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Sistemas de Comunicación

Tema 4: Redes Móviles

Tema 4: Redes Móviles 1

Índice

Global System for Mobile Communications (GSM).
• Principios generales.
• Canales lógicos.
• Planificación de una célula basada en TDMA (Time Division Multiple
Access).

Universal Mobile Telecommunication System (UMTS).
• Principios generales.
• Canales lógicos.
• Planificación de una célula basada en WCDMA (Wideband Code
Division Multiple Access).


GSM-Principios Generales
• ¿Por qué aparece GSM?
– Para resolver las limitaciones que establecían los sistemas analógicos de
primera generación, i.e Moviline (sistema TACS 900).
Fecha Hito

1982 Constitución del GSM en el CEPT (Conferencia Europea de Administraciones de Correos y
Telecomunicaciones)
1985 GSM opta por construir un estándar digital

1986 Adopción de TDMA como tecnología de acceso al medio

1987 Firma del MoU (Memorando of Understanding) por 13 paises para acogerse a la norma GSM

1989 El grupo GSM se convierte en Comisión del ETSI (European Telecommunications Standards Institute )

1990 Conclusión de la fase 1 de especificación, sistema pre-operacional

1991 Primeras pruebas e inicio de la explotación


• PLMN: Public Land Mobile Network.
• El concepto es muy general
– PLMN es una red de telefonía digital celular, de servicios integrados, que
incluye todas las características de las redes fijas, además de funciones
propias como la movilidad.

• Servicios básicos RDSI
• Movilidad
• Gestión de red y abonados
• Gestión de recursos radio Red
Móvil


• Bandas de frecuencia (MHz) para el interfaz radio: enlace ascendente
(uplink) / enlace descendente (downlink).
890-915
GSM 900
935-960 Comm. Tower

1710-1785
GSM 1800
1805-1880 Comm. Tower

1850-1910
GSM 1900
1930-1990
Comm. Tower


• El método de acceso al medio es TDMA (Time Division Multiple
Access).
• Trama básica:

• Las tramas se agrupan en multitramas de señalización MF51 o de
tráfico MF26.
• Éstas se agrupan a su vez en supertramas (26 MF51 ó 51 MF26), y
éstas, en hipertramas (2048), que es la unidad de máxima periodicidad.


GSM-Arquitectura de Referencia I
• El sistema GSM esta formado
por tres subsistemas:

– BSS (Base Station Subsystem)
– NSS (Network and Switching
Subsystem)
– OSS (Operation and Support
Subsytem) -> el que nunca se
pone en los esquemas


GSM-Arquitectura de Referencia II
• BSS (Base Station Subsystem):
– Estación Móvil (MS): dividida en ME (Mobile Equipment) y SIM
(Subscriber Identity Module)
– BTS (Base Transceiver Station): es el punto inicial de planificación
(transceptores y antenas)
– BSC (Base Station Controller): controla las BTS
– TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit): Adapta las velocidades de
los canales de 16 a 64 Kbps

• NSS (Network and Switching Subsystem):
– HLR (Home Location Register): registro global de usuarios de la PLMN
– VLR (Visitor Location Register): registro local de usuarios en una LA
(Location Area)
– MSC (Mobile Switching Center), GMSC (Gateway Mobile Switching
Center): sistemas de conmutación (dentro de la red o con otras redes)
– Centro Servidor SMS (Short Message Service)
– Otros, SMS-IWMSC, EIR, AUC


GSM-Canales lógicos I
• Se dividen en dos tipos:
– Tráfico
– Señalización
• Canales de Tráfico:
– TCH/F (Traffic Channel Full Rate): canal a velocidad total, datos a 9,6
Kbps, voz hasta 13 Kbps
– TCH/H (Traffic Channel Half Rate): canal a mitad de velocidad, datos a
4,8 Kbps y voz hasta 6,5 Kbps.
• Canales de Señalización:
– Hay 9 canales de señalización divididos en tres categorías:
– Canales de difusión
• Canal de corrección de frecuencia FCH (Frequency Channel): sincronización
de frecuencia entre el terminal móvil y la BTS.
• Canal de sincronización temporal SCH (Synchronization Channel):
sincronización del MS con la estación base.
• Canal de difusión BCH (Broadcast Channel): difusión de información
específica de la BTS.


