendaciones del simulador. Para estas simulaciones, se optó por un valor razonable de 3000pasadas.

Figura 7.29 Análisis dinámico relación SINR en el enlace descendente.


Figura 7.30 Simulación Monte-Carlo del caudal de un UE.

En las Figura 7.29 y Figura 7.30 se contempla los resultados de la simulación. La primera de ellasofrece un análisis detallado de las relaciones SINR en el canal PDSCH, y la segunda una recreaciónde la evolución temporal del caudal recibido por un UE.

Respecto a la evolución de la relación señal a interferencia más ruido, a través de una distribu-ción se observa cómo aproximadamente el 50% de todos los usuarios recibirán un nivel SINRmayor o igual de 14.5 dB. También, se contempla cómo dicha relación será siempre positiva, esdecir, para el nivel cero se tiene una probabilidad de superar dicho valor en torno al 100%.

Por otra parte, en la Figura 7.30 se observa la evolución del caudal recibido por un equipo deusuario de la red LTE. En esta figura destaca cómo en torno al 85.04% de los casos tenemos uncaudal aproximado de 4.25 Mbps, obteniéndose también en algunos instantes picos de 10.2 Mbps.Nótese que dichos picos corresponden a la situación en la que el UE reciba una SINRmayor o iguala 27 dB.

Llegados a éste punto, se podría pensar que el valor conseguido es bastante bajo para la tecno-logía que se está usando. En relación a esto, varios comentarios son obligatorios:

• En primer lugar, hay que considerar que se está utilizando tal vez la configuración más sen-cilla que ofrece LTE. Para la banda nº20 de frecuencias, se usa la menor canalización posiblede las que ofrece, es decir, 5 MHz. Además, no se emplean técnicas relacionadas con el usode múltiples antenas que puedan aumentar considerablemente las tasas.

• Por otro lado, el escenario de estudio presenta una altísima densidad de población. De acuer-do a los datos demográficos de la ciudad de París, actualmente dicha tasa se encuentra porencima de los 20000 hab/km2, llegando incluso a superar los 40000 hab/km2 en zonas comoel distrito 15 (considerado en la zona de estudio).

Como justificación a los resultados que se han obtenido, se muestran en la Tabla 7.13 valores teóri-cos de referencia extraídos de [19]. Si se contempla la columna asociada al ancho de banda 5 MHz,se ve cómo el nivel máximo de tráfico en el enlace descendente sería de 25.2 Mbps. Dicho valorse obtendría siempre que se tuvieran todos los bloques físicos RB asignados a canales de tráfico.Como durante la configuración de los eNodeB se estableció una carga de tráfico del 50%, el nivelmáximo en las mejores condiciones quedaría restringido a 12.6 Mbps.

Los resultados presentados anteriormente indican un valor de 4.25 Mbps en el 85% del intervalode tiempo, obteniéndose además picos máximos de caudal de 10.2 Mbps (4.72%). Tomando comoreferencia los valores explicados en el párrafo anterior y teniendo en cuenta la alta densidad depoblación de la ciudad, se puede afirmar que se obtienen valores razonables y adecuados para laconfiguración LTE empleada.


Tabla 7.13 Caudales máximos absolutos en el DL con 100% de carga de tráfico.

Uso de Prefijo Cíclico Normal- 14 símbolos OFDM por 1msAncho de Banda 1.4 MHz 3 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz 20 MHzRB disponibles 6 15 25 50 75 100

QPSK-Tasa (Mbps) 2.0 5.0 8.4 16.8 25.2 33.616QAM-Tasa (Mbps) 4.0 10.1 16.8 33.6 50.4 67.264QAM-Tasa (Mbps) 6.1 15.1 25.2 50.4 75.6 100.8

2x2 MIMO 64 QAM-Tasa (Mbps) 12.1 30.2 50.4 100.8 151.2 201.64x4 MIMO 64 QAM-Tasa (Mbps) 24.2 60.4 100.8 201.6 302.4 403.2

Análisis de tráfico en el enlace ascendente

Una vez que se ha realizado con total detalle el análisis en el enlace descendente, el siguiente pasopara completar un análisis completo de tráfico será replicar los estudios en el enlace ascendente.Esta vez, se busca por objetivo conseguir unmapa SINR y un análisis dinámico de tipoMonte-Carlopara el canal PUSCH.

Tabla 7.14 Relación entre SINR y caudal por RB en el enlace ascendente.

SINR (dB) SISO (kbps) SINR (dB) SISO (kbps)-5 28.16 16 386.90-4 33.93 17 409.82-3 41.22 18 431.72-2 50.11 19 452.28-1 59.47 20 471.240 69.98 21 488.291 81.13 22 503.202 95.23 23 515.733 108.34 24 525.74 123.35 25 532.935 141.36 26 537.326 160.10 27 538.607 180.07 28 538.608 200.04 29 538.609 219.90 30 538.6010 242.40 31 538.6011 267.43 32 538.6012 291.27 33 538.6013 316.05 34 538.6014 339.12 35 538.6015 360.82 36 538.60


Figura 7.31 Relación entre tráfico y SINR en el enlace ascendente.

