máster universitario en ingeniería de telecomunicación
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MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN TRABAJO DE FIN DE MÁSTER Planificación y Optimización de Redes Móviles con Herramientas de Software Libre Curso 2012-2013 AUTOR: DIEGO RODOLFO VILLACRÉS CAICHO DIRECTORES: Prof. BALTASAR BEFERULL LOZANO Dr. CARMEN BOTELLA MASCARELL Agradecimientos A la Virgen Dolorosa, por haberme cuidado y protegido. A mi esposa Gaby, el mejor regalo que Dios me pudo dar. A mis padres, Gladys y Rodrigo, por darme cada día su incondicional apoyo. A mis hermanos, Paulina y Jorge, por los ánimos que me dan siempre. A Carmen y Baltasar por brindarme su total confianza, ayuda, consejos y orientación. i CONTENIDO SECCIÓN I. REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES. ..... 1 CAPÍTULO 1. 1.1. 1.2. 1.3. INTRODUCCIÓN ........................................................................... 3 Motivación ................................................................................................................... 3 Contribución ................................................................................................................ 3 Organización del Trabajo ............................................................................................. 4 CAPÍTULO 2. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES ANTES DE 3G. ............................................................. 5 2.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.2. 2.2.1. 2.2.2. Sistemas de Comunicaciones Móviles de Primera Generación ................................... 5 Telefonía Móvil Nórdica (Nordic Mobile Telephony - NMT) .................................... 5 Sistema Telefónico Móvil Avanzado (Advanced Mobile Phone System - AMPS) .... 5 Sistemas de Comunicaciones Móviles de Segunda Generación. ................................. 5 Red Mejorada Digital Integrada (Integrated Digital Enhanced Network - iDEN) ...... 6 Red de Acceso Múltiple por División de Código (Code Division Multiple Access CDMA) ........................................................................................................................ 6 2.2.3. Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile Communication - GSM) .............................................................................................. 6 2.2.3.1. Estación Móvil (Mobile Station - MS) ........................................................................ 7 2.2.3.2. Subsistema de Estación Base (Base Station Subsystem - BSS) ................................... 7 2.2.3.3. Subsistema de Conmutación de Red (Network Switching Subsystem - NSS) ............ 7 2.2.3.4. Subsistema de Soporte y Operación (Operation and Support Subsystem - OSS) ........ 7 2.2.4. Servicio General de Radio por Paquetes (General Radio Packet Service - GPRS) ..... 7 2.2.5. Tasas de Datos Mejoradas para la evolución de GSM (Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE) ............................................................................................ 8 CAPÍTULO 3. REDES MÓVILES DE TERCERA GENERACIÓN .................... 11 3.1. Arquitectura del Sistema UMTS ................................................................................ 12 3.1.1. Equipo de Usuario (User Equipment - UE) ............................................................... 13 3.1.2. Red de Acceso de Radio (Radio Access Network - RAN) ........................................ 13 3.1.2.1. Estaciones Base 3G o NodosB ................................................................................... 13 3.1.2.2. Controlador de la Red de Radio (Radio Network Controller - RNC) ........................ 13 3.1.3. Core Network (CN).................................................................................................... 13 3.1.3.1. Home Location Register (HLR) ................................................................................. 14 3.1.3.2. Mobile Services Switching Center (MSC)................................................................. 14 3.1.3.3. Visitor Location Register (VLR) ............................................................................... 14 3.1.3.4. Gateway Mobile Services Switching Center (GMSC)............................................... 14 3.1.3.5. Centro de Autenticación (Authentication Center - AUC) .......................................... 14 3.1.3.6. Equipment Identity Register (EIR) ............................................................................ 14 3.1.3.7. Serving GPRS Support Node (SGSN) ....................................................................... 14 3.1.3.8. Gateway GPRS Support Node (GGSN)..................................................................... 15 3.2. Sistema de Administración de Red (Network Management System - NMS) .............. 15 3.3. Handover en UMTS ................................................................................................... 15 3.3.1. Hard Handover ........................................................................................................... 15 3.3.2. Soft Handover ............................................................................................................ 15 3.3.3. Softer Handover ......................................................................................................... 15 ii 3.4. 3.4.1. 3.4.2. 3.4.3. 3.4.4. 3.5. 3.5.1. 3.5.2. 3.6. 3.6.1. Interfaces y Señalización en las Redes 3G................................................................. 16 Interfaz de Acceso Radio WCDMA o Uu ................................................................. 16 Interfaz Iub ................................................................................................................. 16 Interfaz Iur ................................................................................................................. 16 Interfaz Iu ................................................................................................................... 16 WCDMA - Interfaz de Acceso Radio en UMTS ....................................................... 16 Códigos de Canalización............................................................................................ 17 Códigos de Scrambling .............................................................................................. 18 Acceso de Paquetes de Alta Velocidad (High Speed Packet Access – HSPA) .......... 18 Acceso de Paquetes de Descarga de Alta Velocidad (High Speed Downlink Packet Access - HSDPA) ...................................................................................................... 18 3.6.2. Acceso de Paquetes de Subida de Alta Velocidad (High Speed Uplink Packet HSUPA) ..................................................................................................................... 19 3.6.3. Acceso de Paquetes de Alta Velocidad Evolucionada (Evolved High-Speed Packet Access - HSPA+) ....................................................................................................... 19 CAPÍTULO 4. REDES MÓVILES DE CUARTA GENERACIÓN ..................... 21 4.1. 4.1.1. 4.1.2. 4.1.3. 4.1.4. 4.1.5. Arquitectura LTE ....................................................................................................... 22 Equipo de Usuario (User Equipment - UE) ............................................................... 23 E-UTRAN NodoB o eNodoB .................................................................................... 23 Entidad de Administración de Movilidad (Mobility Management Entity - MME) ... 23 Serving Gateway (SGW) ........................................................................................... 23 Gateway de la Red de Paquete de Datos (Packet Data Network Gateway - PDNGW) ........................................................................................................................... 24 4.1.6. Política y Función de Carga de Recursos (Policy and Charging Resource Function PCRF) ........................................................................................................................ 24 4.1.7. Servidor de Subscripción Local (Home Subscription Server - HSS)......................... 24 SECCIÓN II. OPTIMIZACIÓN Y PLANIFICACIÓN............... 27 CAPÍTULO 5. OPTIMIZACIÓN Y PLANIFICACIÓN DE LA RED DE RADIO. .......................................................................................... 29 5.1. Proceso de Planificación de la Red de Radio ............................................................. 29 5.1.1. Requerimientos de Red .............................................................................................. 30 5.1.2. Pre-Planificación ........................................................................................................ 30 5.1.3. Site Survey y Selección del Sitio ............................................................................... 30 5.1.4. Análsis C/I (Carrier to Interference) – Plan de frecuencias. ...................................... 30 5.1.5. Planificación de Parámetros ....................................................................................... 30 5.1.6. Plan de Red de Radio ................................................................................................. 30 5.2. Indicadores de Rendimiento de Enlace de Radio WCDMA ...................................... 31 5.2.1. Block Error Rate (BLER) .......................................................................................... 31 5.2.2. Bit Error Rate (BER) ................................................................................................. 31 5.2.3. Relación Energía de Bit a Densidad Espectral de Ruido Eb/No ................................ 31 5.2.4. Relación Energía Chip a Densidad Espectral de Potencia Ec/Io ............................... 32 5.2.5. Control de Potencia Headroom .................................................................................. 32 5.2.6. Tasa de Borrado de Tramas (Frame Erasure Rate - FER) ......................................... 32 5.2.7. Potencia Radiada Isotrópica Efectiva (Effective Isotropic Radiated Power – EIRP) 32 5.3. ARQUITECTURA DEL PROTOCOLO DE INTERFAZ DE RADIO .................... 32 5.3.1. L1: Capa Física .......................................................................................................... 33 5.3.2. L2: Capa de Enlace .................................................................................................... 33 5.3.2.1. Control de Acceso al Medio (Medium Access Control - MAC) ............................... 33 iii 5.3.2.2. Control de Enlace de Radio (Radio Link Control - RLC) ......................................... 33 5.3.2.3. Control Broadcast y Multicast (BMC) ....................................................................... 33 5.3.2.4. Protocolo de Convergencia de Paquetes de Datos (Packet Data Convergence Protocol - PDCP) ...................................................................................................... 34 5.3.3. L3: Capa de Recursos de Radio (Radio Resource Control - RRC)............................ 34 5.4. Canales UMTS ........................................................................................................... 34 5.4.1. Canales Lógicos ......................................................................................................... 35 5.4.2. Canales de Transporte ................................................................................................ 36 5.4.3. Canales Físicos........................................................................................................... 36 5.5. Gestión de los Recursos de Radio .............................................................................. 37 5.5.1. Control de Potencia (Power Control – PC) ................................................................ 38 5.5.2. Control de Handover (Handover Control - HC) ........................................................ 38 5.5.3. Control de Congestión ............................................................................................... 39 5.5.4. Gestión de Recursos (Resource Manager - RM)........................................................ 39 5.6. Dimensionamiento de la Red de Radio ...................................................................... 39 5.6.1. Propagación de la Onda de Radio .............................................................................. 40 5.6.1.1. Modelo Okumura–Hata ............................................................................................. 41 5.6.1.2. Modelo Walfish–Ikegami .......................................................................................... 41 5.6.1.3. Rango de la Celda y Estimación del Área de Cobertura de la Celda ......................... 42 5.6.2. Herramientas de Dimensionamiento .......................................................................... 43 5.7. Optimización de la Red de Radio .............................................................................. 43 5.8. Principales KPIs ......................................................................................................... 44 5.8.1. Tasa de Caídas de Llamadas (Drop Call Rate - DCR) ............................................... 44 5.8.2. Tasa de establecimiento exitoso de llamada (Call Setup Success Rate - CSSR) ....... 44 5.8.3. Tasa de Éxitos de Handover (Handover Success Rate - HOSR) ............................... 44 5.8.4. Disponibilidad TCH y SDCCH.................................................................................. 44 5.8.5. Calidad TRX Quality ................................................................................................. 44 5.8.6. Caídas SDCCH .......................................................................................................... 45 5.9. Mejoras de Cobertura ................................................................................................. 45 5.9.1. Mejora de la Pérdida por Propagación (Path Loss) .................................................... 45 5.9.2. Celda Extendida ......................................................................................................... 45 5.9.3. Cobertura de interior (indoor) .................................................................................... 46 5.10. Mejoras de Capacidad ................................................................................................ 46 5.10.1. Técnicas de Asignación del Canal de Radio .............................................................. 46 5.10.2. Reintento Directo ....................................................................................................... 46 5.10.3. Compartición de Carga .............................................................................................. 46 5.10.4. Transmisión Discontinua ........................................................................................... 46 5.10.5. Saltos de Frecuencia .................................................................................................. 47 5.10.6. Control de Potencia de Uplink y Downlink ............................................................... 47 5.10.7. Extensión Física de la Red ......................................................................................... 47 SECCIÓN III. CAPÍTULO 6. HERRAMIENTAS Y RESULTADOS. .......... 49 HERRAMIENTAS DE SOFTWARE LIBRE PARA PLANIFICACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE REDES MÓVILES. 51 6.1. Herramientas no Escogidas ........................................................................................ 51 6.1.1. Xirio Online ............................................................................................................... 51 6.1.2. Implementación en Matlab de una herramienta de planificación de la red de radio estático para WCDMA (npsw)................................................................................... 52 6.1.3. Cellular Expert ........................................................................................................... 53 6.2. Herramientas Escogidas ............................................................................................. 53 6.2.1. Radio Mobile ............................................................................................................. 53 iv 6.2.1.1. Instalación de Radio Mobile ...................................................................................... 54 6.2.1.2. Obtención de Datos de Elevación y Creación de Mapas ........................................... 55 6.2.1.3. Posicionamiento de los elementos de Red ................................................................. 