Planificación UMTS

Planificación de redes UMTS
Juan J. Velasco Rivera

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

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Introducción a UMTS
 Con 3G entendemos los sistemas de tercera generación de telefonía móvil,
es decir, servicios que proporcionan la posibilidad para transferir tanto voz
como datos (descarga de programas, e-mail, steaming, etc).
 UMTS es una de las tecnologías usadas por los móviles de tercera
generación. Desarrollada como sucesor de GSM por el 3GPP (3rd
Generation Partnership Project), un proyecto común en el que colaboran:
ETSI (Europa), ARIB/TTC (Japón), ANSI T-1 (USA), TTA (Korea), CWTS
(China).
 UMTS ofrece los siguiente servicios:
 Facilidad de uso y bajos costes: UMTS proporciona servicios de uso fácil,
amplia gama de terminales para realizar fácil acceso a los distintos servicios y
bajo coste de los servicios para asegurar un mercado masivo.
 Nuevos y mejorados servicios: Los servicios vocales mantendrán una posición
dominante durante varios años. Los usuarios exigirán a UMTS servicios de voz
de alta calidad junto con servicios de datos e información. Posibilidad de
introducir servicios de valor añadido en zonas en los que la red fija no permitía su
llegada por el elevado coste en despliegue.
 Acceso rápido: La principal ventaja de UMTS es la capacidad de soportar altas
velocidades de transmisión de datos. Esta capacidad sumada al soporte
inherente del Protocolo de Internet (IP), se combinan poderosamente para
prestar servicios multimedia interactivos y nuevas aplicaciones de banda ancha,
tales como servicios de video telefonía y video conferencia.

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Introducción a UMTS. Arquitectura.
 UMTS usa una comunicación
terrestre basada en una interfaz radio
W-CDMA, conocida como UMTS
Terrestrial Radio Access (UTRA).
 Los sistemas de telefonía móvil son
sistemas celulares, i-e, dividen el
territorio en celdas (cells) que son
cubiertas por una estación base que
les da servicio.
 La división en celdas permite la
reutilización de las frecuencias en
células lo suficientemente distantes
como para que la interferencia
cocanal sea despreciable.
 Los elementos que intervienen en
una arquitectura celular son:
 Estaciones Base
 Terminales Cliente
 Controladores de Estaciones Base
 Elementos de control de la red

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La estructura de la red UMTS se divide en dos
subredes: la red de acceso y la red de gestión o
core network.
 Núcleo de Red (Core Network). El Núcleo de Red
incorpora funciones de transporte y de inteligencia:
transporte de la información de tráfico, señalización y
conmutación. A través del Núcleo de Red, el UMTS se
conecta con otras redes de telecomunicaciones, de
forma que resulte posible la comunicación no sólo entre
usuarios móviles UMTS, sino también con los que se
encuentran conectados a otras redes.
 Red de acceso radio (UTRAN). La red de acceso radio
proporciona la conexión entre los terminales móviles y el
Core Network. Se compone de una serie de sistemas de
red radio o RNC (Radio Network Controller) y una serie
de Nodos B dependientes de él. Los Nodos B son los
elementos de la red que se corresponden con las
estaciones base.

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Arquitectura UMTS Release 99