Para estas simulaciones, la correspondencia entre los caudales proporcionados y la relación señala interferencia más ruido se muestra en la Figura 7.31 y en la Tabla 7.14. Al igual que pasó cuandose analizó el enlace descendente, serán utilizadas las proporcionadas por ICS Designer para LTEante la dificultad de poder encontrar dicho material de manera gratuita.

El resultado de las simulaciones estáticas se muestra en la Figura 7.32 y Figura 7.33, mientrasque la simulación estadística de Monte-Carlo queda reflejada en la Figura 7.34.

Figura 7.32 Mapa SINR en canal PUSCH.


Figura 7.33 Mapa estático de tráfico en el enlace ascendente.

Figura 7.34 Mapa dinámico de tráfico en el enlace ascendente.

En la Figura 7.32 se contempla cómo en todos los puntos del mapa se obtienen valores positivosen la relación SINR del canal PUSCH, lo cual tendrá una repercusión positiva en los caudales delenlace de tráfico ascendente. Dichos caudales, se pueden observar a través del mapa estático de laFigura 7.33. En ella, predominan sobre todo valores comprendidos entre los 3.030 Mbps y los 4.23Mbps, o lo que es lo mismo, valores SINR entre 10 y 14 dB.

Por su parte, en el análisis estadístico el objetivo será nuevamente buscar el caudal del que dis-pondría un equipo de usuario en torno al 85% del tiempo, para poder así comparar con el que seofrecía en el enlace descendente. Esto se muestra en la Figura 7.34, en la cual se ve que el valor esde 3.1348 Mbps. Además, y al igual que ocurría en el enlace descendente, se consiguen picos enla velocidad o régimen binario, en esta ocasión de 6.735 Mbps (3.81%).

Teniendo en cuenta los valores obtenidos en ambos enlaces y de acuerdo a las categorías de usua-rios definidas en la Release 8 del 3GPP, se puede afirmar que los equipos de usuarios quedanenglobados dentro de la primera categoría, pues aunque los picos de tráfico superan los límitesestablecidos por el 3GPP para la primera clase, sólo se obtienen en periodos temporales de tiempomuy pequeños.


Tabla 7.15 Categorías de usuarios LTE.

Categorías UE en LTECategoría 1 2 3 4 5

Tasa en DL (Mbps) 10 50 100 150 300Tasa en UL (Mbps) 5 25 50 50 75

Asignación automática de vecinos y planificación PCI

Una vez se han obtenido los mapas de tráfico, el siguiente paso consiste en realizar una asigna-ción automática de vecinos. A través de la función "Neighbour Calculation" de ICS Designer, seconsigue obtener una lista de las inter e intra-frecuencias vecinas necesaria para planificar las asig-naciones PCI, evitando así el riesgo de colisión. En este caso y puesto que se está estudiando sóloel comportamiento de la red LTE, no será necesario la asignación de vecinos de otro tipo de tec-nologías como GSM o UMTS.

Se hará la asignación estableciendo un número máximo de 16 vecinos de la misma tecnología, conuna distancia teórica máxima de 4000 m. Además, se impondrá un margen de histéresis (RSRPMargin) de 5 dB entre la zona de cobertura de la celda de servicio y las celdas vecinas, y se esta-blecerá un valor del 10% de solape (%Min Covered Area) entres las celdas servidora y vecina parapoder ser consideradas vecinas. También, se fijará que el algoritmo realice los cálculos conside-rando shadowing (desvanecimiento lento por zona de sombra) para una probabilidad de coberturadel 85% en el borde de la célula.

Figura 7.35 Configuración previa a la asignación de vecinos.


Figura 7.36 Lista de vecinos en eNodeB.

Una vez se lleva a cabo el algoritmo y tras la asignación de vecinos, ahora si se podrá llevar a cabouna planificación de los PCI, pues cada eNodeB sabe quiénes son sus respectivos vecinos. Se puedecomprobar como cambia la configuración de las estaciones bases, reflejándose en el campo "Listade vecinos" los respectivos vecinos del eNodeB. Se observa la comparación en las Figura 7.35 yFigura 7.36.

Respecto a la planificación PCI, como se sabe el PCI no es más que un identificador de capa fí-sica. Gracias a él, en el proceso de conexión de un UE a una célula, el terminal puede identificarunívocamente una señal de referencia específica (RS) de la celda y comenzar así su proceso deconexión. En la configuración del proceso, se establecerá tal como establece el 3GPP un rango deIDs para los PCIs dentro del dominio completo 0-503. Además y como muestra la Figura 7.37, seforzará también el establecimiento de identificadores de grupos, para facilitar así la búsqueda a losterminales móviles.

Figura 7.37 Pantalla generación de PCIs.