GSM-Canales lógicos II
• Canales de Señalización (continuación):
– Canales de señalización común
• Canal de aviso PCH (Paging Channel): localiza y avisa al móvil de llamadas
entrantes
• Canal de acceso aleatorio RACH (Random Access Channel): canal de acceso a
la red
• Canal de concesión de acceso AGCH (Access Grant Channel): para conceder
el acceso del móvil a la red
– Canales de control dedicados
• Canal independiente dedicado de control SDCCH (Stand-Alone Dedicated
Control Channel) para señalizar la conexión/desconexión
• Canal lento asociado de señalización SACCH (Slow Associated Control
Channel), asociado a un TCH o SDCCH para información como el time in
advance (usado para sincronismo, localización), etc.
• Canal rápido asociado de señalización FACCH (Fast Associated Control
Channel): por medio del robo de bits envía información de señalizacion
asociada a un TCH (para traspasos, por ejemplo)


GSM-Planificación de una célula

• En el diseño de una célula en GSM –TDMA
hay que considerar principalmente:

– Propagación radio
– Tráfico
– Balance de la célula (balance de potencia)
– Planificación de frecuencias

Es importante saber los tipos
de BTS de los que se dispone


GSM-Planificación de Frecuencias
• Consideremos el siguiente esquema. Las células A y C tienen la misma frecuencia.

• La distancia entre los centros de dos células
consecutivas es:
d = R⋅ 3
• La distancia D entre dos células con la
misma frecuencia se obtiene según la
ecuación (D: distancia de reutilización):

i,j: desplazamientos según los ejes marcados,
desde el origen
( )
D2 = i2 + j2 + i ⋅ j ⋅ d 2
• Por lo tanto obtenemos el siguiente valor:

D
R
= (i 2
)
+ j2 + i ⋅ j ⋅3


• Únicamente consideramos distancias normalizadas, es decir, valores enteros de i, j.

• En la figura las estaciones A, B, C y D están separadas la distancia D, y forman el
llamado rombo cocanal. Las estaciones en su interior tienen que usar otra f.
• El área de la agrupación es igual a la del
rombo:
D2 ⋅ 3
Sa =
2
• El área de la celda es:
3⋅ R2 ⋅ 3
Sc =
2
• Si el área de la agrupación es S a = J ⋅ S c (J es el tamaño de la agrupación):
2
1 D
J=   J = i2 + j2 + i ⋅ j
3 R 


• A la relación calculada en la transparencia anterior se la denomina
relación geométrica. SÓLO son posibles los tamaños de agrupación dados
por esta expresión.
• En sistemas analógicos se utilizan valores de i, j (2,2) y (2,1) que
conducen a agrupaciones de J=12 células y J=7 células.
• En GSM se utiliza habitualmente (2,0), J=4 ó (1,1) con lo que J=3.
• Si estamos considerando estaciones sectorizadas, el número de células se
multiplica por S sectores, y se utiliza la notación J / S·J. En el caso de S=3,
muy típico en GSM, estamos considerando 4/12 y 3/9.
– Las antenas sectorizadas permiten incrementar la capacidad frente a las
omnidireccionales.


GSM-Balance del sistema
• Es importante limitar las radiaciones para no producir interferencias, y
para no gastar potencia en exceso.

• Esquema de transmisión / recepción:


GSM-Balance del sistema
• Planteamiento de las ecuaciones de balance (unidades logarítmicas):
PRX _ MS = PTX _ BTS − LC _ BTS + GTX _ BTS − Lcell + G RX _ MS − LS _ MS
PRX _ BTS = PTX _ MS − LS _ MS + GTX _ MS − Lcell + G RX _ BTS − LC _ BTS
• Restando ecuaciones:

PRX _ MS − PRX _ BTS = PTX _ BTS − PTX _ MS
• Llevando las potencias recibidas al mínimo (límite de cobertura):
PTX _ BTS − PTX _ MS = MS sens − BTS sens
• Y finalmente: Es decir, la potencia de
transmisión de la BTS es
PTX _ BTS = (MS sens − BTS sens ) + PTX _ MS superior a la del MS (+
diferencia de sensibilidades)


GSM-Propagación radio I
• Con la potencia calculada anteriormente se replantea la ecuación del
enlace descendente:

MSsens = P _ BTS + GTX_ BTS − LC _ BTS − Lcell + GRX_ MS − LS _ MS
TX

• Se emplea la fórmula empírica de Okumura–Hata para el cálculo del
radio por propagación. Este modelo es diferente para la banda de 900
MHz y para las bandas de 1800/1900 MHz.

– El modelo Okumura-Hata original es válido hasta 1500 MHz.
– Para las frecuencias de 1800/1900 MHz, se utiliza la modificación del
modelo COST 231.