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Introducción a UMTS.
 Referencias:
 Joseph C.S. Cheung, Mark A. Beach and Joseph P. McGeehan. “Network Planning for Third-
Generation Mobile Radio Systems”. IEEE Communications Magazine. November 1994. P. 54.
 Evert Buintenwerf, Giovanni Colombo, Häkan Mitts and Phil Wright. “UMTS: Fixed Networks
Issues and Design Options”. IEEE Personal Communications. February 1995. P. 30.
 Ermanno Berruto, Mikael Gudmundson, Raffaele Menolascino, Werner Mohr and Marta
Pizarroso. “Research Activities on UMTS Radio Interface, Network Architectures and
Planning”. IEEE Communications Magazine. February 1998. P. 82.
 Tecnologías y aplicaciones móviles: GPRS y UMTS”. Fundación Vodafone y Universidad de
Sevilla. 2005.
 “Elementos de Arquitectura y Gestión de Recursos Radio en UMTS”. Ramón Agustí, Oriol
Sallent, M. Álvarez-Campana. Fundación Vodafone. 2004 ISBN: 84-933783-1-3
 M. Calvo Ramón (coordinador), “Sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación
IMT-2000 (UMTS)”, Fundación Airtel Vodafone, 2002.
 J. M. Hernando Rábanos, “Comunicaciones móviles”, Ed. Centro de Estudios Ramón Areces,
1997.
 David Roldán. “Comunicaciones inalámbricas. Un enfoque aplicado”. Septiembre 2004. Ed.
Ra-Ma. ISBN:8478976213.

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

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Aspectos a estudiar en la planificación UMTS
 La planificación UMTS se centra en UTRAN, dejando fuera de ello el
core de la red (que es algo propio de cada operador).
 Para el despliegue de una red UMTS deben resolverse 3 problemas:
 Ubicación de los Nodos B en base a la densidad de la demanda a
cubrir.
 Optimización de los recursos radio de un Nodo B (control de potencia y
admisión de clientes).
 Interconexión de los Nodos B.

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Emplazamiento de Nodos B
 La localización de los
Emplazamientos para Nodos B en
UMTS en particular, y estaciones
base en general en las redes de
telefonía móvil es una tarea
compleja; no sólo por la resolución
del problema que optimiza la
cobertura sino por otra serie de
factores que también influyen en el
resultado final, como la aversión
generalizada a la instalación de
antenas de telefonía o la
imposibilidad de obtener un
emplazamiento concreto.
 La ubicación de las estaciones base
responde a modelos que estiman la
demanda de tráfico, en condiciones
normales, en base al número de
llamadas medias y su duración.
 Por tanto, los factores a tener en
cuenta en este problema son:
 Lugares candidatos a ser
Emplazamientos para Nodos B.
 Demanda del tráfico.
 Modelo de propagación de la zona
de influencia del Nodo B.
 Otros factores: coste, calidad de
señal y coberura del servicio.

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 Edoardo Analdi et-al., proponen que mediante una simulación previa
se obtengan una serie de puntos a candidatos a ser los
emplazamientos (continuo  discreto).
 Modelar el tráfico en base a unos puntos que concentran la
demanda (Analdi et-al y S. Sohn et-al.).
 El primero, modela el tráfico en ambos enlaces (uplink y downlink),
en cambio Sohn sólo se encarga del enlace más restrictivo (uplink).
 En ambos casos, el problema de la ubicación de Nodos B es Np-
Hard. Analdi et al. y Lee at-al. plantean metaheurísticas para su
resolución, empleando búsquedas tabú.
 Las herramientas software de planificación radio utilizan este
modelado.

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 Referencias:
 Edoardo Analdi, Antonio Capone, Federico Malucelli and
Francesco Signori. “Optimization models and algorithms for
downlink UMTS radio planning”. Wireless Communications and
Networking, 2003. WCNC 2003. 2003 IEEE Volume: 2, p: 827-
831.
 Edoardo Analdi, Antonio Capone and Federico Malucelli.
“Planning UMTS Base Station Location: Optimization Models
with power control and algorithms”. IEEE Transactions on
Wireless Communications, Vol. 2 Nº5 September 2003, p. 939-
952.
 Chae Y. Lee and Hyon G. Kang. "Cell Planning with Capacity
Expansion in Mobile Communications: A Tabu Search
Approach". IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR
TECHNOLOGY, VOL. 49, NO. 5, SEPTEMBER 2000.
 S. Sohn and G.S. Jo. “Optimization of base stations positioning
in Mobile Networks”. Lecture Notes in Computer Science Vol.
3981 (2006), p. 779-787
 Manuel F. Cátedra, Jesús Pérez-Arriaga. “Cell Planning for
Wireless Communications”. Ed Artech House. 1999. Chap. 6.