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00

00

42

41

13

2

Figu

ra7.

38Re

sulta

dogeneración

PCIs.


Figura 7.39 Distribución de células reflejando call sign.

El resultado de la simulación se observa en la Figura 7.38. En él, se observan los siguientes trestipos de identificadores:

• ID Célula PHY. Representa el identificador PCI general de la célula para toda la red LTE.

• ID Grupo PHY. Sirve para agrupar las estaciones según el emplazamiento donde se encuen-tre. Tiene sentido puesto que se ha utilizado una sectorización 120°.

• PCI MODn. Identifica la célula dentro de su emplazamiento. Cómo se utilizan tres sectorespor emplazamientos, su valor varía entre 0 y 2.

Finalmente, se muestra en la Figura 7.39 la distribución de las distintas células indicando sus res-pectivos identificadores call sign, con el fin de poder identificar los resultados dados en la Figu-ra 7.38.

Planificación PRACH y RSI

Durante el procedimiento de acceso aleatorio, uno de los primeros pasos es la transmisión de unpreámbulo aleatorio por parte del equipo de usuario. Como se comentó en la sección 7.1.2, el prin-cipal objetivo de este preámbulo es indicar el intento de acceso aleatorio y sobre todo permitir a laestación base poder estimar el retardo entre eNodeB y UE.

El canal físico de acceso aleatorio (PRACH) constará de este preámbulo y además de un prefi-jo cíclico. El preámbulo para ser generado utilizará las conocidas secuencias de Zadoff-Chu porsus buenas propiedades de correlación cruzada. Las secuencias preámbulos utilizadas parten de


una secuencia de Zadoff-Chu raíz o secuencia inicial de longitud 839, y se generan por despla-zamiento cíclico de dicha secuencia raíz. Aunque existen un total de 838 posibles secuencias conóptima correlación cruzada, en la práctica sólo deben considerarse como mucho un total de 64,generadas con una separación cíclica suficientemente grande.

Para diferenciar la asignación de las diferentes secuencias a los eNodeB, aparece el parámetroRoot Sequence Index o Índice de Secuencia Raíz. Para un completo estudio, cualquier planifica-ción radioeléctrica deberá incluir una lista de las asignaciones de estas secuencias. Por ello, se pasaa realizar dichos cálculos.

Tabla 7.16 Configuración secuencias PRACH, especificación 3GPP TS 36.211.

Índice de configuraciónPRACH

Número de Secuenciasraíces por célula

Radio accesoaleatorio (km)

1 1 0.62 2 13 2 1.44 2 25 2 2.56 3 3.47 3 4.38 4 5.49 5 7.310 6 9.711 8 12.112 10 15.813 13 22.714 22 38.715 32 58.70 64 118.8

Un aspecto fundamental en esta planificación será determinar el número de secuencias a utilizarpor cada célula. Para ello, se hará uso de la relación existente proporcionada por el 3GPP y refle-jada en la Tabla 7.16. En este caso, se tomará un radio de acceso de aleatorio de 1 km. Aunqueen el inicio de la planificación se estableció un radio celular de 500 m, se tomará 1 km para teneren cuenta las células que proporcionan conexión en los bordes de nuestra zona de estudio, cuyacobertura se extiende mas allá de los 500 m.

Si se contempla la Tabla 7.16 nuevamente, se ve cómo se necesitarían un número de dos secuen-cias raíces por cada célula. Puesto que cada secuencia es una variación desplazada de la secuenciaoriginal de Zadoff-Chu, y haciendo caso a las recomendaciones establecidas por el 3GPP, se atri-buirá una secuencia más por célula con el objetivo de aumentar aún más la separación entre lassecuencias que forman el preámbulo en cada zona, es decir, se escogerá el indice de configuraciónnúmero 6. El resultado final queda descrito en la siguiente figura.


Ad

jud

icación

de ín

dice d

e secuen

cia raíz

BS

TC

allsign

RS

I1

c00

00

00

10

.1.2

.2

c00

00

00

23

.4.5

.3

c00

00

00

36

.7.8

.4

c00

00

00

49

.10

.11.

5c0

00

00

05

12

.13

.14

.6

c00

00

00

61

5.1

6.1

7.

7c0

00

00

07

18

.19

.20

.8

c00

00

00

82

1.2

2.2

3.