58 6.2.1.4. Propiedades de las Redes ........................................................................................... 60 6.2.1.5. Enlaces y Cobertura ................................................................................................... 66 6.2.1.6. Guardar el Proyecto ................................................................................................... 71 6.2.1.7. Montar en Google Earth............................................................................................. 71 6.2.2. Agileto ....................................................................................................................... 72 6.2.2.1. Instalación 73 6.2.2.2. Actualización ............................................................................................................. 75 6.2.2.3. Base de Datos de Agileto ........................................................................................... 75 6.2.2.4. Simulación de una red ................................................................................................ 78 6.2.2.5. Otros módulos de Agileto .......................................................................................... 88 CAPÍTULO 7. 7.1. 7.1.1. 7.1.2. 7.1.3. 7.2. 7.2.1. 7.2.2. Simulación y Solución de Casos Reales ........................................ 91 Estudio de Celdas Vecinas ......................................................................................... 93 Vecinas Intra-Frequency ............................................................................................ 95 Vecinas Inter-Frequency .......................................................................................... 100 Vecinas Inter-System o Inter-RAT .......................................................................... 101 Asignación de PSC a las celdas 3G ......................................................................... 103 Análisis de PSC a nivel de Celda ............................................................................. 104 Análisis de PSC a nivel de toda la Red 3G .............................................................. 106 SECCIÓN IV. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS.......... 109 CAPÍTULO 8. 8.1. 8.2. Conclusiones y Líneas Futuras .................................................... 111 CONCLUSIONES ................................................................................................... 111 LÍNEAS FUTURAS ................................................................................................ 112 v Figuras Figura 3-1: Características importantes de cada Release UMTS.............................................. 11 Figura 3-2: Elementos de una Red 3G. ..................................................................................... 12 Figura 3-3: Portadora WCDMA ............................................................................................... 17 Figura 3-4: Spreading y Despreading. ...................................................................................... 17 Figura 4-1: Evolución de los sistemas de comunicaciones móviles. ........................................ 21 Figura 4-2: Realeases de las especificaciones del 3GPP para LTE. ......................................... 21 Figura 4-3: Arquitectura de la Red LTE. .................................................................................. 22 Figura 4-4: Definición Técnica de EPS, EPC, E-UTRAN, SAE y LTE................................... 22 Figura 5-1: Proceso de Planificación de la Red de Radio ......................................................... 29 Figura 5-2: Eb/No y Ec/Io. ....................................................................................................... 32 Figura 5-3: Arquitectura del Protocolo de la Interfaz de Radio................................................ 33 Figura 5-4: Canales en UTRAN. .............................................................................................. 34 Figura 5-5: Canales UMTS / WCDMA. ................................................................................... 35 Figura 5-6: Parámetros en el Modelo Walfish-Ikegami. .......................................................... 41 Figura 6-1: Página de inicio de Radio Mobile .......................................................................... 54 Figura 6-2: Opciones de Internet de Radio Mobile .................................................................. 55 Figura 6-3: Propiedades de Mapa de Radio Mobile ................................................................. 56 Figura 6-4: Área de elevaciones para la ciudad de Valencia .................................................... 56 Figura 6-5: Combinar imágenes ............................................................................................... 57 Figura 6-6: Combinación de Datos de Elevación y Fotos de Google Maps ............................. 57 Figura 6-7: Punto de mayor altitud ........................................................................................... 58 Figura 6-8: Propiedades de los elementos de Red .................................................................... 59 Figura 6-9: Ubicación de los elementos de Red ....................................................................... 59 Figura 6-10: Propiedades de las redes - Parámetros ................................................................. 60 Figura 6-11: Propiedades de las Redes - Topología ................................................................. 61 Figura 6-12: Propiedades de las redes - Miembros................................................................... 61 Figura 6-13: Propiedades de las redes – Sistemas (Estación Base 1) ....................................... 62 Figura 6-14: Propiedades de las redes – Sistemas (Móviles) ................................................... 63 Figura 6-15: Propiedades de las redes – Dirección de la antena............................................... 63 Figura 6-16: Patrón de Antena. Estación Base 1 a Móvil 3 ...................................................... 64 Figura 6-17: Patrón de Antena de los móviles .......................................................................... 64 Figura 6-18: Propiedades de las redes – Estilo ......................................................................... 65 Figura 6-19: Enlaces de la Red Valencia 3G ............................................................................ 66 Figura 6-20: Cobertura de Radio Mobile .................................................................................. 67 Figura 6-21: Cobertura de la red Valencia 3G .......................................................................... 67 Figura 6-22: Datos de cobertura en Arcoíris ............................................................................ 68 Figura 6-23: Resultados de Cobertura en Arcoíris ................................................................... 68 Figura 6-24: Enlace de Radio Estación Base 1 – Móvil 3 ........................................................ 69 Figura 6-25: Enlace de Radio Estación Base 1 – Móvil 1 ........................................................ 70 Figura 6-26: Detalles del Enlace de Radio ............................................................................... 70 Figura 6-27: Observación de receptor desde la Estación Base ................................................. 70 Figura 6-28: Menú Archivo de Radio Mobile .......................................................................... 71 Figura 6-29: Representación de resultados en Google Earth .................................................... 72 Figura 6-30: Página web de Agileto ......................................................................................... 73 Figura 6-31: Archivo de registro de Agileto ............................................................................. 74 Figura 6-32: Ventana principal de Agileto ............................................................................... 74 Figura 6-33: Información de Licencia Agileto ......................................................................... 75 Figura 6-34: Módulos de Agileto.............................................................................................. 76 Figura 6-35: Campos del Archivo Externo Excel ..................................................................... 76 Figura 6-36: Formato del archivo MobileNW_Config_Template.xls para 3G– Primera Parte . 77 Figura 6-37: Formato del archivo MobileNW_Config_Template.xls para 3G– Segunda Parte 77 Figura 6-38: Nombre a un Nuevo Proyecto .............................................................................. 78 vi Figura 6-39: Archivo Excel Externo – Parte 1 ......................................................................... 78 Figura 6-40: Archivo Excel Externo – Parte 2 ......................................................................... 79 Figura 6-41: Explicación del contenido de los campos ............................................................ 79 Figura 6-42: Generar base de datos de referencia..................................................................... 80 Figura 6-43: Actualización y generación de base de datos en Agileto. .................................... 80 Figura 6-44: Asignación de campos de la Base de Datos ......................................................... 81 Figura 6-45: Asociación de campos de red en la base de datos de Agileto .............................. 81 Figura 6-46: Proceso de ejecución del Módulo ........................................................................ 81 Figura 6-47: Confirmación de la generación o actualización de la base de datos .................... 82 Figura 6-48: Módulo para generar los sitios de las celdas ........................................................ 82 Figura 6-49: Seleccionar la base de datos ................................................................................. 83 Figura 6-50: Generación de objetos Google Earth ................................................................... 83 Figura 6-51: Proceso de Generación de objetos Google Earth ................................................. 84 Figura 6-52: Confirmación de Generación de objetos Google Earth........................................ 84 Figura 6-53: Módulo para límites de red .................................................................................. 84 Figura 6-54: Evaluación de celdas de límite de red .................................................................. 85 Figura 6-55: Límites de la red .................................................................................................. 85 Figura 6-56: Análisis completo de celdas de borde .................................................................. 86 Figura 6-57: Detección de celdas de borde ............................................................................... 86 Figura 6-58: Representación de la base de datos ...................................................................... 87 Figura 6-59: Representación en Google Earth. ......................................................................... 87 Figura 6-60: Datos de celdas en Google Earth ......................................................................... 88 Figura 6-61: Generación de objetos basados en KPIs .............................................................. 88 Figura 7-1: Nomenclatura del Cell_Name ................................................................................ 91 Figura 7-2: Base de datos de los sectores 3G ........................................................................... 92 Figura 7-3: Base de datos de los sectores 2G ........................................................................... 92 Figura 7-4: Vista Global de la Red en Google Earth. ............................................................... 92 Figura 7-5: Nomenclatura de celdas en Google Earth. ............................................................. 93 Figura 7-6: Celdas Vecinas ....................................................................................................... 94 Figura 7-7: Base de Datos para celdas vecinas 3G-3G en Agileto ........................................... 95 Figura 7-8: Selección del archivo que contiene las celdas vecinas........................................... 96 Figura 7-9: Selección de celdas servidoras y celdas vecinas. ................................................... 96 Figura 7-10: Generación de la representación de celdas vecinas en Google Earth. ................. 97 Figura 7-11: Representación de celdas vecinas en Google Earth ............................................. 97 Figura 7-12: Celdas vecinas de M2544B1 ................................................................................ 98 Figura 7-13: Detalles de los enlaces entre celdas vecinas ........................................................ 99 Figura 7-14: Celda M2135B2 no definida como vecina ........................................................... 99 Figura 7-15: Vecinas Intra-Freq de la segunda portadora. ....................................................... 100 Figura 7-16: Vecinas Inter-Freq de la celda M0642D1 ............................................................ 101 Figura 7-17: Módulo de Agileto para vecinas Inter-RAT ........................................................ 102 Figura 7-18: Vecinas Inter-RAT ............................................................................................... 102 Figura 7-19: Módulo 2.2 de Agileto ......................................................................................... 103 Figura 7-20: Estado actual del PSC .......................................................................................... 104 Figura 7-21: Distancia entre celdas con mismo PSC ................................................................ 105 Figura 7-22: PSC óptimo generado por Agileto. ...................................................................... 106 Figura 7-23: Informe de PSC Óptimo de Agileto ..................................................................... 106 Figura 7-24: Distancia mínima deseada para el reuso de PSC ................................................. 107 Figura 7-25: Resultado de la auditoría de los PSC de la red .................................................... 107 vii SECCIÓN I. REDES DE COMUNICACIONES MÓVILES. 1 2 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Con el rápido crecimiento de las redes móviles, la operación, despliegue y mantenimiento se han vuelto mucho más complejos y costosos; para obtener un mejor rendimiento de las redes, la industria recientemente ha dado una especial atención a la investigación y desarrollo de técnicas de Planificación y Optimización de los recursos físicos y lógicos. El panorama competitivo de la industria de telecomunicaciones requiere de un nuevo enfoque en la gestión de gastos, es decir, se tiene que ir más allá de la reducción de costes y encontrar formas subyacentes de mejorar la eficiencia de las redes mientras que la prestación de servicios a los usuarios finales tenga mayor valor añadido. La solución consiste en la Planificación y Optimización de las redes, a través de lo cual se busca mejorar la utilización de los activos convirtiéndose en un complemento de las inversiones de infraestructura. Los proveedores y operadores deben tener una comprensión detallada de todo lo necesario para crear una red de muy alta calidad y así proveer a sus clientes de una excelente experiencia de usuario. Es así como nace este Trabajo de Fin de Máster, que cubre los aspectos que se requieren para diseñar y optimizar las redes de comunicaciones móviles utilizando herramientas de software libre. 1.1. Motivación El auge de las comunicaciones móviles ha revolucionado el concepto de telefonía de diversas maneras y sin duda alguna será el área que crecerá en mayor medida en los próximos años en el planeta entero, si a ello consideramos además el aumento de terminales a nivel mundial, nos daremos cuenta del gran impacto que los servicios móviles ejercerán en la sociedad. Por tanto, es imprescindible para los operadores contar con estudios, expertos y profesionales que contribuyan a mejorar constantemente y solventen problemas antes, durante y después del despliegue de las redes. El llamado a cumplir esta labor es el Ingeniero de Planificación y Optimización. Para quienes tienen pasión por el mundo de las comunicaciones móviles, el convertirse en un Ingeniero de Planificación y Optimización es un desafío, ya que se está obligado a conocer todas las funciones de los elementos e interfaces de red, a adquirir conocimientos y experiencias, capacitarse continuamente para estar actualizado con las nuevas técnicas, tecnologías y herramientas, debe tener capacidad de decisión para actuar en momentos de mucha presión; pero además resulta profesionalmente reconfortante dar solución a problemas y mejorar el rendimiento de las redes móviles, más aún cuando es el fruto del estudio, perseverancia y dedicación. Este trabajo complementa los conocimientos teóricos de comunicaciones inalámbricas adquiridos en el Máster en Ingeniería de Telecomunicación y sintetiza las competencias adquiridas en las enseñanzas. Fomenta la investigación y práctica de técnicas de planificación y optimización que se basan en conceptos técnicos. 