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Optimización de recursos radio
 El despliegue y el mantenimiento de las
redes UMTS implica la optimización de un
alto número de parámetros de
configuración para poder dar los servicios
requeridos de la forma adecuada y con la
QoS requerida.
 En “Automated optimization of service ofEn “Automated optimization of service of
coverage and base station antennacoverage and base station antenna
configuration in UMTS Networks” [IEEEconfiguration in UMTS Networks” [IEEE
Wireless Communications. DecemberWireless Communications. December
2006, p 16-252006, p 16-25] se presenta el problema de
la optimización de los recursos radio,
centrándose en optimizar la cobertura y los
parámetros de configuración de las
antenas que forman el Nodo B.
 Existe un canal radio en el interfaz aire
(CPICH) que se utiliza para que los
terminales estimen la relación
portadora/interferencia y ajusten su
potencia de emisión.
 Si el canal piloto emite con menos
potencia, menor será la potencia de los
terminales y, por tanto, la interferencia que
provocan todos los terminales disminuye
también, minimizando los efectos de la
reducción de capacidad y diámetro de
cobertura por aumento de la demanda de
recursos (respiración celular).

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 Referencias:
 Iana Siomina, Peter Värbrand and Di Yuan. “Automated
optimization of service of coverage and base station antenna
configuration in UMTS Networks”. IEEE Wireless
Communications. December 2006, p 16-25.
 Tecnologías y aplicaciones móviles: GPRS y UMTS”.
Fundación Vodafone y Universidad de Sevilla. 2005.
 “Elementos de Arquitectura y Gestión de Recursos Radio en
UMTS”. Ramón Agustí, Oriol Sallent, M. Álvarez-Campana.
Fundación Vodafone. 2004 ISBN: 84-933783-1-3
 M. Calvo Ramón (coordinador), “Sistemas de comunicaciones
móviles de tercera generación IMT-2000 (UMTS)”, Fundación
Airtel Vodafone, 2002.

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Interconexión de Nodos B a RNC
 Una vez localizados los emplazamientos de los Nodos B de
la red UMTS hay que dotarlos de los enlaces que
encaminarán el tráfico hacia el core de la red, es decir,
enlazar los Nodos B con los RNCs.
 La elección de la topología más adecuada en cada caso
depende de varios factores: dispersión geográfica de los
nodos-B, ahorro de líneas de transmisión, redundancia ante
caídas, disponibilidad de fibras o radioenlaces, etc.
 Salvo en el caso de la
configuración en estrella,
las distintas topologías
representadas, permiten
considerar la posibilidad de
efectuar concentración de
tráfico a medida que nos
aproximamos al RNC,
permitiendo un mejor
aprovechamiento de los
enlaces, minimizando su
número pero aumentando
su capacidad.

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Topología real

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 Referencias:
 Matteo Fischetti, Giorgio Romanin
Jacur, Juan José Salazar
González. “Optimisation of the
interconnecting network of a UMTS
radio mobile telephone system”.
European Journal of Operational
Research, 144 (2003), p 56-67.
 Alpár Jüttner, András Orbán, Zoltán
Fiala. “Two new algorithms for
UMTS access network topology
design”. European Journal of
Operational Research, 164 (2005),
p 456-474.
 Dos puntos de vista para resolver
un mismo problema: “Una vez
ubicados los Nodos B, ¿dónde
ubicar los RNC y cómo conectarlos
con los Nodos B?
 En ambos casos, el planteamiento
del problema es similar: modelar el
problema como un grafo en el que
hay emplazados N-Nodos (Nodos
B) que hay que conectar hacia el
RNC, pero la estructura del árbol y
la nomenclatura cambia entre una
referencia y otra.