9c0

00

00

09

24

.25

.26

.1

0c0

00

00

10

27

.28

.29

.11

c00

00

011

30

.31

.32

.1

2c0

00

00

12

33

.34

.35

.1

3c0

00

00

13

36

.37

.38

.1

4c0

00

00

14

39

.40

.41

.1

5c0

00

00

15

42

.43

.44

.1

6c0

00

00

16

45

.46

.47

.1

7c0

00

00

17

48

.49

.50

.1

8c0

00

00

18

51

.52

.53

.1

9c0

00

00

19

54

.55

.56

.2

0c0

00

00

20

57

.58

.59

.2

1c0

00

00

21

60

.61

.62

.2

2c0

00

00

22

63

.64

.65

.2

3c0

00

00

23

66

.67

.68

.2

4c0

00

00

24

69

.70

.71

.2

5c0

00

00

25

72

.73

.74

.2

6c0

00

00

26

75

.76

.77

.2

7c0

00

00

27

78

.79

.80

.2

8c0

00

00

28

81

.82

.83

.2

9c0

00

00

29

84

.85

.86

.3

0c0

00

00

30

87

.88

.89

.3

1c0

00

00

31

90

.91

.92

.3

2c0

00

00

32

93

.94

.95

.3

3c0

00

00

33

96

.97

.98

.3

4c0

00

00

34

99

.10

0.1

01

.3

5c0

00

00

35

10

2.1

03

.10

4.

36

c00

00

03

61

05

.10

6.1

07

.3

7c0

00

00

37

10

8.1

09

.110

.3

8c0

00

00

38

111.11

2.11

3.

39

c00

00

03

911

4.11

5.11

6.

40

c00

00

04

011

7.11

8.11

9.

41

c00

00

04

11

20

.12

1.1

22

.4

2c0

00

00

42

12

3.1

24

.12

5.

Nº de secuencias raíz por sector: 3

Índice de configuration PR

AC

H: 6

Radio de acceso aleatorio (km

): 35818238355835065000000000000.0000

Figura7.40

Resultadogeneración

RSIs.


Estudio del traspaso entre células

Para finalizar el estudio del sistema, se realizará un estudio del comportamiento que tiene un UEdurante una situación de handover o traspaso entre distintas células. Dicha situación ocurre cuan-do se transfiere el servicio de una estación base a otra cuando la calidad del enlace es insuficienteen una de las dos estaciones. Dicho traspaso será de tipo hard y podrá ser además entre distintastecnologías, es decir, por ejemplo entre LTE y UMTS. En este caso, sólo se estudiara el traspasoentre células de la misma tecnología (LTE).

ICS Designer permitirá estudiar este tipo de situaciones gracias a su simulación en modo ruta. Enél, y con el establecimiento previo por parte del usuario de una ruta se puede analizar el comporta-miento del nivel de señal, ver a que estación se está conectado en cada momento o analizar diversasrelaciones como la SINR. Por ello, se configurará una ruta aleatoria, la cual queda contemplada enla Figura 7.41.

Figura 7.41 Configuración ruta móvil UE.

Una vez configurada la ruta, el primer paso será estudiar el nivel de señal a lo largo de la ruta. Elobjetivo de esto será corroborar que el nivel de señal debido a posibles zonas de sombras no caigapor debajo de la sensibilidad establecida. Para ello, se establecerá un margen para el handover de 5dB, es decir, se producirá el traspaso siempre que la relación entre la señal de la estación candidatay de la de servicio sea mayor o igual a este valor.

Se comprueba en la Figura 7.42 que el nivel de señal mínimo está por encima de la sensibili-dad, es decir, se supera los 34 dBuV/m. También se aprecia información complementaria comocoordenadas o distancia total recorrida.


Figura 7.42 Nivel de señal durante el trayecto del usuario.

Figura 7.43 Relación C/I durante el trayecto del usuario.

Para finalizar esta sección, se muestra la relación señal interferencia en la Figura 7.43. En el 93%del intervalo del tiempo se obtiene un valor superior a los 5 dB, con lo que se puede afirmar queel proceso de traspaso se realizará con total éxito y fiabilidad, asegurándose tanto el nivel de señalcomo las relaciones señal a interferencia.

8 Conclusiones y Futuras Líneas deInvestigación

En este capítulo se van a exponer las conclusiones que se han extraído de la realización de proyecto,a saber, sobre ICSDesigner, sobre LTE, y sobre las simulacione realizadas. Además, se van a sugerirlas líneas futuras con las que se podría seguir el proyecto, así como algunas mejoras sobre el mismopara conseguir mejores prestaciones.

8.1 Conclusiones

La conclusión principal y más importante es que la planificación radioeléctrica de la red nos hahecho comprender aún mejor el estándar LTE. Al implementar cada etapa con la herramienta ICSDesigner, se han descubierto las dificultades que entraña diseñar una red de este tipo, así como susprincipales ventajas e inconvenientes respecto a otros sistemas predecesores. Además, también sehan descubierto las prestaciones reales que ofrece el estándar o la relevancia que tiene cada procesode diseño dentro de la planificación completa.

Como se ha visto, las dificultades encontradas e inesperadas que entraña su diseño no han sidotriviales de resolver, aumentando el tiempo invertido así en su estudio. Un ejemplo de esto ha sidola optimización del rendimiento de los eNodeB, teniendo que encontrar un equilibrio entre la va-riación de parámetros técnicos y el resultado del análisis de cobertura.