1.2. Contribución Este proyecto es una contribución para los profesionales de las telecomunicaciones que estén ejerciendo o deseen orientar su carrera hacia la Planificación y Optimización de Redes Móviles, su formación debe ser un complemento entre lo práctico y lo teórico y este trabajo conjuga ambas cosas, con la finalidad de que el profesional tome las mejores decisiones basándose en los fundamentos teóricos y prácticos. 3 Este documento explica de una manera sencilla los conceptos que un profesional de esta área debe comprender, manejar y dominar; y marca la ruta para seguir adquiriendo conocimientos y experiencias. Este trabajo se enmarca en el dominio técnico de los conceptos de las tecnologías de las comunicaciones móviles, sus elementos e interfaces. Se trata así de capacitar y preparar al Ingeniero de Planificación y Optimización para que conozca y comprenda la arquitectura, elementos e interfaces de las diferentes tecnologías de redes móviles, las técnicas y herramientas de planificación y optimización que han sido, son y serán empleadas por los operadores. El manejo de paquetes de software de libre para encontrar soluciones a problemas que afrontan día a día los Ingenieros de Optimización es explicado a detalle de tal forma que el profesional sepa que existen alternativas de bajo coste o gratuitas que facilitan la labor y proporcionan resultados más eficientes. 1.3. Organización del Trabajo El presente trabajo está dividido en 7 capítulos: El Capítulo 1 describe la motivación que ha conducido a la realización de este proyecto y su contribución para los profesionales de las telecomunicaciones. El Capítulo 2 presenta una breve reseña histórica y descripción de las tecnologías de comunicaciones móviles que se implementaron antes de UMTS. El Capítulo 3 describe a detalle la arquitectura de las Redes Móviles de Tercera Generación que es la más utilizada por los operadores y está ampliamente desplegada por todo el mundo. Se explican los elementos e interfaces que componen la arquitectura de red así como conceptos de operación que el Ingeniero de Planificación y Optimización debe conocer y dominar. El Capítulo 4 se enfoca en las Redes de Cuarta Generación y los elementos que difieren con respecto a su tecnología predecesora. El Capítulo 5 se centra en las técnicas y conceptos que el profesional empleará para llevar a cabo la Optimización y Planificación de la Red de Radio. El Capítulo 6 describe y hace uso de las herramientas de software libre Radio Mobile y Agileto. En el Capítulo 7 se realiza la simulación de una red real, se proponen casos a los que el profesional de Planificación y Optimización se enfrentaría cada día y se resuelven mediante el uso de la herramienta de software libre Agileto. Finalmente el Capítulo 8 se presenta conclusiones y líneas futuras relacionadas con este Trabajo de Fin de Máster. 4 CAPÍTULO 2. 2.1. EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES ANTES DE 3G. Sistemas de Comunicaciones Móviles de Primera Generación Los Sistemas de Comunicaciones Móviles de Primera Generación son también conocidos como 1G. Esta tecnología fue caracterizada por los estándares de telecomunicación analógica y soportaba servicios básicos de voz. Su desarrollo empezó a finales de los años setenta con Japón liderando el despliegue de la primera red celular en Tokio, seguido por la Telefonía Móvil Nórdica NMT (Nordic Mobile Telephones) en Europa, mientras que en América se desarrollaba el Servicio Telefónico Móvil Avanzado AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Los Sistemas de Comunicaciones Móviles de Primera Generación eran muy incompatibles entre ellos y ésta fue su mayor limitación. La necesidad de tener un sistema que recoja los requerimientos de las comunicaciones móviles y ofrezca más compatibilidad resultó en el nacimiento de los sistemas de comunicación de segunda generación. 2.1.2. Telefonía Móvil Nórdica (Nordic Mobile Telephony - NMT) Fue creada en 1981, se basa en una tecnología analógica y existían dos variantes: NMT 450 y NMT 900; los números indican las bandas de frecuencia en la que operaban. Las redes NMT han sido usadas principalmente en los países Nórdicos, Rusia, Oriente Medio y Asia. La red NMT tuvo desde el inicio switching automático incorporado en el estándar. Además, el estándar NMT especificaba facturación y roaming. Una desventaja de la especificación original NMT es que el tráfico no era encriptado; así, cualquiera que deseara escuchar la conversación podía usar un scanner y sintonizar la frecuencia correcta. 2.1.3. Sistema Telefónico Móvil Avanzado (Advanced Mobile Phone System - AMPS) AMPS fue un estándar de telefonía móvil analógico desarrollado por los laboratorios Bell e introducido oficialmente en América en 1983. AMPS usa para cada comunicación frecuencias separadas o canales basados en la tecnología de Acceso Múltiple por División de Frecuencia (Frequency Division Multiple Access – FDMA), la cual permitía múltiples usuarios en una celda o sector. Inicialmente el tamaño de la celda no era fijo, se usó un radio de 12 Km. para áreas urbanas y 40 Km. para áreas rurales; como el número de usuarios empezó a incrementarse, se añadieron nuevas celdas. Con la adición de cada nueva celda, el plan de frecuencias tuvo que ser rehecho para ser capaz de evitar problemas de interferencia. 2.2. Sistemas de Comunicaciones Móviles de Segunda Generación. Con el advenimiento de la comunicación digital, durante la década de los 80 apareció la oportunidad de desarrollar una segunda generación de estándares de comunicaciones móviles basados en tecnología digital. A mediados de los 80 se creó el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (European Telecommunications Standards Institute - ETSI), el cual heredó todas las actividades de estandarización en Europa; así se vio el nacimiento de las primeras especificaciones y la red basada en tecnología digital se llamó Sistema Global para Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile Communication - GSM). La segunda generación (2G) de sistemas 5 de comunicaciones móviles tales como GSM, iDEN e IS-95 (CDMA) fueron introducidos comercialmente en los años 90. 2.2.1. Red Mejorada Digital Integrada (Integrated Digital Enhanced Network - iDEN) La Red Mejorada Digital Integrada (Integrated Digital Enhanced Network - iDEN) es una tecnología de comunicaciones móviles de Motorola, es más conocida porque los teléfonos móviles soportan push-to-talk (PTT) y funcionan como walkie-talkies. Aunque iDEN tiene ciertas similitudes con los sistemas tradicionales, PTT también ofrece muchas ventajas; iDEN soporta capacidades de roaming más amplias permitiendo un incremento substancial del área de cobertura. Otra ventaja es que incluye mejor calidad de llamada como resultado del uso de frecuencias más altas y tecnología digital; iDEN tiene la habilidad de hacer llamadas privadas y grupales. El sistema iDEN soporta operaciones half y full dúplex; sus teléfonos soportan mensajes SMS, correo de voz y conexiones de datos como VPNs, Internet e intranets. 2.2.2. Red de Acceso Múltiple por División de Código (Code Division Multiple Access - CDMA) CDMA es una forma de multiplexación que permite que numerosas señales ocupen un único canal de transmisión optimizando el uso del ancho de banda disponible. El principio básico de CDMA es que diferentes flujos de datos se transmiten en la misma frecuencia y al mismo tiempo. Por el contrario, FDMA y TDMA usan diferentes frecuencias y diferentes time slots respectivamente para separar las transmisiones. En CDMA, cada símbolo a ser transmitido es multiplicado por una secuencia conocida como “spreading sequence”, la cual incrementa el ancho de banda de la transmisión deseada. Esta tecnología se usa en sistemas de comunicaciones móviles en las bandas UHF de 800 MHz y 1900 MHz. CDMA emplea la conversión analógica digital (ADC) en combinación con la tecnología spread spectrum. La frecuencia de la señal transmitida varía según un patrón definido (código) que puede ser interceptado por un receptor cuya respuesta en frecuencia es programada con el mismo código por lo que sigue exactamente la frecuencia del transmisor. Hay billones de códigos posibles que mejoran la privacidad y dificultan la clonación. El canal CDMA tiene un ancho de banda de 1,23MHz. 2.2.3. Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile Communication - GSM) GSM utiliza tecnología digital y Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA), es un sistema circuit-switched que divide cada canal de 200 kHz en ocho time-slots de 25 kHz. Una ventaja importante de GSM es su capacidad de roaming internacional que permite a los usuarios acceder a los mismos servicios cuando viajan al exterior. A partir de GSM han evolucionado otras tecnologías de telecomunicaciones móviles inalámbricas que incluye datos: High-Speed CircuitSwitched (HSCSD), General Packet Radio Service (GPRS) y Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE). GSM se divide en cuatro grandes sistemas: - Estación Móvil (Mobile Station – MS) Subsistema de Estación Base (Base Station Subsystem - BSS) Subsistema de Conmutación de Red (Network Switching Subsystem - NSS) Subsistema de Soporte y Operación (Operation and support Subsystem - OSS) 6 2.2.3.1. Estación Móvil (Mobile Station - MS) La Estación Móvil es el equipo físico que consta principalmente del transceptor de radio, pantalla, teclado, procesadores de señal digital y la tarjeta SIM. Proporciona al usuario la interfaz de acceso radio con las redes móviles. 2.2.3.2. Subsistema de Estación Base (Base Station Subsystem - BSS) Todas las funciones de radio se realizan en el Subsistema de Estación Base el cual consiste de las Base Station Controllers (BSCs) y las Base Transceiver Stations (BTSs). - La BSC proporciona todas las funciones de control y enlaces físicos entre el Subsistema de Conmutación de Red (NSS) y la BTS. Es un conmutador de alta capacidad que ofrece funciones como handover, configuración de datos de celdas, control de niveles de potencia de radiofrecuencia (RF) en las estaciones de base, etc. - Las BTS manejan la interfaz de radio con la estación móvil. Las BTS son el equipo de radio (transmisores y antenas) necesarios para servir a cada celda de una red. Un grupo de BTSs son controladas por la BSC. 2.2.3.3. Subsistema de Conmutación de Red (Network Switching Subsystem - NSS) El NSS realiza la conmutación de llamadas entre los usuarios de redes fijas y móviles así como la gestión de servicios móviles tales como autenticación. El Subsistema de Conmutación de Red es responsable de realizar el proceso de llamada y funciones relacionadas con el suscriptor. Este sistema también es responsable del manejo de mensajes cortos y paquetes de datos, mantenimiento de las base de datos de sus propios usuarios así como visitantes; el NSS también proporciona autenticación y cifrado. Es una puerta de entrada a la red telefónica conmutada pública (PSTN), a otras redes móviles y redes de datos incluyendo Internet. En otras palabras, este sistema permite que los dispositivos móviles se comuniquen con los demás teléfonos fijos (PSTN) y móviles. 2.2.3.4. Subsistema de Soporte y Operación (Operation and Support Subsystem OSS) El Centro de Operación y Mantenimiento (Operation and Maintenance Center - OMC) está conectado a todos los equipos del NSS y a las BSC, la implementación del OMC es conocido como el Subsistema de Soporte y Operación (OSS). Las funciones de operación y mantenimiento se basan en los conceptos Telecommunication Management Network (TMN) que están estandarizados. El OSS es una entidad funcional desde la cual el operador de red monitorea y controla el sistema. El propósito del OSS es ofrecer al cliente soporte de operación y mantenimiento, centralizado, local y regional. Una función importante del OSS es proveer una visión general de la red y soportar las actividades de mantenimiento. 2.2.4. Servicio General de Radio por Paquetes (General Radio Packet Service - GPRS) El GPRS es una adición a los sistemas existentes GSM. Se añaden nuevos elementos a la red que son aquellos capaces de realizar la conmutación de paquetes, los principales son: el Serving GPRS Support Node (SGSN) y el Gateway GPRS Support Node. En términos de infraestructura, el operador solo necesita añadir esos nodos y algunos cambios de software para actualizar el sistema de voz GSM a un sistema de datos. La conmutación por paquetes habilita los recursos que serán usados solo 7 cuando el usuario está enviando y recibiendo datos. La cantidad de datos que pueden ser transferidos depende del número de usuarios; teóricamente, la máxima velocidad que se puede lograr con GSM es 171.2 Kbps. El GPRS permite la interconexión entre la red y el Internet, sin embargo, hay algunas limitaciones en la red GPRS tales como la baja velocidad (la velocidad práctica es mucho más baja que la teórica). 2.2.5. Tasas de Datos Mejoradas para la evolución de GSM (Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE) Las limitaciones del GPRS se superaron en cierta medida por la introducción de la tecnología EDGE, que es considerada una mejora de GPRS y puede instalarse en cualquier red GSM; es conocida como tecnología 2.75G. El incremento en la velocidad de datos se logra mediante codificaciones más sofisticadas, esto significa que la técnica habitual de modulación GSMK (Gaussian minimum shift keying) para GPRS se presenta ahora como 8PSK (Phase Shift Keying) para ofrecer tasas más rápidas. En cambio, una de actualización de software permite a las estaciones soportar velocidades de transferencia de datos hasta 384 kbps. EDGE también es conocida como Enhanced GPRS (EGPRS), es el inicio de la evolución a las redes de tercera generación. 8 Bibliografía [1] [2] P. Lescuyer, UMTS Origins, Architecture and the Standard, 1st Ed.,Springer, 2002. Jordi Pérez Romero, Radio Resource Management strategies in UMTS, 1st Ed., Willey, 2005. [3] Ajay R. Mishra, Cellular technologies for emerging markets 2g, 3g, and beyond, 1st Ed., Willey, 2007. [4] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold, Per Beming, 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband, 2nd Ed., Elsevier, 2008 [5] Holma, H. and Toskala A. (eds), WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications (3rd edn). John Wiley & Sons, 2004. [6] 3GPP, Technical Specification 25.214, Physical Layer Procedures (FDD), v5.10.0, January 2005. [7] 3GPP, Technical Specification 25.331, Radio Resource Control (RRC) Protocol Specification, v5.11.0, December 2004. [8] 3GPP, Technical Specification 25.101, UE Radio Transmission and Reception (FDD), v5.13.0, January 2005. [9] 3GPP, Technical Specification 25.433, UTRAN Iub Interface NBAP Signalling, v5.11.0, January 2005. [10] Ajay R. Mishra, Fundamentals of Cellular Network Planning and Optimisation 2G/2.5G/3G… Evolution to 4G, 1st Ed., Willey, 2004. [11] Ajay R. Mishra, Advanced Cellular Network Planning and Optimisation 2G/2.5G/3G… Evolution to 4G, 1st Ed., Willey, 2007. 