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 Fischetti et-al. En “Optimisation of the interconnecting network of a
UMTS radio mobile telephone system” plantean un modelo con
una nomenclatura y elementos que no vienen reflejados en el
estandar de UMTS y alejado de situaciones reales, en el que se
asume lo siguiente:
 Los Nodos B pasan a llamarse BTS, los RNC pasan a ser CSS y se
introduce un nuevo elemento, el LS (un RNC con conexión al core).
 El árbol se plantea a 3 capas: BTS – CSS – LS, por tanto, no existe
conexión BTS – BTS ni CSS – CSS.
 El modelo planteado se basa en programación lineal, considerando un
conjunto de n BTS, un conjunto de m CSS (potenciales, porque no se
usan todos) y un conjunto de p LE (también potenciales).
 Cada BTS cursa un tráfico t a través de d canales de comunicación.
Los canales de comunicación son funciones enteras de la capacidad
del canal usado y el tráfico a cursar, siendo un entero por exceso.
 En base a los costes de los enlaces, instalación de CSS y LS se
realiza una búsqueda tabú para minimizar el coste de la instalación
total activando o desactivando CSS y LE del conjunto de
“conmutadores potenciales”.
 Conclusiones del modelo:
 Nomenclatura alejada del estándar
 El RNC puede tener conexión hacia otro RNC o hacia el core, por
tanto, el modelo está muy alejado de una topología habitual.
 No se admiten conexiones Nodo B – Nodo B, algo también alejado de
lo normal.

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 Alpár Jüttner et-al. en “Two new algorithms for UMTS access
network topology design” plantean un modelo algo más
parecido con la realidad.
 Función objetivo: minimizar el coste total de interconexión
teniendo en cuenta los siguientes costes:
 Costes de los RNCs: instalación y coste de los enlaces con los
Nodos B.
 Coste de los enlaces entre Nodos B que dependen de el origen,
el destino y el nivel que ocupan en la estructura del árbol.
 El objetivo de este modelo es emplazar de forma óptima los
RNCs y cómo conectar los Nodos B hacia los RNCs, ya sean
de forma directa o indirecta.
 Se admiten conexiones Nodo B – Nodo B

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 Modelado (I):
 Todos los elementos a interconectar se modelan como nodos
de un grafo tipo árbol, G=(N,E) donde N es el número de
Nodos B y E son los enlaces, en el que el nivel más alto (raíz)
se sitúan a los RNC.
 El problema no abarca la interconexión entre RNCs o su
conexión al core de la red.
 El problema se analiza desde dos puntos de vista, por un lado,
se presenta una descripción general del problema y el modelo,
introduciendo la notación, los objetivos y las condiciones para
su resolución. En base a toda esta información genérica se
presentan algoritmos para su resolución, en términos generales
y sin entrar en un modelado matemático.
 No obstante, la simplicidad del modelo presentado permite
dividir el problema de interconexión de Nodos B en UMTS en
subproblemas basados en el árbol planteado en el modelo.
 Teniendo en cuenta que factores como la disponibilidad del
servicio imponen minimizar los efectos de las caídas de
estaciones base, se asume como “normal” que el máximo
número de niveles del árbol sea 3, y teniendo en cuenta este
dato se plantea un modelo matemático muy próximo a un
problema real.

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Modelado (II):
 Función objetivo (general)
 El coste total de la red está formado por los siguientes
factores:
 Coste de implantación de los RNCs (número x coste)
 Coste de los enlaces. El coste de los enlaces no es un valor
constante, puesto que depende del nivel en el que se
encuentre dicho enlace dentro del árbol, el nodo origen y el
nodo destino. Por tanto, cost_link = f(i,j,l), donde i es el
nodo origen, j el nodo destino y l es el nivel del árbol.
 Los autores plantean esta función genérica e indican
cómo se resolvería (algoritmo), si bien sí que se plantea
el caso base: “Single tree problem”