A continuación se van a comentar las conclusiones más importantes que se han extraído de lassimulaciones realizadas:

• Importancia de la evaluación del estado inicial del enlace respecto a la relación SINR y desu optimización posterior, pues es quién va a limitar los caudales estáticos obtenidos.

• El reparto de los recursos a los eNodeB a través de una correcta planificación de frecuenciasserá de vital importancia para asegurar el correcto funcionamiento del sistema.

• La optimización de las frecuencias de transmisión y de parámetros como el tilt mecánico enlas estaciones, contribuirán en la obtención de mejores relaciones en los mapas SINR.

• La velocidad percibida por los usuarios tanto en el enlace ascendente como descendentedependerá de múltiples factores. Entre ellos destacan: ancho de banda utilizado, modulaciónempleada, carga en la célula, densidad de población en la zona, etc.

85

86 Capítulo 8. Conclusiones y Futuras Líneas de Investigación

• Emplear una carga de célula del 50% hará que los recursos asignados a cada eNodeB sean dela mitad, influyendo así en la capacidad que este elemento posee para atender a sus usuarios.En particular, repercutirá directamente en la velocidad.

• Repercusión de la asignación de vecinos y PCI en el comportamiento del sistema. La lis-ta de frecuencias vecinas para cada eNodeB servirá de punto de partida para realizar unaplanificación PCI y evitar el riesgo de colisión entre señales de referencia.

• Una adecuada adjudicación de las secuencias raíces contribuirá en la formación correcta delos distintos preámbulos utilizados, permitiendo así al usuario indicar su intento de accesoaleatorio y a la estación base estimar el retardo entre ésta y el UE.

8.2 Líneas futuras

A continuación se van a sugerir algunos de los aspectos que se podrían mejorar el rendimiento dela red, con el objetivo de poder aproximarse mucho más a los resultados teóricos de LTE, así comotener un sistema con más funcionalidades:

• Aumento del ancho de banda de 5 MHz. Cambiar el valor empleado por valores superiorescomo 10 MHz o 20 MHz, comprobando así cómo las prestaciones del sistema en cuanto avelocidad se llegan a cuadruplicar.

• Introducción deMIMO, con varios modos de funcionamiento y diferentes técnicas. Con ello,nuevamente se conseguiría aprovechar la diversidad para transmitir mayor cantidad de bitsy aumentar la eficiencia espectral del sistema.

• Introducción de nuevas células y reducción del radio de éstas. Con objeto de incrementar aúnmás la tasa de transmisión y conseguir acercarse a valores teóricos, la inclusión de nuevasestaciones de comunicación y la reducción por tanto del radio de éstas, hará que cada una deellas soporte menos cantidad de usuarios.

• Estudios de Sheduler. Durante el desarrollo de este proyecto no se ha prestado especial interésen esta técnica. Para la implantación real de una red LTE, será indispensable el estudio decómo afectan las distintas técnicas existentes de scheduling en las características de la red.

• Estrategia ICIC. En el desarrollo de la red se ha utilizado la asignación de frecuencias FRF3,aunque como se sabe existen más. Una posible interesante línea de estudio sería analizar elimpacto que tendría en el sistema el uso de otras técnicas como Partial Reuse o Soft Reuse,ya que ambas se basan en la comunicación intercelular para crear umbrales dentro de lasmismas células y conseguir así la disminución de la interferencia cocanal.

• Introducción de TDD. El propósito sería introducir la división por multiplexión en tiempo,es decir, asignar la misma frecuencia tanto a los eNodeB como a los enlaces ascendentes ydescendentes, observando así las diferencias frente a FDD en el rendimiento de la red. Habráque decidir si las mejoras experimentadas como la capacidad de dinamismo en la asignaciónde caudales, compensan otros factores como la introducción de intervalos de guardamayores.

• Compatibilidad con otros sistemas. Estudiar el impacto que tendría el despliegue de la redLTE en otras tecnologías presentes en el mismo escenario, como UMTS o GSM.

