Estrategias de mitigación de interferencia en una red LTE

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