• Las pérdidas por propagación se calculan como:

Lcell = F + B ⋅ log(R ) − E + G

GSM-Propagación radio II
• Los parámetros del modelo Okumura-Hata son los siguientes:
F = 69,55 + 26,16 ⋅ log( f c ) − 13,82 ⋅ log(hb )
B = 44,9 − 6,55 ⋅ log(hb )
E = 3,2 ⋅ (log(11,75 ⋅ hm )) − 4,97
2
Para ciudades grandes con f c ≥ 300 MHz
E = 8,29 ⋅ (log(1,54 ⋅ hm )) − 1,1
2
Para ciudades grandes con f c < 300 MHz
E = (1,1⋅ log( f c ) − 0,7 ) ⋅ hm − (1,56 ⋅ log( f c ) − 0,8) Para ciudades pequeñas o medianas
G = 0 dB
• Donde:
• fc : frecuencia central (MHz)
• hb: altura de la antena de la estación base (m)
• hm: altura del móvil (m)
• Finalmente el Radio de la célula por propagación ( Lcell + E )− (G + F )
(Km) se calcula como
R = 10 B


GSM-Propagación radio III
• Modificación del modelo COST 231 para el rango superior de frecuencias
(también se usa en UMTS):

F = 46,3 + 33,9 ⋅ log( f c ) − 13,82 ⋅ log(hb )
B = 44,9 − 6,55 ⋅ log(hb )
E = 3,2 ⋅ (log(11,75 ⋅ hm )) − 4,97
2
Ciudades grandes
E = (1.1⋅ log( f c ) − 0.7 ) ⋅ hm − (1.56 ⋅ log( f c ) − 0.8) Ciudades pequeñas
G = 3 dB Urbano denso
G = 0 dB Resto

• Modelo válido para 1500 MHz < fc<2000 MHz.

• R se calcula de la misma forma que para el modelo anterior.


GSM-Tráfico
• La limitación por el tráfico en una célula GSM se debe realizar teniendo
en cuenta dos factores principales:

– Movilidad
– Tráfico y probabilidades de bloqueo

• Modelo de Movilidad
– Se parte de las siguientes consideraciones:
• La densidad de población ρM es constante dentro de la celda.
• La forma geométrica de la celda es un círculo de radio Req.
• Los móviles se desplazan dentro de la celda con una velocidad media constante v.
La dirección de desplazamiento es una variable aleatoria con distribución
uniforme. En la celda hay unos porcentajes PL y PR de usuarios con velocidad
lenta (peatones) y con velocidad rápida (sobre vehículos), con velocidades VL y
VR, respectivamente.


GSM-Tráfico
• El radio equivalente se calcula como: 3⋅ 3 2
Req = ⋅ Rcell
4 ⋅π
2
• El número de móviles en la célula es : M = π ⋅ Req ⋅ ρ m

• La velocidad media se calcula con la siguiente PR ⋅ VR + PL ⋅ VL
V=
expresión: 100
• Se definen los siguientes valores temporales
• Duración media de la llamada T, T = 1 µ
• Tiempo de residencia medio de un móvil en una célula con una llamada en
activo Tr, Tr = 1 η
• Tiempo de ocupación medio de un canal en una celda Tocup, Tocup = 1 µ ocup

Tocup = min(Tr , T )


GSM-Tráfico
• El número de móviles que cruzan la célula es:

N c = 2 ⋅ ρ m ⋅ V ⋅ Req
• La tasa de cruce por móviles activos y en llamada se obtiene dividiendo el
número de móviles activos que cruzan el borde de la célula entre el total.
– k: fracción de móviles activos en el momento de cruzar el borde de la célula.
Nc V
η =k⋅ = 2⋅k ⋅
M π ⋅ Radio
• Por las propiedades de la exponencial negativa, y teniendo en cuenta que el
tiempo de residencia del móvil en la célula con llamada en activo es la inversa de
la tasa de cruce:
1 Importante
Tocup =
η+µ
T T
• La tasa media de traspasos se define finalmente como: γ = → Tocup =
Tr 1+ γ


GSM-Tráfico
• Modelo de tráfico
• BTS • Premisas:
- C canales totales - Tasas de llegada Λ y Λh
- Ch reservados para 1 1
handover (traspaso) - Tiempo de ocupación canal: Tocup = =
µocup η+µ

Λ+Λh Λ+Λh Λ+Λh Λh Λh

µocup 2·µocup (C-Ch)·µocup (C-Ch+1)·µocup C·µocup


GSM-Tráfico
• Las probabilidades para los diferentes estados se definen como:
−1
 (Λ + Λ h ) +
C −Ch k C
(Λ + Λ h ) ⋅ Λ
C −Ch

k − ( C −Ch )
P0 =  ∑ k ∑ +1 k
h

 k =0 k!⋅µ ocup
 k =C −Ch k!⋅µ ocup 

 (Λ + Λ h ) j ⋅ P
 j 0 j = 1,2,...., C − Ch
 j!⋅µ ocup
Pj = 
 (Λ + Λ h )C −Ch ⋅ Λ jh−(C −Ch ) ⋅ P j = C − C + 1,...., C
 j
j!⋅µ ocup
0 h