9 10 CAPÍTULO 3. REDES MÓVILES GENERACIÓN DE TERCERA La tecnología de tercera generación conocida como Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (Universal Mobile Telecommunication System - UMTS) en estos momentos es la dominante a lo largo y ancho del planeta. Se la denomina 3G y ha sido desarrollada por el 3GPP para tener un sistema verdaderamente global. Las redes móviles de tercera generación tienen como objetivo ofrecer a los suscriptores datos de alta velocidad y conectividad multimedia, mejorando la calidad de imagen y video y aumentando las tasas de datos dentro de redes públicas y privadas. Las especificaciones 3G son llamadas "Releases" y cada uno de estos Releases incorpora muchos documentos, recomendaciones y normas. La primera versión de las especificaciones de UMTS se hizo disponible en 1999 y es conocida como "Release 99". El Release 2001 fue llamado "Release 4" y posteriormente se lanzaron los "Release 5", "Release 6" y "Release 7". Los Releases más allá de la versión 7 se denominan sistemas LTE (Long Term Evolution) y pertenecen a la cuarta generación 4G (ver Figura 3-1) [19]. R99 Diciembre 1999 CS y PS R99 Radio Portadores MMS Servicios de localización, etc. Rel-4 Marzo 2001 Mejoras TD-SCDMA etc. Rel-5 Marzo 2002 HSDPA IMS AMR-WB etc. Rel-6 Marzo 2005 Uplink mejorado MBMS WLAN-UMTS Interworking etc. . Rel-7 Septiembre 2007 Evolución HSPA (MIMO, DL:64QAM, UL:16QAM Conectividad continua de paquetes) etc. Rel-8…. LTE SAE DC HSDPA etc. Figura 3-1: Características importantes de cada Release UMTS. Una de las principales diferencias de UMTS comparado con GSM es que está diseñado para ser un sistema de banda ancha. En UMTS, esto se logra por medio de un ancho de banda de transmisión de 5 MHz; lo que significa que UMTS usa un par de canales de 5 MHz, uno en el rango de 1900 MHz para uplink y otro en 2100 MHz para el downlink. La tecnología de Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha (Wide Band Code Division Multiple Access – WCDMA) ha surgido como la tecnología preferida y más adoptada para la interfaz de acceso radio del 3G. La especificación fue creada por el 3GPP y es ampliamente utilizada para las operaciones TDD (Time Division Duplex) y el FDD (Frequency Division Duplex). Algunas diferencias importantes entre las interfaces de acceso radio WCDMA y GSM son: - El sistema WCDMA soporta tasas de transferencia de datos más altas ya que utiliza un ancho de banda de 5 MHz en comparación con 200 kHz en GSM. - Teóricamente, solo un canal de frecuencia se utiliza en WCDMA, mientras que GSM utiliza muchos canales de frecuencia. - El ancho de banda de 5 MHz es suficiente para el diseño de la red de radio. La diversidad multipath es posible con receptores RAKE (los receptores RAKE se utilizan en las redes de radio WCDMA, siendo una forma más eficiente para recibir señales multipath), mientras que en GSM se utilizan saltos de frecuencia para la diversidad (frecuencia). - Los usuarios, celdas y canales están separados por códigos en lugar de mediante tiempo o frecuencia. 11 3.1. Arquitectura del Sistema UMTS Como se puede ver en la Figura 3-2 una red UMTS consiste principalmente de 3 partes: Equipo de Usuario (User Equipment - UE), Red de Acceso de Radio (Radio Access Network - RAN) y el Núcleo de la Red (Core Network - CN) [17]. Figura 3-2: Elementos de una Red 3G. La Red de Acceso de Radio Terrestre UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access Network - UTRAN) comprende las RNC y los NodosB. La RNC se encarga del control de los NodosB así como la gestión de los recursos de radio (RRM) y parte de la gestión de movilidad (Mobility Management - MM). Los enlaces entre los elementos de la red se denominan interfaces. La RNC se conecta con el Circuit Switched Core Network (CSCN) mediante la interfaz 'Iu-CS', la interfaz entre la RNC y Packet Switched Core Network (PSCN) se conoce como 'Iu-PS'. La interfaz entre la RNC y el NodoB es 'Iub' y entre las RNCs en la misma red es 'Iur'. Los interfaces 'Iu' conducen el tráfico del usuario incluyendo voz y datos y también controlan la información. Las principales tareas UTRAN son: - Control de Admisión (Admission Control - AC): Admite o niega a nuevos usuarios, nuevas portadoras de acceso de radio o nuevos enlaces de radio. El control de admisión evita las situaciones de sobrecarga y no deteriora la calidad de los enlaces de radio existentes. Las decisiones se basan en las mediciones de interferencia, throughput y recursos de la red. Junto con el Packet Scheduler asigna tasas de bit y potencias de transmisión para conexiones Non-Realtime. - Control de Congestión: monitorea, detecta y gestiona las situaciones cuando el sistema está cerca o alcanza la sobrecarga con los usuarios ya conectados. - Sistemas de Información de Broadcasting: provee al UE de información Access-Stratum y NonAccess-Stratum, lo cual es necesario para el UE y su operación dentro de la red. - Cifrado: Cifra de intercambio de información entre el UE y la RNC. - Handover (HO): Gestiona la movilidad de la interfaz de radio basándose en las mediciones de radio y para el Soft/Softer HO se utiliza para mantener la Calidad de Servicio (Quality of Service – QoS) solicitado por el Núcleo de la Red. Un HO es necesario para no perder la conexión de red de los UE. El Handover puede ser dirigido hacia o desde otro sistema, ej.: handover desde UMTS hacia GSM). - Otras funciones de UTRAN son la configuración y mantenimiento de la interfaz de radio, control de energía, paginación y macro diversidad. 12 3.1.1. Equipo de Usuario (User Equipment - UE) Al terminal móvil (MT) también se lo conoce como equipo de usuario (UE), comprende el teléfono móvil y una tarjeta USIM (Universal Subscriber Identity Module). El UE de UMTS es capaz de operar de tres maneras: modo CS (circuit switched), PS (packet switched) y CS/PS. En el modo CS el UE está conectado solo al Núcleo de la Red (Core Network). En el modo PS, el UE está conectado solo al dominio PS, mientas que en el modo CS/PS el móvil es capaz de operar simultáneamente para ofrecer ambos servicios CS y PS. Como en GSM, la USIM es un chip que contiene información específica del usuario y la clave de autenticación que identifica al subscriptor para acceder a la red. Hay una tendencia de usar la tarjeta SIM no solo para almacenar información individual sino también como ambiente de ejecución para algunos programas. 3.1.2. Red de Acceso de Radio (Radio Access Network - RAN) Los componentes de la RAN son los NodosB y las RNC. Las funciones principales incluyen la administración de los recursos de red y la gestión de la comunicación. 3.1.2.1. Estaciones Base 3G o NodosB Las estaciones base en 3G son conocidas como NodosB. La estación base es una entidad muy importante por ser la interfaz entre la red WCDMA y la interfaz de acceso radio. Como en las redes de segunda generación, la transmisión y recepción de las señales desde la estación base se hace a través de antenas omnidireccionales o antenas direccionales. Las principales funciones del NodoB incluyen la codificación del canal, estimación del tráfico de la celda, modulación y demodulación, manejo de errores, participa en el control de potencia, mide la calidad y fuerza de la señal y manda esa información a la RNC. 3.1.2.2. Controlador de la Red de Radio (Radio Network Controller - RNC) La RNC es similar a la BSC en las redes GSM/GPRS pero gestiona más interfaces. Actúa como la interfaz entre la estación base y el core de la red, la RNC es la responsable del control de los recursos de radio; también a diferencia de GSM, la RNC junto con el NodoB es capaz de manipular los recursos de radio sin el involucramiento del Core Network o núcleo de red. La RNC se enlaza con el CSCN a través de Media Gateway (MGW) y con el PSCN a través del nodo SGSN. La RNC lleva a cabo las conexiones convencionales de voz así como la recolección de datos de tráfico, control de conexión de llamada, administración de los NodosB, conexión con los NodosB y el Core Network, control de handover, control de carga y funciones de seguridad. 3.1.3. Core Network (CN) La función principal del Core Network es permitir la conmutación, ruteo y tránsito del tráfico de usuario, el CN también contiene las bases de datos de la funciones de administración de la red. El CN se divide en los dominios CS y PS. Los elementos del dominio CS (Circuit Switched) son el Mobile Services Switching Centre (MSC), Visitor Location Register (VLR) y el Gateway MSC (GMSC). Los elementos del dominio PS son el Serving GPRS Support Node (SGSN) y el Gateway GPRS Support Node (GGSN). El SGSN se conecta con el GGSN a través de la interfaz Gn y al RNC por medio de la interfaz Iu. El GGSN proporciona la interconexión de la red UMTS con otras redes de paquetes de datos (Packet Data Networks – PDNs) como el internet. Los elementos como el EIR, HLR, VLR y AUC se comparten en ambos dominios. 13 3.1.3.1. Home Location Register (HLR) El HLR es una base de datos para el almacenamiento y administración de la información de los subscriptores. El HLR es considerado como la base de datos más importante ya que almacena datos permanentes de los usuarios incluyendo el perfil de servicio del subscriptor, información de ubicación y estado de actividad. Cuando un individuo compra una subscrición al operador es registrado en el HLR. 3.1.3.2. Mobile Services Switching Center (MSC) El MSC es el principal elemento del NSS, realiza la conmutación de todas las llamadas desde y hacia otros teléfonos y sistemas de datos, procesa las peticiones de conexiones desde los dispositivos móviles y fijos y conmuta las llamadas entre las estaciones base y la Red Conmutada de Servicios Públicos (PSTN); además el MSC pone en marcha y libera las conexiones end-to-end, maneja la movilidad y los requerimientos de handover durante la llamada. 3.1.3.3. Visitor Location Register (VLR) El VLR es una base de datos que contiene información acerca de los identificativos, permisos, tipos de abono y localizaciones en la red de todos los usuarios activos dentro del área de cobertura del MSC. La principal diferencia entre el VLR y HLR es que el HLR es una base de datos de todos los usuarios de la red y el VLR es la base de datos temporal de los móviles de una región. 3.1.3.4. Gateway Mobile Services Switching Center (GMSC) El GMSC es un nodo usado para interconectar dos redes, este gateway es a menudo una función implementada en el MSC y que se usa para enrutar las llamadas fuera de la red móvil. Cuando una llamada de un usuario viene desde fuera de la red móvil, o el subscriptor quiere llamar a alguien fuera de la misma, esta llamada es enrutada a través del GSMC. 3.1.3.5. Centro de Autenticación (Authentication Center - AUC) El AUC se ubica habitualmente en el HLR y autentica cada tarjeta SIM que intente conectarse al Core Network (generalmente cuando el teléfono se enciende). Una vez que la autenticación ha sido exitosa, el HLR administra la SIM y el servicio. Es decir, el AUC está asociado con el HLR y almacena una clave de identidad (KI) para cada subscriptor móvil registrado en el HLR. 3.1.3.6. Equipment Identity Register (EIR) El EIR es una base de datos que contiene información de la identidad del equipo móvil y previene llamadas originadas de estaciones móviles robadas o perdidas (lista negra), no autorizadas o defectuosas (lista gris) y en buen orden (lista blanca). En otras palabras, el EIR, utilizando el IMEI del equipo, se usa para identificar los dispositivos de los clientes autorizados a acceder a la red. 3.1.3.7. Serving GPRS Support Node (SGSN) El SGSN es el elemento central en la red GPRS, es el punto de acceso del servicio de datos para el teléfono móvil, es el responsable de entregar paquetes de datos desde y hacia las estaciones móviles. Sus principales funciones incluyen transferencia y enrutamiento de paquetes, administración de movilidad (attach/detach y gestión de localización), administración del enlace lógico, autenticación, compresión y cifrado. 14 3.1.3.8. Gateway GPRS Support Node (GGSN) El GGSN se conecta por un lado al SGSN y por otro a redes externas como Internet. Su función principal es actuar como un firewall para las redes externas con el fin de proteger a la red GPRS. Cuando los datos vienen de redes externas, después de la verificación, éstos son enviados al SGSN; si la dirección resulta ser inválida los datos son eliminados. Por otro lado, los paquetes originados por el teléfono móvil son enrutados a la red correcta mediante el GGSN. 3.2. Sistema de Administración de Red (Network Management System - NMS) El NMS en sistemas 3G es capaz de administrar las comunicaciones packet-switched y circuitswitched. El NMS es una combinación de software y hardware destinada a la administración de la red y debe ser capaz de cumplir funciones que ayuden a la optimización de la calidad del sistema en una manera eficiente. 3.3. Handover en UMTS Al handover también se lo conoce como Handoff. La principal idea de las redes celulares es permitir la movilidad, lo que significa permitir al subscriptor hacer o recibir llamadas cuando se mueve en la propia red. Para asegurar el correcto funcionamiento del handover dos elementos son los más importantes: que las celdas que constituyen la red deben superponerse entre ellas en un nivel aceptable; y segundo, debe haber una característica de software que gestione la movilidad. El significado básico de handover es proveer una conexión continua cuando el UE se mueve entre las celdas. En UMTS existen principalmente 3 tipos de handover. 3.3.1. Hard Handover El Hard Handover se aplica cuando el UE se comunica con un NodoB y la conexión con el antiguo NodoB se rompe durante un tiempo (del orden de los milisegundos) antes de que la nueva conexión sea establecida. Se ejecuta el handover después de que la fuerza de señal de la celda vecina exceda la fuerza de señal de la celda actual. 3.3.2. Soft Handover En una red móvil es posible cambiar de una estación base a otra sin la necesidad de cambiar la frecuencia, a esto se lo conoce como soft handover. El soft handover quiere decir que los enlaces de radio son añadidos y eliminados de forma que el equipo de usuario siempre mantiene al menos un enlace de radio con la UTRAN; el soft handover es realizado por medio de macro diversidad, lo cual se refiere a la condición de que varios enlaces de radio están activos al mismo tiempo. El número de NodosB comunicándose simultáneamente con el UE es dado por el número de NodosB en la lista Active Set. En esta lista active set están solo los NodosB con suficiente calidad de señal. Las celdas vecinas cuyos canales pilotos no tienen la suficiente fuerza para ser añadidos al Active Set son ubicados como conjunto de Monitoreados o Vecinos, esas celdas son continuamente medidas por el UE. El máximo número de celdas en el conjunto de vecinas es 32, el típico número de celdas en la lista active set es 2 o 3. 3.3.3. Softer Handover El Softer Handover es similar al soft handover, la principal diferencia reside en el hecho de que el UE está ubicado en un área de cobertura de dos sectores de un NodoB. El UE se comunica con el 15 NodoB a través de dos canales de radio. En la dirección de downlink la situación de combinar las señales es la misma como en el caso del soft handover. En la dirección uplink la situación es diferente, la señal recibida en el NodoB no es enrutada al RNC, pero la combinación de las señales se lleva a cabo en el receptor del NodoB. 3.4. Interfaces y Señalización en las Redes 3G Como se puede ver en la Figura 3-2 existen muchas interfaces y señalización en los sistemas 3G. A continuación se hace un breve estudio de cada una de ellas. 3.4.1. Interfaz de Acceso Radio WCDMA o Uu La interfaz Uu es la más importante en las redes 3G y se encuentra entre el equipo de usuario y la red UTRAN. Esta interfaz funciona bajo los principios WCDMA en donde a todos los usuarios se les asigna un código. 3.4.2. Interfaz Iub La interfaz Iub está ubicada entre la RNC y el NodoB, a través de esta interface el RNC controla el NodoB, por ejemplo, la RNC permite negociar los recursos de radio, añade y elimina las celdas controladas por un NodoB, o soportar las diferentes comunicaciones y control de enlaces. 3.4.3. Interfaz Iur La interfaz Iur conecta a las RNC de la UTRAN, permite conexiones punto a punto y soporta señalización y flujos de datos entre las RNC, además permite que una RNC se direccione a otra RNC dentro de la UTRAN para establecer portadoras de señalización y de datos. 3.4.4. Interfaz Iu La interfaz Iu se localiza entre la RNC y la MSC para el tráfico circuit-switched y entre la RNC y el SGSN para el tráfico packet-switched. Proporciona conexiones de voz y al mismo tiempo conexiones por paquetes de todos los tipos; juega un rol vital en los procedimientos de handover en la red UMTS IuPS (Packet Switched), corresponde a la interfaz hacia el dominio PS. IuCS (Circuit Switched), corresponde a la interfaz hacia el dominio CS. 3.5. WCDMA - Interfaz de Acceso Radio en UMTS WCDMA es el método de acceso múltiple para la interfaz de acceso radio en UMTS. Las tasas de bits son mucho más altas (hasta los 2 Mbps con el Release 99 y hasta 10 Mbps con HSDPA). La posibilidad de ofrecer a los usuarios tasas de bits y anchos de banda bajo demanda es una característica muy atractiva en las redes UMTS; soporta también tráfico asimétrico. Se puede usar diversidad en transmisión para mejorar la capacidad de downlink. Solo se usa una frecuencia, por lo que la planificación de frecuencias no es una tarea tan tediosa como en las redes GSM. WCDMA es un sistema DS-CDMA (Direct Sequence CDMA), esta tecnología habilita múltiples accesos que se basan en spread spectrum, esto significa que los bits de información del usuario se transmiten sobre un gran ancho de banda multiplicando la información del usuario con bits quasi aleatorios llamados chips derivados de los spreading codes CDMA, la tasa con la cual los datos se 16 difunden se llama tasa chip. La relación de la tasa chip con la tasa de símbolos se llama Spreading Factor (SF). El UE de destino utiliza el mismo spreading code con el que se transmitió y usa la correlación para su detección. Cada usuario se identifica por un único spreading code asignado a él. La tasa de chip en UMTS FDD es 3.84 Megachips por segundo (Mcps) los cuales caben en el canal de 5MHz disponible en UMTS, ver Figura 3-3. Figura 3-3: Portadora WCDMA 3.5.1. Códigos de Canalización Los códigos de canalización se usan para separar las transmisiones, estos códigos se basan en la técnica OVFS (Orthogonal Variable Spreading Factor) la cual da una propiedad de correlación cruzada y auto correlación, que significa que el producto interno (inner product) del código con el de otros usuarios o con una versión desplazada del mismo es muy pequeña. Cuando se logra la ortogonalidad total (es un estado ideal ya que la otogonalidad se afecta por la multipropagación) no hay interferencia entre los códigos. WCDMA usa un chip fijo para la transmisión de 3.84 Mcps con el fin de usar los 5 MHz de ancho de banda del canal. Cuando se realiza el proceso de recuperación con el código correcto la señal original se obtiene, así como el ancho de banda inicial. Un código erróneo da como resultado ruido en el proceso de recuperación [8]. Figura 3-4: Spreading y Despreading. 