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 Partimos de un árbol que contará con n nodos, una RNC (nodo raíz)
y n-1 Nodos B (que llamaremos estaciones base para no mezclar
dos conceptos de “nodo”).
 El emplazamiento de la RNC queda fuera de este problema (se
asumirá como dato).
 El objetivo no cambia, hay que enlazar, ya se sea de forma directa o
indirecta, las estaciones base con el RNC, formando un árbol cuya
raíz es el RNC y en que se cumplirán las siguientes restricciones:
 La profundidad del árbol (número de niveles), como máximo será l_tree
(fijado por el operador)
 La capacidad entrante (enlaces de entrada) de las estaciones base
como máximo será d_RBS
 La capacidad entrante del RNC será como máximo d_RNC.
 Los autores del artículo asumen para su modelo que l_tree es
típicamente 3, por tanto, como máximo la cadena de estaciones
base será de un máximo de 3 (nivel 1, 2 o 3).
 Se asumen como parámetros prefijados las funciones de coste de
los enlaces entre los distintos niveles (por proximidad de distancias
y simetría del sistema), con:
 Ci: coste de un enlace entre el nodo i y RNC
 Cij / Dij: coste de un enlace entre el nodo i y el nodo j, dependiendo si el
nodo i está en el nivel 2 o en el 3.

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 Modelado (I):
 Función Objetivo:
 Restricciones:
 r, x e y modelan la
existencia, o no, de
enlace entre el nodo i y el
j (caso de x e y) y entre
el nodo i y la raíz (RNC).
 cada nodo sólo puede
pertenecer a uno de los
niveles del árbol y que se
conecta al nodo
inmediatamente superior
por un sólo enlace.
 el número de enlaces
que llegan al RNC no
debe superar el máximo
admisible por éste.

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 Modelado (y II):
 Restricciones (y II):
 Los autores completan el modelo
con dos restricciones relativas a
la capacidad de cada nodo.
 Lo lógico hubiese sido expresión
análoga a la anterior pero relativa
a d_RBS.
 En vez de eso, fijan las
siguientes restricciones:
 Los niveles están formados por 2
nodos, es decir, hay 2 estaciones
base de cada nivel conectadas a
otra estación base del nivel
superior.

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Resolución del modelo:
 A pesar de que la formulación del problema es ILP
(Integer Lineal Programming) y está muy simplificada, el
problema sigue siendo NP-Hard.
 Para su resolución se aplicarán dos acciones:
 Aplicar relajación Lagrangiana para obtener una cota
inferior de la solución.
 Aplicar exploración dirigida (branch-and-bound)

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 Referencias:
 Matteo Fischetti, Giorgio Romanin Jacur, Juan José Salazar
González. “Optimisation of the interconnecting network of a
UMTS radio mobile telephone system”. European Journal of
Operational Research, 144 (2003), p 56-67.
 Alpár Jüttner, András Orbán, Zoltán Fiala. “Two new algorithms
for UMTS access network topology design”. European Journal
of Operational Research, 164 (2005), p 456-474.
 E. Builtenwerf, G. Colombo, H. Mitts, P. Wright, “UMTS: Fixed
network issues and design options”. IEEE Personal
Communications 2 (1) 1995 p. 30-37.
 Bartlett, A.; Jackson, N.N.; “Network planning considerations for
network sharing in UMTS”. 3G Mobile Communication
Technologies, 2002. Third International Conference on (Conf.
Publ. No. 489). 8-10 May 2002 Page(s):17 – 21
 Zangar, N.; Abdennebi, M.; Tabbane, S.; Tohme, S.; “UTRAN
Capacity Study and Dimensioning”. Information and
Communication Technologies, 2006. ICTTA '06. 2nd. Volume 2,
24-28 April 2006 Page(s):2506 – 2511