• La probabilidad de bloqueo para las nuevas llamadas generadas en la
celda se calcula como la suma de las probabilidades de estar en los
estados desde C-Ch hasta C:
C
PB = ∑P
j =C −C h
j


GSM-Tráfico
• La probabilidad de bloqueo para las llamadas traspasadas (failed
handover) es la probabilidad de estar en el estado C:
Pf h = PC
• Si con las probabilidades se cumplen los objetivos de QoS, se puede
calcular el tráfico que genera una célula con las siguientes expresiones:

M ⋅ λc Tasa de llamadas
Λ= nuevas por móvil Λh = γ ⋅Λ
3600 (llamadas/móvil/HC)
Modelo de
Movilidad
 Λ + Λh 
Tráfico total Α=  ⋅ T Erlangs
 3600 
– Todo está referido a la hora cargada (HC).


UMTS-Concepto e historia
• La tercera generación de móviles se denomina genéricamente IMT-2000
(International Mobile Telecommunications), y comprende trasmisión
terrestre y por satélite.

• En la versión terrestre, no existe una única versión sino que son diferentes
tecnologías (5) en forma de diferentes sistemas (4).

• En Europa el camino empezó con los proyectos CODIT (Code Division
Testbed) y FRAMES (Future Radio widebAnd Multiple accEss Systems)
(90’s).

• A partir de pruebas con WCDMA (Wideband Code Division Multiple
Access), el ETSI decidió tomarlo como estándar de acceso al medio en
1998.

• La primera especificación se completó en 1999, y se hubiera debido
implementar en 2000-2001.


UMTS-Bandas de Frecuencia
• Existen dos modos en WCDMA:
– FDD (Frequency Division Duplex): 1920-1980 UL (ascendente) y
2110-2170 DL (descendente)
– TDD (Time Division Duplex): 1900-1920 y 2020-2025 MHz (Europa)


UMTS-Acceso al medio
• Una de las características más novedosas de los sistemas de 3G es el
interfaz radio, donde se emplea WCDMA.

• WCDMA se define como un sistema de banda ancha de acceso
múltiple por división de código de secuencia directa:

– Se parte de una señal de banda estrecha, que se multiplica por una
secuencia pseudo-aleatoria de banda ancha, con lo que me resulta una
señal de banda ancha.
– Si esta señal modificada es multiplicada por la misma secuencia, se
recupera la señal original, pero si se multiplica por otra secuencia se
recupera básicamente ruido aleatorio.
– Las señales de otros usuarios quedan como ruido añadido a la secuencia
deseada decodificada, y van produciendo una degradación en la recepción.
– La limitación del sistema viene dada por el grado de interferencia, es
decir, cuando la suma de las interferencias provocadas por las demás
señales no permiten recuperar la original


• Características relevantes de WCDMA:
– Soporta velocidades de hasta 2 Mbps
– Tasa de chip de 3,84 Mcps
– Ancho de banda ajustable bajo demanda
– Velocidad estable en tramas de 10 ms
– Ancho de banda total de 5 MHz
– Utilización de receptores RAKE (“rastrillo”) con detección coherente,
adecuados para combatir el multitrayecto
– Hard, Soft y Softer Handover, lo que da flexibilidad y robustez al
sistema
– Efecto de soft capacity: la degradación por acumulación de usuarios va
creciendo de forma paulatina, de forma que no hay un límite “hard” de
la capacidad. Además, si las células colindantes están poco cargadas, el
efecto soft capacity significa que el número de conexiones disponibles
en la celda se incrementa al haber menor interferencia intercelular


UMTS-Arquitectura de Referencia

• Al igual que en GSM se
encuentra dividida en tres
partes:

– UTRAN (UMTS Terrestrial
Radio Access Network)
– Core Network (núcleo de la
red)
– Red de Gestión


• UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network)
– TE (Terminal Equipment) o MS: compuesto por el equipo móvil ME, que
es el hardware y que en ocasiones contiene alguna aplicación, y por el
USIM (UMTS Subscriber Identity Module), que es la tarjeta extraíble.
– Nodo B: análogo a la BTS, y desempeña funciones en la capa física como
asignación de códigos, entrelazado, etc.
– RNC (Radio Network Controller): encargado de la gestión de recursos
radio, control de admisión y asignación de rangos de códigos
• Core Network
– GMSC (Gateway Mobile Services Switching Centrer): desempeña
funciones relativas a la comunicación en modo circuito. Controla el MGW
(Media GateWay), que agrupa las funciones físicas (frente a las lógicas)
– SMS-GMSC: es el interfaz con el centro servidor de mensajes cortos.
– SGSN (Serving GPRS Support Node), GGSN (Gateway GPRS Support
Node): desempeñan funciones de control relativas a la comunicación en
modo paquete (GPRS-General Packet Radio Service: modo de
transmisión de datos con conmutación de paquetes)


• Core network (continuación):

– Servidores SIP y H.323: controlan el servicio de voz sobre IP y servicios
multimedia

– Servidor AAA (Authentication, Authorization, Accounting):
autentificación, seguridad, tarificación para los servicios en modo paquete

– MGW (Media GateWay): funciones en el plano de usuario para
comunicaciones en modo circuito y modo paquete

– HSS (Home Subscriber Server) misma funcionalidad que el HLR, pero
ampliada a modo paquete

– SCP (Service Control Point): lógica de control de servicios inteligentes
como VPN (Virtual Private Network)


UMTS-Canales Lógicos
• En WCDMA existen dos tipos de canales:

– Canales de Control
– Canales de Tráfico

• Canales de control
– Trasportan datos de señalización de usuarios.

– Canal de control de difusión (BCH – Broadcast Channel): canal descendente
para hacer difusión de información de control.
– Canal de control de aviso (PCH – Paging Channel): canal descendente que
transporta información de aviso.
– Canal de control dedicado (DCCH – Dedicated Control Channel): es una canal
de control punto a punto bidireccional que trasmite información entre el terminal y
la red. Este canal se establece durante el el procedimiento de conexión RRC (Radio
Resource Control).
– Canal común de control (CCCH – Common Control Channel): es un canal
bidireccional utilizado para la transmisión de información entre los terminales
móviles y la red.


UMTS-Canales Lógicos
• Canales de Tráfico

– Transportan datos de usuario.

– Canal de tráfico dedicado (DTCH – Dedicated Traffic Channel): es un
canal punto a punto dedicado a un único equipo de usuario para la
transferencia de información.
• Puede ser tanto ascendente como descendente.

– Canal de tráfico común (CTCH – Common Traffic Chanel): es un
canal punto a multipunto unidireccional para la transmisión de
información de usuario a un grupo de terminales.


UMTS-Planificación
• Existen una serie de factores importantes a la hora de realizar la
planificación de una célula cuya tecnología de acceso se basa en
WCDMA:

– Propagación radio.
– Tráfico multiservicio y multitasa
– Sensibilidades del receptor para diferentes servicios.
– Valor de Eb/N0 mínimo
– Distribución de población
– Movilidad de los usuarios
– Limitación en potencia de la estación base

• Ahora ya no hay planificación de frecuencia como en GSM, pero hay
otros aspectos que hay que tener en cuenta.


UMTS-Eb/N0, Sensibilidades
• El valor de Eb/N0 requerido para poder detectar la señal se define como la relación
mínima admisible entre la potencia de señal y la potencia de ruido interferente.
• Depende de múltiples factores:
– Tasa binaria
– Tipo de servicio: Datos/Voz, Tiempo Real/No Tiempo Real, etc.
– Velocidad del móvil, perfil multitrayecto
– Algoritmos de recepción y estructura de la antena
– Canal DPCCH (Dedicated Physical Control Channel – canal ascendente que transporta
información de control de la capa física)

Servicio R (kbps) Característica Velocidad (Km/h) Eb/No (dB) UL Eb/No (dB) DL
Voz 8 Interior A 3 4,8 6,7
Voz 8 Peatonal A 3 4,8 6,8
Datos (RT) 64 Interior A 3 2,3 1,9
Datos (RT) 64 Peatonal A 3 2,4 1,9
Datos (RT) 64 V ehicular A 120 3,8 3,7
Datos (NRT) 144 V ehicular A 120 3,0 2,9
Datos (NRT) 384 Peatonal A 3 0,4 0,1


UMTS-Movilidad
• Como se ha visto en la diapositiva anterior, un mismo servicio con
diferentes velocidades del terminal móvil requiere diferentes valores de
Eb/N0.
• También se presentan diferentes valores dependiendo del nivel de los
desvanecimientos en el canal (características “Peatonal A”, “Vehicular
A”, etc.).
• Por estas razones, un servicio con i velocidades se considera como i
servicios diferentes.
• La política de dimensionado que se verá consiste en asignar a cada
servicio de forma fija una cierta capacidad.
• De esta manera, a los i servicios (que realmente es el mismo, pero con
diferentes velocidades) se le asignan i subdivisiones de la capacidad.
• Con esta política se consiguen fijar unas capacidades para el traspaso,
pues se considera un equilibrio dinámico en el flujo de móviles entre las
células (esto es, el número de móviles que entra es aproximadamente
igual al que sale).