17 3.5.2. Códigos de Scrambling Los códigos de scrambling se usan para separar las transmisiones de diferentes fuentes; en el uplink, los códigos de scrambling separan a diferentes móviles y en downlink separan diferentes NodosB, celdas o sectores. Hay dos familias de códigos scrambling (cortos y largos); en el uplink los códigos cortos y largos se usan dependiendo del receptor del NodoB (códigos largos para receptores Rake y códigos cortos para detectores multiusuario). Cada familia de códigos contiene millones de códigos scrambling, así la planificación no es necesaria (en el uplink). En el downlink el número de códigos se restringe a 512 para prevenir que la celda busque procedimientos que tomen mucho tiempo. Ya que el número de códigos es limitado, se necesita asignar un código scrambling a la celda o sector, ver Figura 3-4 [18]. 3.6. Acceso de Paquetes de Alta Velocidad (High Speed Packet Access – HSPA) La primera adición a las características de radio de WCDMA fue HSPA, el cual fue añadido en el Release 5 con HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) y en el Release 6 con HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), las dos juntas hacen referencia a HSPA. Con HSPA se va más allá de la definición de los sistemas móviles 3G y también comprenden datos de banda ancha móviles. HSPA suele definirse como 3.5G porque substancialmente mejora los estándares 3G; es muy útil para la navegación web, descarga de archivos y VoIP. 3.6.1. Acceso de Paquetes de Descarga de Alta Velocidad (High Speed Downlink Packet Access - HSDPA) HSDPA presenta nuevas técnicas para optimizar y mejorar la transmisión de paquetes sobre la UTRAN. HSDPA introduce un nuevo canal llamado HS-DSCH (High Speed DSCH), el cual soporta modulación de orden alto, adaptación rápida al enlace, y HARQ (Hybrid Automatic Retransmission Request). A HSDPA se lo conoce como 3.5G. HSDPA puede seleccionar un método de modulación desde QPSK a 16QAM con el fin de proveer altas tasas de datos. El enlace de adaptación se basa en AMC (Adaptive Modulation and Coding), donde el esquema de modulación y codificación más apropiado se seleccionan en base al feedback de la calidad del canal que envía el UE; esto asegura una transferencia de datos más alta para usuarios con buena señal y para usuarios en el borde de la celda. En HSDPA se desactivan funciones como VSF (Variable Spreading Factor) y control de potencia, éstas son reemplazadas con nuevas características como AMC. La organización de los paquetes ahora se realiza desde el NodoB, reduciendo así el retardo y permitiendo que el algoritmo de programación use parámetros como calidad del canal, capacidades del terminal y clase de QoS [9]. El HARQ permite que el UE solicite rápidamente una retransmisión de paquetes de datos a la capa física, esta retransmisión se hace desde el NodoB y no desde la RCN como se hacía anteriormente, consiguiendo una transmisión más rápida. Además, los paquetes que se reciben incorrectamente no se eliminan, sino se almacenan y combinan con retransmisiones posteriores del mismo paquete para minimizar la necesidad de peticiones adicionales cuando ocurran múltiples errores en una señal transmitida. Inicialmente, el servicio fue desarrollado para 1.8 Mbps, pero las mejoras de las redes y los nuevos terminales UE de usuarios han permitido el incremento de las tasas a 3.6 Mbps, seguidos de 7.2 Mbps, 14.4 Mbps e incluso 21 Mbps. 18 3.6.2. Acceso de Paquetes de Subida de Alta Velocidad (High Speed Uplink Packet - HSUPA) Como en el downlink, la necesidad de mejorar la interfaz de acceso radio para el uplink condujo a la introducción de HSUPA y su especificación por el 3GPP en el Release 6. El enfoque de HSUPA tomó algunas técnicas usadas por HSDPA como HARQ y fast scheduling. La técnica de modulación y codificación adaptiva usada en HSDPA no es útil en HSUPA; una de las razones es que las capacidades de los recursos de potencia de cada usuario son limitadas, esto significa que un usuario puede no tener suficiente potencia para transmisiones de altas tasas (modulación de alto orden). Además, una modulación de alto orden puede causar pérdidas en el rendimiento del enlace comparado con una transmisión multi código como BPSK; así, BPSK y QPSK se usan para mejorar el uplink. HSUPA está diseñado para proveer altas capacidades de uplink. Los actuales dispositivos HSUPA logran velocidades uplink de hasta 5.7 Mbps. 3.6.3. Acceso de Paquetes de Alta Velocidad Evolucionada (Evolved HighSpeed Packet Access - HSPA+) HSPA+ también conocido como HPSA Evolution es una tecnología de comunicación 3G desarrollada por el 3GPP (iniciando en el Release 7) como una mejora del estándar HSPA. Ofrece velocidades downlink de hasta 168 Mbps y uplink hasta 22 Mbps (como en el Release 10). HSPA+ se basa en WCDMA y se ha llegado a considerar por algunos como una red 4G. En realidad sólo es una mejora de la versión 3G con tasas de datos más rápidas y similares a LTE (Long Term Evolution), con las cuáles comparte similares velocidades de downlink y uplink pero con diferente interfaz de acceso radio. HSPA+ tiene antenas MIMO (Multiple Input Multiple Output) lo cual le hace 11 veces más rápido que HSPA. 19 Bibliografía [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] B. Walke, P.Seidenberg, M. P. Althoff, UMTS The Fundamentals, 1st Ed., Willey, 2003 Erik Dahlman, Stefan Parkvall, and Johan Sköld, 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband, 1st Ed., Elsevier, 2011. IEEE 802.16-2004: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems (October 2004). IEEE P802.16e/D11: Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands (September 2005). Lingyang Song and JiaShen, Evolved Cellular Network Planning and Optimization for UMTS and LTE. , 1st Ed., CRC Press, 2011 P. Lescuyer, UMTS Origins, Architecture and the Standard, 1st Ed., Springer, 2002. Ajay R. Mishra, Cellular technologies for emerging markets 2g, 3g, and beyond, 1st Ed., Willey, 2007. Thit Minn and Kai-Yeung Siu, Dynamic Assignment of Orthogonal Variable-SpreadingFactor Codes in W-CDMA, 2000 Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold, Per Beming, 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband, 2nd Ed., Elsevier, 2008 Holma, H. and Toskala A. (eds), WCDMA for UMTS: Radio Access for Third Generation Mobile Communications (3rd edn). John Wiley & Sons, 2004. 3GPP, Technical Specification 25.214, Physical Layer Procedures (FDD), v5.10.0, January 2005. 3GPP, Technical Specification 25.331, Radio Resource Control (RRC) Protocol Specification, v5.11.0, December 2004. 3GPP, Technical Specification 25.101, UE Radio Transmission and Reception (FDD), v5.13.0, January 2005. 3GPP, Technical Specification 25.433, UTRAN Iub Interface NBAP Signalling, v5.11.0, January 2005. Ajay R. Mishra, Fundamentals of Cellular Network Planning and Optimisation 2G/2.5G/3G… Evolution to 4G, 1st Ed., Willey, 2004. Ajay R. Mishra, Advanced Cellular Network Planning and Optimisation 2G/2.5G/3G… Evolution to 4G, 1st Ed., Willey, 2007. http://ru6.cti.gr/ru6/umts_general.php. Holma Harri, Toskala Antti, WCDMA for UMTS, Radio access for third generation mobile communications, 3rd Ed., Willey, 2004. http://www.3gpp.org/releases 20 CAPÍTULO 4. REDES MÓVILES GENERACIÓN DE CUARTA La tecnología LTE (Long Term Evolution) permite a los operadores lograr picos de tasas de datos mucho más altos en comparación a HSPA+. 1G Analógica (ej., AMPS) 2G Digital (ej., GSM) 3G IMT-2000 (ej., UMTS) 4G IMT-advanced (ej., LTE) Figura 4-1: Evolución de los sistemas de comunicaciones móviles. El objetivo general de LTE es proporcionar una tecnología de acceso radio de altísimo rendimiento que ofrezca una movilidad total a altas velocidades y que pueda coexistir con HSPA y redes más antiguas. LTE asume una arquitectura completamente IP (Internet Protocol) y se diseña para dar soporte de voz en el dominio PS (packet domain), incorpora técnicas de radio top-of-the-line para lograr niveles de rendimiento más altos que WCDMA. De la misma manera que 3G coexiste con los sistemas de segunda generación (2G), los sistemas LTE coexisten con sistemas 2G y 3G. Los dispositivos multimodo funcionan a través de LTE/3G o incluso LTE/3G/2G dependiendo de las circunstancias del mercado La labor de desarrollo de LTE empezó en el 3GPP en el 2004, y las especificaciones del Release 8 se completaron en Diciembre del 2008. El desarrollo de LTE continuó con el Release 9 (Rel-9) el cual se terminó en Diciembre del 2009. El Release 9 se enfoca en las mejoras de HSPA+ mientras que el Release 10 se enfoca en la nueva generación de LTE y LTE Advanced, ver Figura 4-2 [8]. Rel-8 Diciembre 2008 Primer release para LTE EPC/SAE Rel-9 Diciembre 2009 LTE Home NodeB Servicios de Localización Soporte de MBMS Multi-estándar BS . Rel-10 Marzo 2011 “LTE-Advanced” Agregación de Portadora Mejora del downlink MIMO Uplink MIMO Mejora IC Relays Rel-11 Marzo 2011 Agregación de la portadora mejorada Agregación de la portadora adicional intra-band. Figura 4-2: Realeases de las especificaciones del 3GPP para LTE. LTE usa Acceso Múltiple por División Ortogonal de Frecuencia (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access –OFDMA) en el downlink que es útil para lograr altas tasas de transferencia de datos. LTE opera en varios tamaños de canales de radio, desde 1.4 MHz a 20 MHz. Para el uplink, LTE utiliza Single Carrier FDMA (SC-FDMA) [9]. Las capacidades de LTE incluyen [9]: - Velocidades hasta 326 Mbps para downlink y hasta 86.4 Mbps para el uplink con un ancho de banda de 20 MHz. Opera en ambos modos TDD y FDD. 21 - Ancho de banda escalable hasta 20 MHz, cubriendo 1.4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, y 20 MHz en fase de estudio. Incremento de la eficiencia espectral sobre el Release 6 HSPA en un factor 2 o 4. Reducción de la latencia, hasta 10 milisegundos (ms) entre el equipo de usuario y la estación base y menos de 100 ms para el tiempo de transición de inactivo a activo. 4.1. Arquitectura LTE En contraste con el modelo circuit-switched de los sistemas celulares anteriores, LTE se ha desarrollado para soportar únicamente servicios packet-switched. Esto tiene como objetivo proveer conectividad IP (Internet Protocol) entre el UE y la red de paquete de datos (Packet Data Network – PDN). Figura 4-3: Arquitectura de la Red LTE. LTE comprende la evolución de UMTS por medio de Evolved UTRAN (E-UTRAN), junto con la evolución en aspectos que no son de radio bajo el término SAE (System Architecture Evolution), que es la evolución de GPRS, ver Figura 4-3 [7]. El principal componente de la arquitectura SAE es el EPC (Evolved Packet Core), también conocido como SAE Core. Juntos LTE y SAE comprenden el sistema de paquetes evolucionado (Envolved Packet System – EPS), ver Figura 4-4 [6]. Figura 4-4: Definición Técnica de EPS, EPC, E-UTRAN, SAE y LTE. 22 4.1.1. Equipo de Usuario (User Equipment - UE) Como se dijo en el capítulo 2, el UE es el dispositivo que el usuario final utiliza para la comunicación, contiene la USIM que es un módulo independiente del UE, y al resto se le conoce como equipo terminal (TE), la USIM se utiliza para identificar y autenticar al usuario y para derivar las claves de seguridad para la protección de la interfaz radio. Funcionalmente el UE es una plataforma para aplicaciones de comunicación, las cuales indican a la red establecer, mantener y eliminar los enlaces de comunicación necesarios. Esto incluye funciones de gestión de la movilidad, tales como handovers e informes de ubicación del UE. 4.1.2. E-UTRAN NodoB o eNodoB La red de acceso de LTE, E-UTRAN, consiste simplemente de eNodosB, para tráfico normal no hay un controlador en E-UTRAN, por tanto se dice que su arquitectura es plana. El eNodoB es una estación que está en control de todas las funciones de radio del sistema. Un hecho notable es que la mayoría de los protocolos implementados en las actuales RNC están ahora en los eNodosB; éstos también son responsables de la compresión, cifrado y entrega confiable de paquetes. Las funciones de Control de Admisión y Administración de Recursos de Radio también se incorporan en el eNodoB. Los eNodosB normalmente se conectan entre ellos por medio de la interfaz X2 y al EPC por medio de la interfaz S1, más específicamente: al MME por medio de la interfaz S1-MME y al S-GW por medio de la interfaz S1-U. 4.1.3. Entidad de Administración de Movilidad (Mobility Management Entity - MME) El MME es el nodo de control más importante de la red de acceso LTE, es el responsable del modo “idle” de los UE, se encarga de los procedimientos de seguimiento y paginación incluyendo las retransmisiones. Forma parte del proceso de activación y desactivación de la portadora y se encarga de escoger el SGW para el enganche (attach) inicial del UE y a la hora del handover intra-LTE. El MME es el que autentica al usuario interactuando con el HSS. La señalización Non-Access Stratum (NAS) termina en el MME y es también responsable de la generación y ubicación de identidades temporales para los equipos de usuario. Verifica la autorización del UE para acceder a la red PLMN y aplica restricciones al roaming. El MME provee la función de control para la movilidad entre redes LTE y 2G/3G mediante la interfaz S3. 4.1.4. Serving Gateway (SGW) El Serving Gateway (SGW) reenvía los paquetes de datos del usuario mientras actúa también como un anclaje de movilidad para los usuarios durante los handover inter-eNodosB (el MME ordena al SGW cambiar de un eNodoB a otro) y como anclaje para la movilidad entre LTE y otras tecnologías; el SGW tiene un rol pequeño en el control de funciones, solo es responsable de propios recursos y los ubica basándose en peticiones de otras entidades de red como el MME, PDN-GW (Packet Data Network Gateway), o el PCRF (Policy and Charging Resource Function) que a su vez tiene en cuenta la necesidad de crear, modificar o borrar las portadoras para el UE. El MME puede también pedir al SGW que proporcione recursos de tunelización para el reenvío de datos cuando se necesita un reenvío de un eNodoB a otro durante el tiempo en el que el UE realiza el radio handover. Los escenarios de movilidad incluyen también el cambio de un SGW a otro, el MME controla este cambio quitando los túneles del antiguo SGW y colocándolos en uno nuevo. 23 4.1.5. Gateway de la Red de Paquete de Datos (Packet Data Network Gateway - PDN-GW) El PDN-GW es el punto de interconexión entre el EPC y las redes IP externas, esas redes se llaman PDN (Packet Data Network). El PDN-GW enruta los paquetes que vienen de PDNs externas; también cumple varias funciones como direccionamiento IP o políticas de control. Un UE puede tener conexiones simultáneas con más de un PDN-GW para acceder a diferentes redes de datos. 4.1.6. Política y Función de Carga de Recursos (Policy and Charging Resource Function - PCRF) El PCRF es el elemento de red que es responsable de la Política y Control de Carga, toma decisiones sobre como manipular los servicios en términos de QoS, proporciona información al PDN-GW y que se aplican también al SGW. El PCRF es un servidor ubicado usualmente con otros elementos del Core de la red en los centros de conmutación del operador. 