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Resumen
 La complejidad de diseñar una red completa conlleva la división del mismo
en sub-problemas que pueden resolverse por separado y que pueden
conducir, al unirlas, a una solución localmente óptima.
 Los problemas son:
 El emplazamiento de estaciones base, concretamente en UMTS, Nodos B.
 La interconexión de las estaciones base con los nodos con capacidades de
conmutación, RNC, y su interconexión al core de la red para encaminamiento de
las llamadas y los paquetes de datos.
 Optimización de los recursos radio de un Nodo B para minimizar potencias de
emisión (minimizar interferencias) pero maximizando el área de cobertura del
Nodo B.
 En cualquier caso, a pesar de que el problema global es divisible, los sub-
problemas por sí mismos implican una alta carga computacional en su
resolución, siendo casi todos NP-duros.

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Referencias.
1) Joseph C.S. Cheung, Mark A. Beach and Joseph P. McGeehan. “Network Planning for Third-Generation Mobile Radio Systems”.
IEEE Communications Magazine. November 1994. P. 54.
2) Evert Buintenwerf, Giovanni Colombo, Häkan Mitts and Phil Wright. “UMTS: Fixed Networks Issues and Design Options”. IEEE
Personal Communications. February 1995. P. 30.
3) Ermanno Berruto, Mikael Gudmundson, Raffaele Menolascino, Werner Mohr and Marta Pizarroso. “Research Activities on UMTS
Radio Interface, Network Architectures and Planning”. IEEE Communications Magazine. February 1998. P. 82.
4) Matteo Fischetti, Giorgio Romanin Jacur, Juan José Salazar González. “Optimisation of the interconnecting network of a UMTS radio
mobile telephone system”. European Journal of Operational Research, 144 (2003), p 56-67.
5) Alpár Jüttner, András Orbán, Zoltán Fiala. “Two new algorithms for UMTS access network topology design”. European Journal of
Operational Research, 164 (2005), p 456-474.
6) Iana Siomina, Peter Värbrand and Di Yuan. “Automated optimization of service of coverage and base station antenna configuration in
UMTS Networks”. IEEE Wireless Communications. December 2006, p 16-25.
7) Edoardo Analdi, Antonio Capone, Federico Malucelli and Francesco Signori. “Optimization models and algorithms for downlink UMTS
radio planning”. Wireless Communications and Networking, 2003. WCNC 2003. 2003 IEEE Volume: 2, p: 827- 831.
8) Edoardo Analdi, Antonio Capone and Federico Malucelli. “Planning UMTS Base Station Location: Optimization Models with power
control and algorithms”. IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 2 Nº5 September 2003, p. 939-952.
9) Chae Y. Lee and Hyon G. Kang. "Cell Planning with Capacity Expansion in Mobile Communications: A Tabu Search Approach". IEEE
TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, VOL. 49, NO. 5, SEPTEMBER 2000.
10) Tecnologías y aplicaciones móviles: GPRS y UMTS”. Fundación Vodafone y Universidad de Sevilla. 2005.
11) “Elementos de Arquitectura y Gestión de Recursos Radio en UMTS”. Ramón Agustí, Oriol Sallent, M. Álvarez-Campana. Fundación
Vodafone. 2004 ISBN: 84-933783-1-3
12) M. Calvo Ramón (coordinador), “Sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación IMT-2000 (UMTS)”, Fundación Airtel
Vodafone, 2002.
13) J. M. Hernando Rábanos, “Comunicaciones móviles”, Ed. Centro de Estudios Ramón Areces, 1997.
14) David Roldán. “Comunicaciones inalámbricas. Un enfoque aplicado”. Septiembre 2004. Ed. Ra-Ma. ISBN:8478976213.
15) S. Sohn and G.S. Jo. “Optimization of base stations positioning in Mobile Networks”. Lecture Notes in Computer Science Vol. 3981
(2006), p. 779-787
16) Manuel F. Cátedra, Jesús Pérez-Arriaga. “Cell Planning for Wireless Communications”. Ed Artech House. 1999. Chap. 6

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Muchas gracias por vuestra atención

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