UMTS-Distribuciones de Usuarios
• El dimensionado visto en GSM sólo consideraba un servicio típico:
servicio de voz.

• En WCDMA puede haber varios servicios en funcionamiento.

• El planificador debe tener en cuenta la densidad de usuarios de cada uno
de ellos.

• También hay que tener en cuenta los parámetros de conexión
correspondientes:

– Número de llamadas/conexiones en la hora cargada.
– Duración de la conexión.


UMTS-Propagación Radio
• Objetivo: calcular el radio de la célula.
• Enlace ascendente (Terminal móvil – Nodo B).
– La potencia isotrópica radiada equivalente es función de la potencia de la
antena trasmisora, PTX, de las pérdidas superficiales, LS, y de la ganancia
de la antena GTX:
EIRP = PTX + GTX − LS
– Sensibilidad del receptor para el servicio K considerando la Eb/N0
requerida, y siendo PIRX el ruido total efectivo:
E 
S K =  b  − G p + PIRX
N 
 0 K
– El valor Gp es la ganancia de procesamiento, es decir, el factor en el que
se ensancha espectralmente la señal. Si VbK es la tasa binaria, W la tasa de
chip y υK el factor de actividad, es decir, los silencios entre datos:
 W 
G p = 10 ⋅ log
 V ⋅υ 

 bK K 


– WCDMA es un sistema limitado por interferencia, y, como tal, la potencia de
ruido total tiene una componente de ruido aleatorio, y una componente de
interferencia.

– El ruido total efectivo se calcula como la suma del ruido término más el
margen de interferencia:
PIRX = NTE + MI = DN + 10 ⋅ log(W ) + MI

DN = 10 ⋅ log(kT ) + 30 + N F
– W representa el ancho de banda de la señal ensanchada, W=3.84 Mcps, NF
la figura de ruido del receptor, k la constante de Boltzmann, y T la
temperatura absoluta en grados Kelvin (se suele suponer 290 ºK).
10·log(kT) está en dBW·s, y DN, en dBm·s (=–174 dBm·s=–204 dBW·s).

– MI es el margen de interferencia, es decir, lo que una célula interfiere dentro
de otra.

– La pérdida máxima en la trayectoria se calcula como:

LMaxp , K = EIRP − S K + GRX − Lcable − M FF
– GRX es la ganancia de la antena en el Nodo B, Lcable, las pérdidas en el
cable que une la antena al equipo del Nodo B y MFF es el margen por
desvanecimiento rápido.
Lcell , K = LMaxp , K − M SF + GSH
– Lcell,K es el valor objetivo que queremos hallar, MSF es el margen por el
desvanecimiento lento y GSH es la ganancia por soft handover.

• Enlace Descendente (Nodo B – Terminal móvil).
– Recordemos que es simétrico, bastará con cambiar la PTX del móvil por la
de la BTS, así como las ganancias y sustituir el valor de la pérdida
superficial por la del cable.


• Para calcular el radio celular, se aplica el mismo método que se ha visto
en GSM.

• Ahora hay que aplicar el modelo COST 231 modificado, pues la
frecuencia de funcionamiento (fc) es de alrededor de 2000 MHz.

• El radio por propagación para cada servicio determinado, en función de
la dirección del enlace (DL, UL), de la sensibilidad y de la relación
señal-ruido requerida, será, finalmente:
(Lcell ,K + E )−(G + F )
RK = 10 B

– Donde los factores E, F, B, G tienen el significado visto para GSM.


UMTS-Tráfico
• Enlace ascendente
– Se considera un único servicio K con su valor de Eb/N0 correspondiente.
Éste valor se relaciona con la potencia de la señal PK mediante la siguiente
expresión:
 Eb  P ⋅G

N   = K pK
 0  K I total − PK
– Siendo Itotal la interferencia total, que tiene también en cuenta la potencia
de ruido térmico. La ganancia de procesado tiene la siguiente expresión:
W
GpK =
VbK ⋅υ K
– Con VbK la velocidad binaria, W la tasa de chip y υK el factor de actividad
del servicio. Si se sustituye la ganancia de procesado en la ecuación
anterior, se obtiene:
 Eb  W PK

N   = ⋅
 0  K VbK ⋅υ K I total − PK


UMTS-Tráfico
– Despejando la potencia PK en función de Eb/N0, se obtiene:
1
PK = ⋅ I total
1
1+
 Eb 

 N  ⋅ VbK ⋅υ K

 0 k
W

LK
– Se definirá el factor de carga LK del servicio K como el factor que relaciona
la potencia del servicio con la interferencia total. Se verifica fácilmente que
debe ser inferior a la unidad.