A Bandas de frecuencia en LTE

E-UTRA Operating

Band

Uplink (UL) operating band BS receive UE transmit

Downlink (DL) operating band BS transmit UE receive

Duplex Mode

FUL_low – FUL_high FDL_low – FDL_high 1 1920 MHz – 1980 MHz 2110 MHz – 2170 MHz FDD 2 1850 MHz – 1910 MHz 1930 MHz – 1990 MHz FDD 3 1710 MHz – 1785 MHz 1805 MHz – 1880 MHz FDD 4 1710 MHz – 1755 MHz 2110 MHz – 2155 MHz FDD 5 824 MHz – 849 MHz 869 MHz – 894MHz FDD 61 830 MHz – 840 MHz 875 MHz – 885 MHz FDD 7 2500 MHz – 2570 MHz 2620 MHz – 2690 MHz FDD 8 880 MHz – 915 MHz 925 MHz – 960 MHz FDD 9 1749.9 MHz – 1784.9 MHz 1844.9 MHz – 1879.9 MHz FDD 10 1710 MHz – 1770 MHz 2110 MHz – 2170 MHz FDD 11 1427.9 MHz – 1447.9 MHz 1475.9 MHz – 1495.9 MHz FDD 12 699 MHz – 716 MHz 729 MHz – 746 MHz FDD 13 777 MHz – 787 MHz 746 MHz – 756 MHz FDD 14 788 MHz – 798 MHz 758 MHz – 768 MHz FDD 15 Reserved Reserved FDD 16 Reserved Reserved FDD 17 704 MHz – 716 MHz 734 MHz – 746 MHz FDD 18 815 MHz – 830 MHz 860 MHz – 875 MHz FDD 19 830 MHz – 845 MHz 875 MHz – 890 MHz FDD 20 832 MHz – 862 MHz 791 MHz – 821 MHz FDD 21 1447.9 MHz – 1462.9 MHz 1495.9 MHz – 1510.9 MHz FDD ... 23 2000 MHz – 2020 MHz 2180 MHz – 2200 MHz FDD 24 1626.5 MHz – 1660.5 MHz 1525 MHz – 1559 MHz FDD 25 1850 MHz – 1915 MHz 1930 MHz – 1995 MHz FDD ... 33 1900 MHz – 1920 MHz 1900 MHz – 1920 MHz TDD 34 2010 MHz – 2025 MHz 2010 MHz – 2025 MHz TDD 35 1850 MHz – 1910 MHz 1850 MHz – 1910 MHz TDD 36 1930 MHz – 1990 MHz 1930 MHz – 1990 MHz TDD 37 1910 MHz – 1930 MHz 1910 MHz – 1930 MHz TDD 38 2570 MHz – 2620 MHz 2570 MHz – 2620 MHz TDD 39 1880 MHz – 1920 MHz 1880 MHz – 1920 MHz TDD 40 2300 MHz – 2400 MHz 2300 MHz – 2400 MHz TDD 41 2496 MHz 2690 MHz 2496 MHz 2690 MHz TDD 42 3400 MHz – 3600 MHz 3400 MHz – 3600 MHz TDD 43 3600 MHz – 3800 MHz 3600 MHz – 3800 MHz TDD

Note 1: Band 6 is not applicable

87

B Especificaciones técnicas antenaeNodeB

89

C Estación base y Equipo de Usuario

Todos los parámetros técnicos considerados en este proyecto están extraídos del informe técnico"3GPP TR 36.942 V8.2.0". Los valores más relevantes tanto de la estación base como del equipode usuario quedan descritos a continuación.

Tabla C.1 Parámetros técnicos estación base LTE.

Enlace ascendente Enlace descendentePotencia (dBm) 24 43

Ganancia antena Tx (dB) 0 15Ganancia antena Rx (dB) 15 0

Pérdidas (dB) 0 0Ruido (dBm) -102 -98C/N (dB) 1 1

Sensibilidad (dBm) -101 -97

Para el UE, se utilizarán antenas con patrones de radiación omni-direccionales con una ganancia de0 dBi. La potencia del equipo de usuario está definida entre -30 dBm y 24 dBm. Consideraremosuna altura de la antena receptora del terminal móvil de 1.5 m respecto al nivel del suelo. Por suparte, la altura eficaz de la antena de la estación base será de 5 m. Dicha altura se refiere a la alturamedida sobre la superficie de colocación del mástil de la antena. A diferencia de otros programasde planificación radio, ICS Designer tiene en cuenta la capa de edificios para el cálculo de la altura,es decir, una altura típica de antena de 35 m estará formada por: 30 m de altura del edificio y 5 mde la altura eficaz de la antena.

Respecto a la modulación, en este proyecto se considerará modulación adaptativa con tres tiposde modulaciones:

• QPSK1/2-C/N=1 dB

• 16QAM2/3-C/N=10 dB

• 64QAM2/3-C/N=14 dB

(Referencia 3GPP TR 36.942)

En este proyecto, se considerará un valor máximo aceptable de I/N de 3 dB. Además, se cono-ce que el valor C/N para la modulación mayor es de 14 dB. Basándonos en estos dos valores,se puede deducir que el ratio de protección co-canal a tener en cuenta durante los cálculos será

91

92 Capítulo C. Estación base y Equipo de Usuario

de: C/I= C/N-I/N=14-3= 11 dB. Además, el filtro de rechazo de interferencia de canal adyacente(ACIR) será de 30 dB, por ello, la protección total al canal adyacente será de -19 dB.

Respecto a los modelos de propagación, de acuerdo nuevamente a la referencia del 3GPP se con-siderará el modelo determinista ITU-R P.525. En cambio, se elegirá como modelo de difracción elmétodo Deygout 94.

Por último, se tendrá en cuenta una carga de célula para los canales de tráfico (Cell load) del 50%.Por su parte, para las señales de referencia (RS) se tomará un 10% y para las señales de control un20%. Se deja un 20% de margen para posibles crecimientos de la red.