4.1.7. Servidor de Subscripción Local (Home Subscription Server - HSS) El HSS es un repositorio de datos de subscripción para todos los usuarios permanentes de datos. El HSS almacena una copia del perfil de los subscriptores y también contiene información sobre los servicios que se aplican a cada usuario, incluyendo información sobre las conexiones de datos permitidas, y si se permite el roaming a una red particular o no. 24 Bibliografía [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] HarriHolma and AnttiToskala, LTE for UMTS OFDMA and SC-FDMA, Based Radio Access, 1st Ed., Willey, 2009. Request for Comments 4960, The Internet Engineering Task Force (IETF), Network WorkingGroup, Stream Control Transmission Protocol, http://www.ietf.org. S. Sesia, I. Toufik, M. Baker (eds), LTE – The UMTS Long Term Evolution: From Theory toPractice, Wiley, 2009. Erik Dahlman, Stefan Parkvall and Johan Skold, 4G: LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband, 1st Ed., Academic Press, 2011. Christopher Cox, An Introduction to LTE: LTE, LTE-Advanced, SAE and 4G Mobile,1st Ed., Willey, 2012. http://ltetalk.wordpress.com/2011/11/14/lte-sae-eps-epc-e-utran-acronym-attack/ http://www.telecom-cloud.net/basics-of-lte-dimensioning/ http://www.tja.org.au/index.php/tja/article/view/274/538 http://www.3gpp.org/LTE 25 26 SECCIÓN II. OPTIMIZACIÓN Y PLANIFICACIÓN 27 28 CAPÍTULO 5. OPTIMIZACIÓN Y PLANIFICACIÓN DE LA RED DE RADIO. Este capítulo se refiere en general a las redes 3G que son las que están en auge en los actuales momentos. La Red de Radio es la parte de la red que incluye al Equipo de Usuario (UE), el NodoB y la interfaz entre ellos. El principal objetivo de su planificación es proveer una solución con un coste efectivo en términos de cobertura, capacidad y calidad. La tarea de la planificación de radio es definir ubicaciones y configuraciones de los NodosB que conduzcan a figuras de cobertura y capacidad derivadas del dimensionamiento, puesto que el punto inicial de la planificación son los resultados del dimensionamiento. Un gran número de herramientas de planificación están disponibles en el mercado y son ampliamente utilizadas por los operadores. El factor que más determina la usabilidad de la herramienta es la precisión del modelo de Radio Frecuencia (RF), como los modelos de propagación, configuraciones de antena, predicción de interferencia, localización de frecuencia y modelo de canales. Las características más importantes al momento de elegir una herramienta de planificación son: - Soporte de planificación para GSM/UMTS/LTE. Selección óptima del sitio – cuando el sitio existente o se tiene un candidato. Soporte de múltiples modelos de propagación. Soporte de características de planificación WCDMA como planificación de pilotos y planificación de código. Configuración óptima de la antena. Definición de varios escenarios de tráfico. Simulación del rendimiento de la red. Una vez la red se ha implementado, las actividades de planificación y optimización no terminan debido a que la optimización es un proceso continuo. Para el proceso de optimización, la entrada necesaria es toda la información disponible sobre la red y su estado, las figuras de estadísticas de red, alarmas y tráfico se monitorizan cuidadosamente; las quejas de los clientes son también una fuente de información. El proceso de optimización incluye medidas a nivel de red y de campo con el fin de analizar potenciales problemas. 5.1. Proceso de Planificación de la Red de Radio El proceso de planificación de la red no está estandarizado, el hecho de que algunos de sus pasos puedan ser comunes se determina por el tipo de proyecto, criterio y objetivos; el proceso debe aplicarse caso por caso. Un proceso simplificado para la planificación de la red de radio se muestra en la Figura 5-1. Requerimientos de Red: capacidad, calidad, etc. PrePlanificación, Cobertura y Plan de Capacidad SiteSurvey y Selección del Sitio Plan de Análisis C/I de Frecuencias Planificación de Parámetros Plan de la Red de Radio Figura 5-1: Proceso de Planificación de la Red de Radio 29 5.1.1. Requerimientos de Red El proceso de planificación de la red de radio inicia con la recopilación de parámetros de entrada como el requerimiento de capacidad, cobertura y calidad. La definición de cobertura debería incluir la cobertura de áreas, probabilidad de servicio y fuerza de la señal. La definición de capacidad debería incluir a los subscriptores y perfiles de tráfico en la región, disponibilidad de bandas de frecuencia, métodos de planificación de frecuencia, y otra información como banda de frecuencia de guardia y división de frecuencia. El planificador también necesita información sobre el sistema de acceso de radio y el rendimiento de la antena. 5.1.2. Pre-Planificación La fase de pre-planificación cubre la preparación y evaluaciones antes de que la planificación de la red se inicie. Los criterios de planificación de la red deben acordarse con el cliente, los requisitos dependen de muchos factores, los principales criterios son los objetivos de cobertura y calidad. El anteproyecto incluye el número de elementos que son necesarios para cumplir con la calidad de los requisitos de servicio establecidos por el operador de la red. La planificación de capacidad y cobertura para celdas individuales puede realizarse usando una herramienta que tenga mapas digitales e información de tráfico. 5.1.3. Site Survey y Selección del Sitio Los sitios candidatos se deben buscar para conseguir la cobertura y capacidad requerida, uno de esos candidatos se selecciona basándose en los criterios de la planificación de transmisión y en los criterios de los ingenieros de instalación; los ingenieros civiles también deben hacer un estudio de factibilidad para construir una estación base en el sitio. El objetivo de un site survey es encontrar las ubicaciones óptimas para los NodosB y brindar cobertura continua. La planificación de cobertura se realiza con la herramienta de planificación incluyendo un mapa digital con información de topología y un modelo de propagación. 5.1.4. Análsis C/I (Carrier to Interference) – Plan de frecuencias. Después de la selección del sitio, se hace la evaluación de la frecuencia de canal para cada celda de manera que cause mínima interferencia y mantenga la calidad deseada. La localización de la frecuencia se basa en la relación portadora a interferencia C/I. Los planes de frecuencia necesitan basarse en los resultados de drive test (pruebas que se realizan para detectar fallos en la red, se utilizan terminales con de conexiones de voz y datos mientras que el usuario se mueve en un vehículo) y las estadísticas de la administración de red. 5.1.5. Planificación de Parámetros La planificación de parámetros se realiza para cada celda. Hay un conjunto de parámetros que se usan para el lanzamiento de la red y su expansión, este conjunto incluye definiciones del área de servicio, configuraciones de canal, handover, control de potencia, definiciones adyacentes y parámetros específicos de la red. La planificación de celdas vecinas se realiza normalmente con la herramienta de planificación de cobertura usando la información del plan de frecuencias. 5.1.6. Plan de Red de Radio El plan final de radio consiste en planes de cobertura, estimaciones de capacidad, planes de interferencia, cálculo de presupuestos de potencia, planificación de parámetros, planes de frecuencia, 30 etc. Los requerimientos de la calidad de servicio para la red celular (cobertura, capacidad y calidad) son la base para el dimensionamiento. Los objetivos se especifican con los Indicadores Clave de Rendimiento (Key Performance Indicators – KPIs), los cuales muestran el cumplimiento de los objetivos antes de la aceptación de la red. El Drive Test se usa como método de pruebas para la verificación de la funcionalidad de la red. Durante la verificación se deben probar los diferentes servicios acordados con el operador. 5.2. Indicadores de Rendimiento de Enlace de Radio WCDMA Los indicadores de rendimiento de enlace se usan ampliamente en el dimensionamiento y planificación de la red de radio, por tanto, se debe usar un conjunto de figuras lo más realistas y consistentes para cubrir los casos relevantes. A continuación se presentan los indicadores de rendimiento de enlace más importantes. 5.2.1. Block Error Rate (BLER) El BLER se define como la relación entre el número erróneo de bloques recibidos sobre el número total de bloques enviados. Un bloque erróneo se define como Transport Block (TB), el TB se considera erróneo si tiene al menos un bit de error. El sistema conoce la exactitud de los bloques con una fiabilidad muy alta a través del CRC - Cyclic Redundancy Check. 5.2.2. Bit Error Rate (BER) El Bit Error Rate se define como la tasa en la cual ocurren errores en un sistema de transmisión, o lo que es lo mismo, como el número de errores que ocurren en cierta cantidad de datos. El BER se calcula comparando la secuencia transmitida de bits con los bits recibidos y contando el número de errores. Este parámetro depende de varios factores incluyendo: señal a ruido, distorsión y jitter. BER = número de bits erróneos / número total de bits enviados 5.2.3. Relación Energía de Bit a Densidad Espectral de Ruido Eb/No La relación Energía de Bit / Densidad Espectral de Ruido (Eb/No) se mide en el receptor y sirve para indicar cuán fuerte es la señal en un sistema de comunicación digital. El valor de Eb/No depende del tipo de servicio, tipo de UE y canal. 𝐸𝑏 𝑃𝑟𝑥 𝑊 = × dB 𝑁𝑜 𝐼 𝑅 donde: Prx es la potencia de señal recibida. I es la potencia total de ruido. R es la tasa de bit. W es el ancho de banda. 31 Ec Transmisor Propagación de la Señal Interferencia Eb Receptor Ruido No Io Figura 5-2: Eb/No y Ec/Io. 5.2.4. Relación Energía Chip a Densidad Espectral de Potencia Ec/Io El Ec/Io, ver Figura 5-2 [24], se utiliza como un indicador de rendimiento de enlace para las señales que no tienen bits de información como por ejemplo la señal CPICH. 5.2.5. Control de Potencia Headroom Al Headroom también se lo conoce como margen de desvanecimiento rápido (fast fading margin). Este parámetro es importante porque en el borde de las celdas, para los móviles moviéndose a bajas velocidades y cuyas potencia de transmisión alcanzan su máximo valor, se les proporciona un margen en el uplink para para permitir que el control de potencia funcione eficientemente. 5.2.6. Tasa de Borrado de Tramas (Frame Erasure Rate - FER) El rango de la tasa de borrado de tramas va desde 0 (siendo el mejor rendimiento) hasta 100%. Representa el porcentaje de bloques con un CRC (cyclic redundancy check) incorrecto. Siendo incluso más estable que el BER, el FER también depende del tipo de codificación, a tasa de bits de codificación de voz más pequeña, más sensible viene a ser el borrado de tramas. 5.2.7. Potencia Radiada Isotrópica Efectiva (Effective Isotropic Radiated Power – EIRP) Se conoce como EIRP a la potencia radiada medida en una sola dirección de la antena. Típicamente, para una medida de un patrón de radiación de una antena, si se da un solo valor de EIPR, éste será el máximo valor sobre todos los ángulos medidos. El EIRP se puede interpretar también como la cantidad de potencia que una antena isotrópica necesitaría irradiar para lograr un cierto valor. 5.3. ARQUITECTURA DEL PROTOCOLO DE INTERFAZ DE RADIO La Figura 5-3 muestra las primeras tres capas de los Protocolos de Interfaz de Radio WCDMA. Estas tres capas son necesarias para el funcionamiento (puesta en marcha, actualización, configuración) de los servicios portadores de la red de radio. 32 L3 Control de Recursos de Radio (Radio Resource Control - RRC) L2 Control de Radio Enlace (Radio Link Control - RLC) L2 Control de Acceso al Medio (Medium Access Control - MAC) L1 Capa Física (Physical Layer) Figura 5-3: Arquitectura del Protocolo de la Interfaz de Radio 5.3.1. L1: Capa Física La capa 1 es la Capa Física, el medio de transferencia actual. Los Ingenieros de Planificación de redes móviles deben notar que esta capa no es solo un “medio físico” sino también que debe ser capaz de realizar ciertas funciones; las funciones principales de esta capa incluyen el procesamiento RF, modulación/demodulación, multiplexación/demultiplexación de los canales físicos, corrección y detección de errores, control de potencia, sincronización, etc. 5.3.2. L2: Capa de Enlace La capa 2 es la Capa de Enlace. Se necesita para ubicar los recursos mínimos para un cambio constante de la tasa de datos. Tiene dos subcapas principales: RLC y MAC, hay otras dos capas llamadas PDCP (Packet Data Convergence Protocol) y BMC (Broadcast Multicast Control) pero solo existen en el plano de usuario. 5.3.2.1. Control de Acceso al Medio (Medium Access Control - MAC) La capa de Control de Acceso al Medio es una entidad responsable del mapeo de los canales lógicos a los canales de transporte, proporciona servicios de transferencia de datos en los canales lógicos. Al ser una interfaz entre la capa 1 y la capa 3, también proporciona funciones como la multiplexación y demultiplexación de las unidades de paquetes de datos desde y hacia la capa física. La capa MAC también es responsable de las medidas relacionadas al volumen de tráfico en el canal lógico y otros informes a la capa 3. 5.3.2.2. Control de Enlace de Radio (Radio Link Control - RLC) La segunda subcapa de la capa de Enlace de Radio es la de Control de Enlace de Radio (RLC). Esta subcapa es la responsable de la recuperación de errores y el control de flujo. Para este propósito, la capa RLC puede operar en tres modos: modo transparente (no se añade información de protocolo), modo sin confirmación (no emplea protocolo de retransmisión y no garantiza la entrega de datos) y modo con confirmación (se usa un protocolo de retransmisión y la entrega de datos es garantizada). 5.3.2.3. Control Broadcast y Multicast (BMC) Las funciones como el cell broadcast que son necesarias para las aplicaciones punto-multipunto se asignan a la subcapa BMC (Broadcast and Multicast Control); son aquellas funciones que permiten que ciertos datos puedan ser emitidos en broadcast. Este servicio ya existe en GSM pero no se usa mucho comercialmente. La subcapa BMC en la RNC gestiona la información que tiene que ser emitida en diferentes celdas. 33 5.3.2.4. Protocolo de Convergencia de Paquetes de Datos (Packet Data Convergence Protocol - PDCP) El PDCP sirve solamente para paquetes de datos, su principal función es comprimir los PDUs en el lado de transmisión y descomprimirlos en el lado de recepción en los tres modos de operación: transparente, sin confirmación y con confirmación. 5.3.3. L3: Capa de Recursos de Radio (Radio Resource Control - RRC) La capa de recursos de radio interactúa con la capa 2. Maneja el control de la señalización entre el UE y la red en modo conectado, también es el responsable de las funciones como el establecimiento, liberación, mantenimiento y reconfiguración en el plano de usuario y recursos de radio en el plano de control. Las funciones del RRC incluyen administración de recursos de radio y administración de movilidad así como control de potencia, cifrado, enrutamiento de PDUs y paginación. 5.4. Canales UMTS Existen muchos canales UMTS que se usan dentro del sistema. Los datos transportados en las transmisiones UMTS / WCDMA se organizan en tramas, slots y canales; de esta manera toda la carga así como el control y estado de los datos pueden ser transportados de manera eficiente. Los canales se categorizan en tres, ver Figura 5-4 [27]: Figura 5-4: Canales en UTRAN. - - Canales Lógicos: definen la forma en que los datos van a ser transportados, nos dan información en el plano de control. Son un conjunto de tareas que la red debe realizar en un determinado momento, es decir, cada canal lógico representa una tarea. Canales de Transporte: junto con los canales lógicos también definen cómo se van a transportar los datos, describen cómo se transfieren los canales lógicos. Canales Físicos: son el medio radioeléctrico por el cual se transmiten los datos y administran las características físicas de la señal. Desde el punto de vista de la red, el NodoB administra los canales físicos ya que se encarga de proveer la interfaz radioeléctrica y el RNC administra los canales de transporte y los canales lógicos, ver Figura 5-5 [25]. 34 Los canales se organizan de forma que los canales lógicos se relacionan con lo que es transportado, mientras que los canales físicos y de transporte se encargan del cómo y con qué características. Figura 5-5: Canales UMTS / WCDMA. 5.4.1. Canales Lógicos - Canal de Control de Paginación (Paging Control Channel - PCCH), (downlink). Este canal se asocia con el canal PICH y se usa para mensajes de paginación y notificación de información. - Canal de Control de Difusión (Broadcast Control Channel - BCCH), (downlink). Este canal informa al UE de lo que está pasando en su entorno radioeléctrico como canales de radio, celdas vecinas, niveles de potencia permitidos, valores de los códigos utilizados en su celda, etc. - Canal de Control Común (Common Control Channel - CCCH), (uplink y downlink). Este canal bidireccional se usa para transferir información de control. - Canal de Tráfico Común (Common Traffic Channel - CTCH), (downlink). Es un canal unidireccional usado para transferir información dedicada de usuario a un grupo de usuarios. - Canal de Tráfico Dedicado (Dedicated Traffic Channel - DTCH), (uplink y downlink). Este es un canal bidireccional usado para transportar datos o tráfico dedicados de usuario. 