PK = LK ⋅ I total

– Si se consideran ahora todas las NK conexiones posibles del servicio K:

I total − PN = N K ⋅ PK


UMTS-Tráfico
– El valor de la interferencia es la suma de las potencias de todas las conexiones a la que
sustraemos el ruido térmico. Sustituyendo en la ecuación anterior, se llega a la
siguiente ecuación:
I total 1
=
PN 1 − N ⋅ L 
 K K 

– Se trata del factor de elevación de ruido NFR (Noise Floor Raise), y es un valor
fundamental en el diseño, pues mide la calidad del sistema.
– Un NFR de valor 1 indica la situación ideal de célula no cargada, y de infinito cuando la
célula esta al límite de su capacidad.
– En general como criterios de diseño el valor de NFR no debe subir de 5, que representa
un factor de carga global de 0,8.
– Una medida aconsejable es 2,5, que representa carga total de 0,6.
– En el cálculo de este factor se consideran todas las conexiones de todos los servicios.
Aplicándolo al caso de un único servicio K con NK conexiones tenemos el valor anterior:

1
NFR = 
1 − N ⋅ L 
 K K 


UMTS-Tráfico
– Simplificando la notación, se llama factor de carga del enlace ascendente
para el servicio K a la agrupación de todas las conexiones:

ηUL = N K ⋅ LK
K

– Se debe considerar también el efecto interferente de las células colindantes.
Esto se realiza mediante el factor de interferencia intercelular i que es
independiente del servicio:
I intercélula
i=
I intracélula
– Este factor cuantifica el grado de interferencia de las conexiones de las
células colindantes, con lo que influye en el factor de carga como

ηUL = (1 + i ) ⋅ N K ⋅ LK
K


UMTS-Tráfico
– Finalmente considerando los N servicios posibles en la célula
N
1
ηUL = (1 + i ) ⋅ ∑ N K ⋅
1
K =1
1+
 Eb 

 N  ⋅VbK ⋅υ K

 0 K
W
– Y el factor de elevación de ruido total:
1
NFR =  
1 − η 
 UL 

• Enlace Descendente
– Las ecuaciones en el enlace descendente son similares a las del ascendente
salvo en que se debe introducir el factor de ortogonalidad. En el DL se
emplean códigos OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) que son
ortogonales, pero debido a retrasos el móvil puede recibir parte de la señal
del Nodo B como interferencia.
– El valor del factor de ortogonalidad varía entre 0.4 y 0.9.


UMTS-Tráfico
– El valor del factor de carga en el enlace descendente para una única
conexión de un único servicio K es:
 Eb 

N  
η DLK = υ K ⋅  0  K [(1 − α ) + i ]
W K K

VbK
– El factor de interferencia iK no es el mismo en todas las conexiones, pues
no todos los móviles están en la misma posición, sin embargo se toma un
valor medio, lo que también se hace con el factor de ortogonalidad αK.
– Considerando todos los servicios de la célula, se obtiene:
 Eb 

N  
 0 K 1+ α + i
N
η DL = ∑ N K ⋅υ K ⋅
W
[( ) ]
K =1
VbK
– Nota: el enlace descendente presenta una limitación adicional debido a la
potencia de la estación base que se tendrá en cuenta más adelante.


UMTS-Tráfico
• Hasta ahora sólo han sido ecuaciones previas. Comenzamos ahora a calcular los valores
de tráfico.
• Se parte de los diversos servicios con sus correspondientes valores de carga máxima
para cada uno de ellos. Por ejemplo, si el total de la carga de la célula es 0.6, una posible
distribución sería 0,25 para voz a 3 Km/h, 0,05 para voz a 60 Km/h, 0,2 para datos de
64Kbps a 3 Km/h y 0.1 a 60 Km/h.
• Con las ecuaciones de carga individual por servicio se puede obtener el número de
usuarios para cada servicio (cada ecuación de carga es un sumatorio desde 1 hasta el
número de usuarios por servicio, considerando iguales a todos los usuarios del mismo
servicio). Por lo tanto, se tiene un vector de usuarios activos de la siguiente forma:

N = {N1 , N 2 ,..., N N }
• Sin embargo, existe un efecto denominado soft capacity que produce un incremento del
“pool” de canales del sistema, pues células colindantes poco cargadas producen poca
interferencia y permiten a la célula objetivo disponer de una mayor capacidad para sus
conexiones. Este efecto se cuantifica, por tanto, mediante el factor de interferencia
intercelular:
N i = N ⋅ (i + 1)


UMTS-Tráfico
• Se considera ahora el vector de probabilidades de bloqueo de cada uno de los
servicios:
P = {p1 , p2 ,..., pN }
• Mediante la fórmula de Erlang se puede calcular el tráfico ofrecido para cada
uno de los servicios, obteniéndose el correspondiente vector de tráfico para
todos los servicios:
AK = f ( N K ⋅ (1 + i ), p K )
A = {A1 , A2 ,..., AN }

• Considerando la tasa de llegada λK y la duración tK=1/µK de las conexiones, se
puede hallar el número de usuarios de cada servicio:
AK
M iK =
λK ⋅ t K

• Este valor ha sido calculado bajo la consideración de soft-capacity. Sin
embargo, para fines de planificación es mejor considerar células igualmente
cargadas, pues es una condición más restrictiva.


UMTS-Tráfico
• Por lo tanto, se divide ahora por el factor de interferencia intercelular:
M iK
MK =
(i + 1)
• Finalmente y mediante la densidad de usuarios ρK de un cierto servicio, se
puede obtener el valor del radio celular para este servicio:

2⋅MK
RK =
3 ⋅ .3 ⋅ ρ K

• Aplicándolo a todos los servicios para el enlace ascendente y descendente,
obtenemos un vector con el radio celular para cada servicio, cuyas
componentes serán los valores mínimos entre el UL y el DL de cada servicio:

R Traffic = {R1 , R2 ,..., RK ,..., RN }


UMTS-Límite por Potencia
• Al hablar del enlace descendente, se comentaba que existe una limitación
adicional en dicho enlace debido a la potencia de la estación base.
• Esta limitación es estudiada en esta sección.
• La ecuación que rige esta limitación en potencia es la siguiente:

N
(Eb / N 0 )K
kTN F ⋅ W ⋅ L ⋅ ∑ N K ⋅υ K ⋅
K =1 W / VbK
PTX _ MIN _ REQUIRED =
1 − η DL

• De esta ecuación son conocidos todos los elementos salvo L, que representa la
pérdida media de propagación en la célula. Este valor medio se calcula mediante
la integral en el área de la célula de la ley de propagación empleada:

∫
1
L= ⋅ L( R)ds
Area S


UMTS-Límite por potencia
• El método empleado para calcular la pérdida de propagación es la modificación
del COST 231.
• Por lo tanto la integral resulta de la siguiente manera:
1 2π R F ⋅ G
L= ⋅ ∫ ∫ 1 1 ⋅ r B1 ⋅ r ⋅ dr ⋅ dϕ
π ⋅ R 2 0 0 E1
2 ⋅ F1 ⋅ G1 ⋅ R B1
L=
( B1 + 2) ⋅ E1

• El área es el área de la circunferencia de radio R, y los coeficientes F1,G1,B1 y
E1 son las versiones en unidades naturales de los coeficientes F, G, B y E. El
valor de R se obtiene tomando el mínimo valor de entre las componentes
mínimas de cada uno de los vectores de radios obtenidos:
R Traffic = {R1 , R2 ,..., RK ,..., RN }
R Prop _ UL = {R1 , R2 ,..., RK ,..., RN } R = Min{Min (R Traffic ), Min (R Prop _ UL ), Min (R Prop _ DL )}
R Prop _ DL = {R1 , R2 ,..., RK ,..., RN }


UMTS-Límite por potencia
• Con este valor de la atenuación, se puede acudir a la fórmula de la potencia
para obtener el valor de PTX_MIN_REQUIRED..

• Si este valor es inferior al de potencia nominal de la BTS, que es el que se ha
empleado en el modelo de propagación, los cálculos son válidos y el R
calculado en la diapositiva anterior es el definitivo que permite asegurar la
calidad de servicio en todos los casos (tanto por tráfico como por
propagación).

• En caso contrario se puede optar por:

– Aumentar la potencia de la estación base, hasta cubrir las expectativas.
– Reducir el radio de la célula, recalculando los factores de carga y tráfico, y
ajustando a posteriori la potencia de la estación base.
– Reducir alguno/s de los factor/es de carga de los servicio/s. Haciéndolo en el
servicio adecuado se puede conseguir la reducción del radio celular.


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