Índice de Figuras

2.1 Arquitectura de la red GSM 52.2 Arquitectura de la red GPRS 62.3 Arquitectura de la red UMTS 72.4 Líneas evolutivas de las distintas asociaciones 8

3.1 Arquitectura del sistema LTE 123.2 Red de acceso E-UTRAN 133.3 Ilustración de los mecanismos de transferencia de información en la interfaz radio 143.4 Protocolos de la interfaz radio de E-UTRAN 16

4.1 Ejemplo del espectro correspondiente a 6 subportadoras OFDM 204.2 Modulación OFDM de un conjunto de símbolos 214.3 Demodulación OFDM 214.4 Esquema OFDM basado en DFT e IDFT 224.5 Señal recibida tras pasar por un canal con M caminos de propagación 234.6 Señal recibida e intervalo de integración al utilizar prefijo cíclico 244.7 Empleo de OFDMA como técnica de acceso múltiple 244.8 Estructura de Transmisor y Receptor SC-FDMA 274.9 Multiplexación de usuarios en transmisión 274.10 Bloque Radio(Physical Resource Block, PRB) en trama OFDMA 294.11 Estructura de trama tipo 1 usada en LTE FDD 294.12 Asignación de recursos del scheduler utilizando la diversidad multiusuario 334.13 Posibles esquemas de reutilización de frecuencias en LTE utilizando ICIC 35

7.1 Workflow general para una red LTE 447.2 Ejemplo de cobertura RSRP 487.3 Ejemplo de lista de vecinos 507.4 Ejemplo de simulación Monte-Carlo para RSCP (dBm) 517.5 Ejemplo de simulación Monte-Carlo para RSRQ con tilt eléctrico variable 527.6 Capas de cartografía empleadas en ICS Designer 557.7 Diagrama radiación horizontal antena Andrew CV65BS 567.8 Diagrama radiación vertical antena Andrew CV65BS 567.9 Parámetros técnicos eNodeB 577.10 Radiación eNodeB 577.11 Sectorización 120° 587.12 Disposición de las células 587.13 Recolocación de las células 59

93

94 Índice de Figuras

7.14 Configuración de parámetros para el análisis de cobertura 607.15 Resultado del análisis de cobertura LTE-800 MHz 607.16 Cobertura RSRP 617.17 Análisis RSRP simultáneo 627.18 Ejemplo de degradación de la Señal de Referencia (RS) 627.19 Configuración previa al cálculo SINR 637.20 Mapa SINR (canal PDSCH) inicial 637.21 Asignación de frecuencias 657.22 Distribución de frecuencias sobre mapa 667.23 Configuración previa optimización tilt 677.24 Cálculo de cobertura teniendo en cuenta tilt 697.25 Análisis RSRP simultáneo tras optimización 697.26 Mapa SINR (canal PDSCH) posterior a la optimización 707.27 SINR vs Caudal por RB en el enlace descendente 717.28 Mapa estático de tráfico en el enlace descendente 727.29 Análisis dinámico relación SINR en el enlace descendente 727.30 Simulación Monte-Carlo del caudal de un UE 737.31 Relación entre tráfico y SINR en el enlace ascendente 757.32 Mapa SINR en canal PUSCH 757.33 Mapa estático de tráfico en el enlace ascendente 767.34 Mapa dinámico de tráfico en el enlace ascendente 767.35 Configuración previa a la asignación de vecinos 777.36 Lista de vecinos en eNodeB 787.37 Pantalla generación de PCIs 787.38 Resultado generación PCIs 797.39 Distribución de células reflejando call sign 807.40 Resultado generación RSIs 827.41 Configuración ruta móvil UE 837.42 Nivel de señal durante el trayecto del usuario 847.43 Relación C/I durante el trayecto del usuario 84

Índice de Tablas

4.1 Valores de parámetros usados en el downlink para cada ancho de banda del canal 26

7.1 Tipos de cálculos de cobertura en ICS Designer 467.2 Búsqueda automática del emplazamiento 527.3 Optimización automática de emplazamientos 537.4 Rango de aplicación de los modelos de propagación empíricos 537.5 Rango de aplicación de los modelos 3GPP 537.6 Rango de aplicación de los modelos deterministas 547.7 Características banda de frecuencia nº20 LTE 557.8 Banda nº20 LTE 647.9 Descripción frecuencias asignables 657.10 Planificación de frecuencias eNodeB (H=Horizontal, V=Vertical) 667.11 Optimización del tilt mecánico de las antenas transmisoras 687.12 Relación entre SINR y caudal por RB en el enlace descendente 717.13 Caudales máximos absolutos en el DL con 100% de carga de tráfico 747.14 Relación entre SINR y caudal por RB en el enlace ascendente 747.15 Categorías de usuarios LTE 777.16 Configuración secuencias PRACH, especificación 3GPP TS 36.211 81