35 - Canal de Control Dedicado (Dedicated Control Channel - DCCH), (uplink y downlink). Este canal se usa para transportar información de control dedicada en ambas direcciones. 5.4.2. Canales de Transporte - Canal de Difusión (Broadcast Channel - BCH), (downlink). Este canal emite información a los UEs para identificar la red y la celda. - Canal de Paginación (Paging Channel - PCH) (downlink). Este canal transporta mensajes que alertan a los UE de llamadas entrantes, sesiones de datos o mantenimiento requerido como el reregistro. - Canal de Acceso Directo (Forward Access Channel - FACH), (downlink). Es un canal que transporta información de control, es decir, transporta a los canales lógicos BCCH y CCCH. Una celda posee más de un FACH. - Canal de Acceso Aleatorio (Random Access Channel - RACH), (uplink). Este canal transporta las peticiones de servicio de los UEs que intentan accede al sistema. - Canal de Transporte Dedicado (Dedicated Transport Channel - DCH), (uplink y downlink). Este canal se usa para transferir datos a un UE en particular. Cada UE tiene sus propio DCH en cada dirección. - Canal Compartido Descendente (Downlink Shared Channel - DSCH) (downlink). Este canal puede compartirse entre varios usuarios y se utiliza para datos como aquellos obtenidos de la navegación en la web. Este canal puede aumentar de velocidad convirtiéndose en HS-DSCH. - Canal de Paquetes Común (Common Packet Channel - CPCH), (uplink). Este canal proporciona capacidades adicionales más allá del RACH y para control rápido de potencia. 5.4.3. Canales Físicos - Canal Físico de Control Común Primario (Primary Common Control Physical Channel PCCPCH) (downlink). Este canal continuamente emite la identificación del sistema y la información de control de acceso. - Canal Físico de Control Común Secundario (Secondary Common Control Physical Channel SCCPCH) (downlink). Este canal transporta el FACH proporcionando control de información, y el PACH con mensajes para los UEs que están registrados en la red. - Canal de Acceso Físico Aleatorio (Physical Random Access Channel - PRACH) (uplink). Este canal habilita al UE para transmitir ráfagas de acceso aleatorias en un intento de acceder a la red. - Canal de Datos Físicos Dedicado (Dedicated Physical Data Channel - DPDCH) (uplink y downlink). Este canal se usa para transferir datos de usuario. - Canal de Control Físico Dedicado (Dedicated Physical Control Channel - DPCCH) (uplink y downlink). Este canal transporta información de control desde y hacia el UE, es decir, transporta la parte de control del canal de transporte DCH. - Canal DPCCH de Alta Velocidad (High Speed DPCCH). Es un canal que cumple las mismas funciones que el DPCCH pero con velocidades más altas. 36 - Canal Físico Compartido Descendente (Physical Downlink Shared Channel - PDSCH) (downlink). Este canal comparte la información de control a los UEs dentro del área de cobertura del NodoB. - Canal PDSCH de Alta Velocidad (High Speed PDSCH). Cumple las funciones del PDSCH pero con velocidades más altas. - Canal Físico de Paquetes Comunes (Physical Common Packet Channel - PCPCH). Este paquete está diseñado específicamente para llevar paquetes de datos. En operación, el UE monitoriza el sistema para verificar si está ocupado y si no, transmite una breve ráfaga de acceso, esto es retransmitido y si no hay confirmación se gana un ligero incremento en la potencia cada vez. Una vez que el NodoB confirma la petición, los datos son transmitidos en el canal. - Canal Piloto Común (Common Pilot Channel - CPICH). Este canal se transmite por cada NodoB de manera que los UEs sean capaces de estimar el tiempo para la señal de demodulación. Adicionalmente puede utilizarse como guía al UE para determinar la mejor celda con la cual comunicarse. El ajuste del nivel de potencia de CPICH equilibra la carga de la celda debido a que el terminal busca la celda con el nivel de potencia más alto. - Canal de Sincronización (Synchronization Channel - SCH). El canal de sincronización se usa para permitir a los UEs sincronizarse con la red. - Canal Indicador de Paginación (Paging Indication Channel - PICH). Este canal provee información al UE para que opere en su modo “sleep” con el fin de conservar batería cuando escucha los PCH. Como el UE necesita saber cuándo monitorear el PCH, unos datos se proporcionan en el PICH para asignar al UE una tasa de repetición y determinar cuan a menudo debe “levantarse” y escuchar al PCH. - Canal Indicador de Adquisición (Acquisition Indicator Channel - AICH). El AICH se usa para informar al UE acerca del DCH. La asignación de este canal ocurre como resultado exitoso de acceso a un servicio desde el UE. - Canal Indicador de Detección de Colisiones / Asignación de Canal (Collision Detection/Channel Assignment Indication Channel - CD/CA-ICH). Este canal, presente en el downlink, se usa para indicar si el canal asignado está activo o inactivo para el UE. - Canal de Indicación de Estado CPCH (Status Indication Channel - CSICH). Este canal, el cual solo aparece en el downlink, transporta el estado del CPCH y también se puede usar para llevar datos intermitentes. Funciona de manera similar al PICH. 5.5. Gestión de los Recursos de Radio La funcionalidad de Gestión de Recursos de Radio (RRM) controla los recursos del sistema. Los recursos físicos que limitan el número de usuarios y los servicios son, entre otros, la potencia de transmisión, número de canales, capacidad de transmisión, número de frecuencias disponible, etc. El RRM ubica los recursos y controla el uso de los mismos, el principio básico es ahorrar recursos y garantizar la calidad de la conexión de los usuarios conectados, en caso de que haya una limitación de recursos, a expensas de nuevos usuarios que deseen conectarse. La Gestión de Recursos de Radio (RRM) consiste de: - Control de Potencia (Power Control –PC) Control de Handover (Handover Control) 37 - Control de Congestión, típicamente dividido en Control de Admisión (Admission Control – AC), Control de Carga (Load Control) y Organización de Paquetes de Datos (Packet Data Scheduling) 5.5.1. Control de Potencia (Power Control – PC) En un sistema de comunicaciones móviles, como los sistemas 3G, los cuales se basan en WCDMA y en donde todos los usuarios comparten una frecuencia común, el control de potencia es un asunto crucial. Es especialmente importante para el uplink, ya que un UE ubicado cerca de la estación base y transmitiendo con excesiva potencia puede provocar que se desprecie la señal de otras estaciones móviles localizadas en el borde de la celda, (a esto se lo conoce como el efecto cerca – lejos en el cual un receptor recibe una señal fuerte y por lo tanto hace imposible para el receptor detectar una señal débil) o incluso podría bloquear a toda la celda. En el downlink la capacidad del sistema es directamente determinado por la potencia requerida para cada conexión. Por tanto, es esencial mantener la potencia de transmisión al nivel mínimo para asegurar la calidad de la señal en los receptores. En el uplink, la estación base mide la potencia recibida de diferentes móviles en términos de la relación Señal a Interferencia (Signal to Interference Ratio - SIR), entonces los compara; si el SIR medido es más grande que el límite establecido para el SIR, el NodoB pedirá a los móviles reducir su potencia de transmisión. Un fenómeno similar sucede en el downlink, pero en este caso el factor limitante son los móviles que están ubicados en el borde de las celdas, con el fin de proveerlos con suficiente potencia y reducir las interferencias para las celdas externas. 5.5.2. Control de Handover (Handover Control - HC) El control de potencia es el responsable de la gestión del handover en las redes de radio WCDMA. Al HC se lo puede dividir en los siguientes tipos: - Handover Intra-system que ocurre dentro del sistema WCDMA, además se lo puede dividir en: Handover Intra-frequency entre las celdas que pertenecen a la misma portadora WCDMA. Handover Inter-frequency entre las celdas que operan en diferentes portadoras. - Handover Inter-system que ocurre entre celdas que pertenecen a diferentes tecnologías de acceso de radio o diferentes modos de acceso de radio. El caso más frecuente ocurre entre WCDMA y GSM. - Hard Handover (HHO), es un proceso de handover en el cual todos los enlaces de radio antiguos del UE se liberan antes de que una nueva conexión se establezca. - Soft Handover (SHO) y softer HO son categorías del procedimiento de handover en el cual el equipo de usuario siempre mantiene al menos un enlace de radio con la UTRAN. Durante el Soft Handover el equipo de usuario es controlado simultáneamente por dos o más celdas pertenecientes a diferentes NodosB de la misma o diferente RNC. En el Softer Handover el equipo de usuario es controlar por al menos dos celdas de un NodoB. El Soft y Softer Handover son posibles con una frecuencia portadora. Dependiendo de la participación en el Soft Handover, las celdas en el sistema WCDMA se dividen en: - Active Set, incluye a todas las celdas que participan en el Soft Handover del equipo de usuario. 38 - - Neighbour Set/Monitored Set. Ambos términos se usan simultáneamente, incluyen todas las celdas que están siendo monitoreadas y medidas continuamente por el equipo de usuario y las cuales no están incluidas en el Active Set. Detected Set. Incluye las celdas que el equipo de usuario ha detectado pero no están ni en el Active Set ni en el Neighbour Set. 5.5.3. Control de Congestión En WCDMA es muy importante mantener la carga de datos en la interfaz de acceso radio bajo umbrales predefinidos. El razonamiento detrás de esto es que la carga excesiva impide a la red garantizar los requerimientos necesarios, no se provee de la cobertura planificada, la capacidad es más baja que la requerida y el QoS se degrada. Además, una excesiva carga en la interfaz de acceso radio puede conducir a la red a condiciones inestables. Las tres funciones principales que se usan en este contexto se resumen bajo el control de congestión: - - Control de Admisión (Admission Control – AC): gestiona todo el tráfico entrante. Verifica si un nuevo paquete o señal puede ser admitida en el sistema y ajusta los parámetros para que los nuevos paquetes o señales sean admitidas. Control de Carga (Load Control – LC): maneja la situación cuando la carga del sistema ha excedido el umbral y se deben tomar medidas para regresar al sistema a una carga posible. Organización de Paquetes (Packet Scheduling - PS): Básicamente, decide cuándo una transmisión de paquetes se inicia. 5.5.4. Gestión de Recursos (Resource Manager - RM) La principal función de la Gestión de Recursos (RM) es asignar los recursos físicos de radio cuando son requeridos por la capa RRC, para esto el RM tiene que conocer la configuración de red necesaria y el estado de los datos, incluyendo los parámetros que afectan la ubicación de los recursos lógicos de radio. El RM se localiza parcialmente en la RNC y parcialmente en el NodoB, opera en cooperación con el Controlador de Admisión (AC) y el Organizador de Paquetes (PS). El RM solo mira los recursos lógicos de radio de un NodoB y así la asignación actual significa que el RM reserva una cierta proporción de los recursos físicos de radio disponibles de acuerdo a la petición del canal desde la capa RRC para cada conexión de radio. En la asignación de canal, el RM se vincula a un “spreading code” para cada conexión en el downlink. El RM tiene que ser capaz de conmutar códigos y tipos de códigos. El RM también es responsable de la asignación de los “scrambling codes” para las conexiones uplink y también el RM tiene que ser capaz de liberar los recursos. 5.6. Dimensionamiento de la Red de Radio Un asunto importante en la planificación es saber si se va a usar solo macro celdas o una combinación de macro, micro y pico celdas. Las macro, micro y pico varían en el tamaño de la celda y la ubicación de la antena, las macro celdas se usan en zonas urbanas y suburbanas para cubrir áreas grandes, las micro celdas se usan para cubrir áreas cercanas, las pico celdas se usan para cubrir ya sea áreas específicas en una zona externa o para dar cobertura interna. Las macro celdas tienen una cobertura de 1 a 35 Km y se caracterizan por una antena externa. Las antenas son más altas y están en azoteas o torres. Las micro celdas tienen un rango menor a 1 Km y son para áreas externas, las pico celdas tienen un rango menor a 500 metros y se caracterizan por tener antenas montadas en paredes. Se usan para coberturas internas y externas. 39 De acuerdo con las recomendaciones de la ETSI, el valor de la sensibilidad recomendada es -106 dBm, esta es una recomendación general y por tanto cuando se prepara un enlace con un equipo de cierto proveedor se pueden usar las recomendaciones de este proveedor. Adicionalmente, la sensibilidad de la estación móvil también se especifica en las recomendaciones de la ETSI, donde la sensibilidad del receptor es diferente para cada clase de UE. Para estaciones móviles de clase 4, que quieren decir GSM 900, el valor recomendado es -102 dBm; para clase 1, GSM 1800 es -100 dBm [28]. 5.6.1. Propagación de la Onda de Radio Los modelos de propagación se desarrollan con el objetivo de estimar la propagación de la onda de radio de forma tan precisa como sea posible, dos modelos consideran diferentes ambientes y predicen la pérdida por trayecto (path loss) entre el transmisor y el receptor. Los modelos responden a la pregunta ¿Cuánta potencia necesita ser transmitida para usar el NodoB y que sea posible recibir un cierto nivel de potencia desde el UE? La complejidad del modelo afecta a su aplicabilidad así como a su precisión. Dos modelos que son muy conocidos son Okumura-Hata y Walfish-Ikegami; el primero crea grandes celdas, por ejemplo para áreas rurales y suburbanas, mientras que el modelo Walfish-Ikegami se usa para celdas pequeñas, por ejemplo en áreas urbanas. Los mecanismos básicos de propagación de ondas electromagnética son la pérdida por espacio libre, reflexión, difracción y dispersión. Las pérdidas por espacio libre describen la situación ideal donde el transmisor y el receptor tienen visión directa y no hay obstáculos alrededor. En este caso ideal la atenuación de la señal es equivalente al cuadrado de la distancia desde el transmisor. Cuando la señal se transmite en el espacio libre hacia la antena receptora, la densidad de potencia S respecto a la distancia desde el transmisor d puede expresarse como: 𝑆= 𝑃𝑡 𝐺𝑡 4𝜋𝑑2 donde Pt es la potencia transmitida y Gt es la ganancia de la antena. El área efectiva A de la antena receptora puede expresarse como: λ2 𝐺𝑟 𝐴= 4𝜋 Donde λ es la longitud de onda y Gr es la ganancia de la antena de recepción. La densidad de potencia de recepción puede escribirse como: 𝑃𝑟 𝑆= 𝐴 Combinando estas ecuaciones se obtiene: λ 2 𝑆 = 𝑃𝑡 𝐺𝑡 𝐺𝑟 ( ) 4𝜋𝑑 La pérdida por espacio libre es la relación entre la potencia recibida y transmitida. Se puede expresar la ecuación en un formato simplificado cuando se excluye las ganancias de la antena: 𝐿 = 32.4 + 20𝑙𝑜𝑔10 (𝑓) + 20𝑙𝑜𝑔10 (𝑑) Donde f es la frecuencia en MHz y d es la distancia en Km. En la realidad, la trayectoria de propagación de la onda de radio normalmente no tiene visión directa, tiene obstáculos como edificios y árboles. Por lo tanto, la aplicabilidad de la propagación por espacio libre es limitada. 40 5.6.1.1. Modelo Okumura–Hata El modelo Okumura-Hata es el más utilizado para la planificación de macro celdas. Se usa para rangos de frecuencia de 150-1000 Hz y 1500-2000 MHz. El rango de cálculo es de 1 a 20 Km. La pérdida entre el transmisor y el receptor es dada por: 𝐿 = 𝐴 + 𝐵𝑙𝑜𝑔10 (𝑓) − 13.82 𝑙𝑜𝑔10 (𝐻𝑏 ) − 𝑎(𝐻𝑚 ) + [44.9 − 6.55 𝑙𝑜𝑔10 (𝐻𝑏 )] 𝑙𝑜𝑔10(𝑑) + 𝐿𝑜𝑡ℎ𝑒𝑟 donde f es la frecuencia en MHz, Hb es la altura de la estación base (en metros), a (Hm) es el factor de corrección de la antena móvil, d es la distancia entre la BTS y el MS en Km y Lother es un factor de corrección adicional para el tipo de área. El factor de corrección para la estación móvil (MS) se representa en la siguiente fórmula para pequeñas y mediadas ciudades: 𝑎(𝐻𝑚 ) = [1.1𝑙𝑜𝑔10 (𝑓) − 0.7]𝐻𝑚 − [1.56𝑙𝑜𝑔10 (𝑓) − 0.8] y para una ciudad grande: 𝑎(𝐻𝑚 ) = 8.29[𝑙𝑜𝑔10 (1.54𝐻𝑚 )]2 − 1.1: 𝑓 ≤ 200𝑀𝐻𝑧 𝑎(𝐻𝑚 ) = 3.2[𝑙𝑜𝑔10 (11.75𝐻𝑚 )]2 − 4.79: 𝑓 ≥ 400𝑀𝐻𝑧 donde Hm es la altura de la antena: 1 ≤ Hm ≤ 10 (Hm en metros) Los parámetros A y B dependen de la frecuencia: A = 69.55 y B = 26.16 for 150-1000 MHz B = 46.3 y B = 33.9 for 1000-2000 MHz 5.6.1.2. Modelo Walfish–Ikegami El modelo de propagación más común para las micro celdas es el modelo Walfish-Ikegam. Este modelo es básicamente utilizado para las micro celdas en ambientes urbanos. Se puede usar para un rango de frecuencia 800-2000 MHz, para alturas hasta 50 m (ejemplo: altura del edificio + altura de la BTS o NodoB) para una distancia de hasta 5 Km. De la Figura 5-6 [26] se puede interpretar fácilmente la representación de cada parámetro: Figura 5-6: Parámetros en el Modelo Walfish-Ikegami. El modelo nos da dos condiciones: con visión directa (LOS) y sin visión directa (non-line-of-sight NLOS). La pérdida por trayectoria para la condición LOS es: 𝐿 = 42.6 + 26 log10(𝑑) + 20log10 (𝑓) 41 Para la condición NLOS, la pérdida por trayectoria está dada por: 𝐿 = 32.4 + 20 log10(𝑓) + 20 log10(𝑑) + 𝐿𝑟𝑡𝑠 + 𝐿𝑚𝑠𝑑 donde Lrts es la pérdida por difracción y dispersión mientras Lmsd es una pérdida por difracción multipantalla. La pérdida por trayecto en una situación sin visión directa consiste de tres componentes: difracción, pérdida por dispersión, pérdida por difracción multipantalla y pérdida por espacio libre: 𝐿0 = 32.4 + 20 log10 (𝑑) + 20 log10(𝑓) La regla sigue: L = L0 + Lrts + Lmsd L = L0 Lrts + Lmsd> 0 Lrts + Lmsd≤ 0 La pérdida por difracción y dispersión ocurre cuando la onda de radio se propaga desde la azotea más cercana al receptor: 𝐿𝑟𝑡𝑠 = −16.9 − 10𝑙𝑜𝑔10 𝑤 − 10𝑙𝑜𝑔10 𝑓 − 10𝑙𝑜𝑔10 (ℎ𝑟𝑜𝑜𝑓 − ℎ𝑅𝑋 ) − 𝐿𝑂𝑟𝑖 donde LOri está dada por: LOri(φ) = –10+0.354φ LOri(φ) = 2.5+0.075(φ – 35) LOri(φ) = 4.0 – 0.114 (φ – 55) para 0 o ≤ φ ≤ 35o para 35 o ≤ φ ≤ 55o para 55 o ≤ φ ≤ 90o La pérdida por difracción multipantalla está causada por la propagación de la BTS a la azotea, lo cual es lo más cercano a la estación móvil. 