C.1 Parámetros técnicos estación base LTE 91

95

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Glosario

3GPP 3rd Generation Partnership Project. VII, 7, 8, 12, 41, 78

3GPP2 3rd Generation Partnership Project 2. 7, 8

4G Cuarta Generación de Telefonía Móvil. VII

AMPS Advanced Mobile Phone Service. 4

ARP Allocation and Retention Priority. 32

ARQ Automatic Repeat ReQuest. 16

ARQ Hybrid ARQ. 16

AS Access Stratum. 13

CDMA Code Division Multiple Access. 5

CEPT Conference of European Postal and Telecommunications. 4

CQI Channel Quality Indicator. 31

CW Continous Wave. 38

DFT Discrete Fourier Transform. 21, 22

DM-RS DeModulation Reference Signals. 30

EDGE Enhanced Data Rates for Global Evolution. 6

eNB Evolved NodeB. 12, 30

EPC Evolved Packet Core. 12

EPS Evolved Packet System. 12, 17

ETSI European Telecommunications Standards Institute. 4, 6

FDD Frequency Duplex Division. 4, 5, 7, 11, 29, 55, 86

FDMA Frequency Division Multiple Access. 4, 5, 16

99

100 Glosario

FFR1 Fractional Frequency Reuse 1. 35

GPRS General Packet Radio Services. 6

GSM Global System for Mobile Communications. 4–6

HLR Home Location Register. 14

HSCSD High-Speed Circuit-Switched Data. 6

HSDPA High-Speed Downlink Packet Access. 7

HSPA High-Speed Packet Access. 7

HSS Home Subscriber Server. 14

HSUPA High-Speed Uplink Packet Access. 7

ICIC InterCell Interference Coordination. 34, 47

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform. 21

IMS IP Multimedia Subsystem. 12, 13

IMT-2000 International Mobile Telecommunications. 7

IP Internet Protocol. 8

ISI Intersymbol Interference. 19, 23

ITU International Telecommunications Union. 7, 8

ITU-R ITU Radiocommunication Sector. 8

KPI Key Performance Indicator. 50, 51

LTE Long Term Evolution. VII, 3, 8, 9, 11, 85

MAC Medium Access Control. 15, 16

MCS Modulacion Coding Scheme. 47

MIMO Multiple Input Multiple Output. 28, 86

MME Mobility Management Entity. 13, 14, 17

NAS Non Access Stratum. 14

NMT Nordic Mobile Telephony. 4

NTT Nipon Telegraph and Telephone. 4

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplex. 19

OFDMA Orthogonal FDMA. 16, 24, 25, 28

P-GW Packet Data Network Gateway. 13, 14

Glosario 101

PAPR Peak to Average Power Ratio. 26

PCI Physical Layer Cell Identities. 48, 77, 78

PCIGroup ID Physical Layer Cell Identity Group. 48

PCRF Policy Control and Charging Rules Function. 14

PD Proportional Demand. 33

PDC Personal Digital Cellular. 5

PDCCH Physical Downlink Control Channel. 30

PDCP Packet Data Convergence Protocol. 15, 16

PDSCH Physical Downlink Shared Channel. 30

PF Proportional Fair. 33

PRACH Physical Random-Access Channel. 49

PRB Physical Resource Block. 29, 32, 34

PUCCH Physical Uplink Control Channel. 31

PUSCH Physical Uplink Shared Channel. 31, 74

QCI QoS Class Identifier. 32

QoS Quality of Service. VII, 14, 15, 31, 32, 37

RAC Radio Admission Control. 32

RB Radio Bearer. 13, 15, 32, 70

RBC Radio Bearer Control. 32

RF Radio Frecuencial. 37

RLC Radio Link Control. 15, 16

RR Round Robin. 33

RRC Radio Resource Control. 15–17

RRM Radio Resource Management. 31, 32

RS Reference Signal. 45, 78

RSI Root Sequence Index. 49

RSRP Reference Signal Received Power. 45, 46

RSRQ Reference Signal Received Quality. 46

S-GW Serving Gateway. 13, 14

SC-FDMA Single Carrier FDMA. 26, 28, 31

102 Glosario

SFN Single Frequency Network. 26

SINR Relación Señal a Interferencia más Ruido o Signal to Interence plus Noise ratio. 46

SISO Single Input Single Output. 55

SRB Scheduling Resource Block. 30

SRB Signalling Radio Bearer. 17, 32

SRS Sounding Reference Signals. 31

SSI Self-Symbol Interference. 23

TACS Total Access Communications System. 4

TD-CDMA Time Division CDMA. 7

TDD Time Duplex Division. 7, 11, 29, 86

TDMA Time Division Multiple Access. 5

TTI Transmission Time Interval. 32–34

UHF Ultra High Frequency. 28

UMB Ultra Mobile Broadband. 8

UMTS Universal Mobile Telecommunications System. 7

VoIP Voz sobre IP. 11, 33

W-CDMA Wideband CDMA. 7

WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access. 8, 9

proyectofindegrado grado en ingeniería de las tecnologías de...

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