𝐿𝑚𝑠𝑑 = 𝐿𝑏𝑠ℎ + 𝑘𝑎 + 𝑘𝑑 𝑙𝑜𝑔10 𝑑 + 𝑘𝑓 10𝑙𝑜𝑔10 𝑓 − 9𝑙𝑜𝑔10 𝑏 donde: Lbsh = –18 (1+(hBTS – hroof )) Lbsh = 0 hBTS>hroof hBTS<hroof ka = 54 ka = 54 – 0.8( hBTS – hroof ) ka = 54 – 0.8( hBTS – hroof )(d/0.5) hBTS>hroof d ≥ 0.5 Km y hBTS≤ hroof d < 0.5 Km y hBTS≤ hroof kd = 8 kd = 18 –15((hBTS – hroof)/(hBTS – hMS)) hBTS>hroof hBTS<hroof kf = –4(0.7(f/925-1)) kf = –4(1.5(f/925-1)) ciudades de tamaño medio y centros suburbanos centros urbanos 5.6.1.3. Rango de la Celda y Estimación del Área de Cobertura de la Celda Una vez que se conoce la máxima propagación permitida es fácil aplicar cualquier modelo de propagación para estimar el rango de la celda. Se debería escoger el modelo de propagación de manera que describa óptimamente las condiciones de propagación en el área. Las restricciones en el modelo están relacionadas con la distancia desde la altura de la antena del NodoB, la altura de la antena de la estación móvil, la frecuencia portadora, etc. tal como se observa en el modelo OkumuraHata y Walfish-Ikegami. Después de escoger el rango de la celda puede calcularse el área de cobertura. El área de cobertura para una celda en configuración hexagonal puede ser estimada con: S = K . r2 42 donde S es el área de cobertura; r es el rango máximo de la celda; y K es una constante. Hasta seis sectores son razonables para WCDMA, pero con seis sectores la estimación del área de cobertura de la celda se vuelve problemático ya que un sitio con seis sectores no necesariamente se parece a un hexágono. Una propuesta para el cálculo del área de la celda en esta etapa es que la ecuación para el caso omnidireccional se usa también para el caso de seis sectores. En la siguiente lista se enumeran los valores K para varios casos: Configuración del Sitio: Omni Dos sectores Tres sectores Seis sectores Valor de K: 2.6 1.3 1.95 2.6 Tabla 5-1: Valores de K para el cálculo del área. 5.6.2. Herramientas de Dimensionamiento Existe una gran cantidad de herramientas comerciales disponibles para el dimensionamiento, éstas son proporcionadas por compañías de software, pero muchos proveedores y operadores también tienen sus propias herramientas de dimensionamiento. La complejidad de las herramientas depende de las funcionalidades. Las herramientas de dimensionamiento pueden, en el caso más sencillo, consistir de hojas de cálculo, las cuales adecuadas para los casos de dimensionamiento pequeños y cálculos de capacidad. La herramienta de dimensionamiento provee capacidad de cálculo para cumplir los requerimientos de la planificación: capacidad, cobertura y objetivos de calidad. Los enlaces son una parte esencial de los cálculos y los resultados del dimensionamiento se dan por el tipo de área, es decir el número de elementos de red requeridos para cada tipo de área. Se puede predecir la evolución de la red usando herramientas de dimensionamiento. El resultado de la herramienta de dimensionamiento da el número de elementos de red que se utilizan como una entrada para la fase y la herramienta de planificación de cobertura. 5.7. Optimización de la Red de Radio Una vez que existen cientos de estaciones base es necesario realizar la optimización de la red con el fin de maximizar los beneficios y minimizar el capital y los costes de operación. El proceso de optimización comprende el análisis de rendimiento de la red y las decisiones que se toman en base a ese análisis para la parametrización, este proceso se repite hasta que los resultados obtenidos sean aceptables. Se define el objetivo de calidad end-to-end y para cada tipo de servicio se determina el criterio de calidad, de esa manera se configuran los umbrales para cada KPI. Los datos de rendimiento de red se pueden recoger desde el Sistema de Administración (Network Management Systems - NMS), drive test, analizadores de protocolo y/o quejas de clientes; las herramientas de optimización proporcionan información estadística y pre analizada. Basándonos en el estado y en la configuración de la red, se analiza con detalle la calidad y se hacen las correcciones a los parámetros que la afectan. La optimización de los parámetros individuales y conjuntos se lleva a cabo en un bucle hasta que se logre la calidad deseada. La selección de los datos para el análisis de rendimiento consiste de varios aspectos: accesibilidad, confiabilidad, rendimiento de tráfico, distribución y el propósito del análisis; además el uplink y downlink se analizan de manera separada. Después de que se ha realizado la optimización y de los cambios implementados en la red, es esencial verificar los objetivos obtenidos y compararlos con la pre optimización. 43 5.8. Principales KPIs Los principales KPIs para un operador en términos de la calidad de voz tienen que ver con la accesibilidad a la red y calidad de llamada (audio, caída de llamadas, handover); los principales KPIs para los operadores son: tasa de establecimiento exitoso de llamada (call setup success rate - CSSR) y tasa de caída de llamadas (dropcall rate - DCR). Ocasionalmente se puede monitorear la tasa de éxito del handover. 5.8.1. Tasa de Caídas de Llamadas (Drop Call Rate - DCR) El DCR se define como una llamada establecida que abandona el sistema antes de que sea finalizada normalmente. El parámetro DCR representa que porcentaje de todas las llamadas establecidas se caen en un período de tiempo específico. Malos valores de DCR pueden deberse a la limitación en capacidad, débil cobertura, interferencia, degradación de la calidad, etc. 5.8.2. Tasa de establecimiento exitoso de llamada (Call Setup Success Rate - CSSR) El CSSR es un KPI importante para evaluar el rendimiento de la red, es la relación entre el número de intentos de llamada que resultan en una conexión exitosa con el número total de intentos. Si este KPI es muy bajo los subscriptores probablemente no harán llamadas exitosas. Un intento de llamada comprende un proceso de establecimiento de llamada, el cual, si es exitoso, finaliza en una llamada conectada. El establecimiento de llamada puede fallar debido a un sin número de razones técnicas, dichas llamadas se clasifican como intentos de llamadas fallidas. 5.8.3. Tasa de Éxitos de Handover (Handover Success Rate - HOSR) Este KPI describe la tasa de éxitos de handover sobre los intentos de handover. El HOSR es un KPI importante evaluado por los operadores porque su valor afecta directamente la experiencia de los usuarios. Existen varios métodos para mejorar el HOSR: - Correcta definición de celdas vecinas Combinaciones BCCH y BSIC: lo mejor es mantener la máxima distancia posible entre las mismas combinaciones BCCH y BSIC. Plan de Frecuencias: la interferencia entre canales degrada el HOSR. 5.8.4. Disponibilidad TCH y SDCCH La disponibilidad de los recursos es el primer requisito obligatorio para las comunicaciones. Si el sistema no ofrece suficiente capacidad física o lógica para manejar la demanda esto impacta en la percepción y satisfacción de los usuarios. 5.8.5. Calidad TRX Quality Los contadores de calidad de TRX dan una idea del porcentaje de muestras que tienen calidad de 0 a 7 en el uplink y downlink; la calidad 0 es la mejor. A más muestras 0 mejor es el rendimiento de la celda. Bajas muestras en 0 a 4 indican un problema de interfaz o de hardware en el TRX. 44 5.8.6. Caídas SDCCH Una tasa alta de caídas SDCCH explica valores altos de errores en la configuración de la llamada (Call Setup Failure – CSF), esto puede deberse a malos rendimientos del enlace de radio y un problema de hardware. Alto tráfico SDCCH no necesariamente significa alto tráfico TCH. El SDCCH se usa para otros servicios que no generan tráfico TCH. También existen KPIs para monitorizar el rendimiento SDCCH en los SMS y en la actualización de la ubicación. 5.9. Mejoras de Cobertura La cobertura está directamente relacionada con el rendimiento del enlace; un incremento en la cobertura demandará un incremento en la potencia de transmisión de una estación base. Si la capacidad del sistema es limitada en el downlink, entonces un incremento en la cobertura conducirá a un decremento en la capacidad; así, el incremento del rendimiento del enlace está directamente relacionado con el incremento de la cobertura. Hay muchas formas de mejorar la cobertura, los parámetros como el BLER, Eb/No, control de potencia, etc., afectan directamente la potencia y por ende la cobertura. Se puede mejorar la cobertura uplink disminuyendo el margen de interferencia o reduciendo la figura de ruido de la estación base, o incluso disminuyendo la ganancia de la antena. Sin embargo, la ganancia y el Eb/No son los dos principales valores que afectan la cobertura. Una reducción en el Eb/No incrementa la cobertura de la red, esto se debe a que a un bajo Eb/No se necesita menor potencia para el mismo rendimiento y así se puede cubrir un área más grande. El rendimiento de Eb/No depende de un número de factores como la tasa de bis, precisión del canal, algoritmos SIR, etc. La cobertura uplink viene a ser un problema a altas tasas de bits en las redes WCDMA, es así que una buena distribución del tráfico jugará un rol muy importante en la mejora de la cobertura. Otra forma para mejorar la tasa Eb/No es incrementar la "diversidad multicamino". Se puede combinar coherentemente dos señales que lleguen a dos antenas en lugar de una, mientras que el ruido en el receptor se puede combinar de manera no coherente. Esta técnica no solo provee mejor ganancia sino que también proporcione protección contra el desvanecimiento rápido (fast fading). Técnicas como modificar la inclinación de las antenas (tilts) se usan también en las redes de radio WCDMA para mejorar el área de cobertura. 5.9.1. Mejora de la Pérdida por Propagación (Path Loss) Las transmisiones uplink y downlink deben ser balanceadas, esto es muy importante para realizar cálculos de potencia. Las pérdidas por propagación están muy relacionadas con dos parámetros: potencia de transmisión y sensibilidad de los receptores. No se necesita incrementar la potencia de salida si la sensibilidad del receptor desde el otro lado es lo suficientemente alta para detectar esa potencia. Existen muchos mecanismos para mejorar la cobertura en el uplink y en downlink: - Aumentar la potencia de salida; Usar ganancias de antenas más altas y preferiblemente antenas direccionales. Reducción del desvanecimiento por multicamino usando diversidad en el receptor. Reducir la pérdida por cables. 5.9.2. Celda Extendida Son celdas que cubren un área mucho más grande que las celdas normales, esta opción es válida en áreas rurales con baja población y situaciones especiales de cobertura. La implementación de la celda 45 extendida se basa en un TRX que sirve a un área normal y otro TRX (E-TRX) que sirve al área extendida. Esta solución se puede implementar en la misma estación base y así ahorrar costes. 5.9.3. Cobertura de interior (indoor) Mejorar la cobertura interior es el reto más difícil en la planificación. Debido a diferentes factores de atenuación, la cobertura interior siempre sufre degradación de la señal, por tanto se han planificado soluciones específicas indoor. Generalmente se usa un sistema de antenas distribuidas para desplegar un área de cobertura amplia por medio de un único transmisor; el principio es alimentar un alto número de antenas a través de alimentadores de red, splitters y acopladores. 5.10. Mejoras de Capacidad La capacidad y cobertura son interdependientes en una red WCDMA; a mayor cobertura uplink menor capacidad uplink y viceversa; eso se debe a que a una capacidad más baja, menor número de subscriptores móviles, lo cual significa menor interferencia. Además, la potencia se usa para calcular el alcance de la celda. El factor de carga junto con los cálculos de presupuesto de enlace, pueden ser utilizados para estudiar la capacidad de la red, el factor de carga se usa para análisis de capacidad para el uplink y el downlink; también depende del Eb/No, el procesamiento de ganancia, interferencia y factor de actividad, etc. La ortogonalidad y los soft handovers son otros factores asociados al factor de carga en el downlink. La mejor forma de mejorar la capacidad es siempre incrementar el número de celdas y portadoras. El incremento de número de sectores también incrementa la capacidad de la red. Adicionalmente, los códigos ortogonales idealmente deben ser verdaderamente ortogonales, pero debido a la propagación multicamino se pierde algo de la ortogonalidad, aumentando de este modo la interferencia; la diversidad de multirayecto mejora la cobertura, pero también reduce la ortogonalidad. Tasas de bits pequeñas también pueden incrementar la capacidad, esto es posible usando códigos AMR (Adaptive Mean Rate) siendo este el código de voz que se usa en UMTS. 5.10.1. Técnicas de Asignación del Canal de Radio Para incrementar la capacidad del sistema, el primer paso es optimizar el uso de los recursos. 5.10.2. Reintento Directo Esta propiedad se usa para distribuir la carga de tráfico en el establecimiento de llamada. Es un tipo de conmutación del SDCCH al TCH, donde la comunicación se inicia en el SDCCH de la celda sobrecargada y la llamada se entrega al TCH de la celda adyacente que está menos cargada. 5.10.3. Compartición de Carga Esta solución es útil durante la llamada, de hecho, las llamadas que pertenecen a una celda sobrecargada e iniciadas por los móviles en el borde de la celda son repartidas a celdas vecinas menos cargadas. 5.10.4. Transmisión Discontinua El objetivo es dejar de emitir en períodos de silencio ya sea desde el móvil o la estación base. Permite que se reduzca la interferencia en otras comunicaciones, se lo puede realizar ya sea en el downlink o en uplink. 46 5.10.5. Saltos de Frecuencia Los Saltos de Frecuencia (Frequency Hopping) es una forma de usar un espectro de frecuencia dada más eficientemente. Hace que la interferencia se expanda en toda la red en lugar de localizarse en una frecuencia fija, esta solución es adecuada para áreas urbanas. 5.10.6. Control de Potencia de Uplink y Downlink El control de potencia en el uplink y en downlink es el mecanismo donde las potencias de la estación móvil y de la estación base se monitorizan. Dependiendo de la distancia entre las dos estaciones se les pide incrementar o disminuir su potencia. Esto también ayuda a reducir la interferencia en la red. 5.10.7. Extensión Física de la Red En lugar de añadir nuevos sitios es posible incrementar la capacidad de los sitios existentes y añadir otros transceptores. 47 Bibliografía [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] Andreas Eisenblatter, Hans-Florian Geerdes and Martin GrotschelPlanning UMTS Radio Networks, paper, December 2008. R. Kreher and T. Rudebusch, UMTS Signaling, 1st Ed., Willey, 2007 B. Walke, P.Seidenberg, M. P. Althoff, UMTS The Fundamentals, 1st Ed., Willey, 2003 Erik Dahlman, Stefan Parkvall, and Johan Sköld, 4G LTE/LTE-Advancedfor Mobile Broadband, 1st Ed., Elsevier, 2011. Ajay R. Mishra, Advanced Cellular Network Planning and Optimisation 2G/2.5G/3G… Evolution to 4G, 1st Ed., Willey, 2007. Lingyang Song and JiaShen, Evolved Cellular Network Planning and Optimization for UMTS and LTE. , 1st Ed., CRC Press, 2011 P. Lescuyer, UMTS Origins, Architecture and the Standard, 1st Ed., Springer, 2002. Jordi Pérez Romero, Radio Resource Management strategies in UMTS, 1st Ed., Willey, 2005. Ajay R. Mishra, Cellular technologies for emerging markets 2g, 3g, and beyond, 1st Ed., Willey, 2007. Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Skold, Per Beming, 3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband, 2nd Ed., Elsevier, 2008 Kolding, T.E., Pedersen, K.I., Wigard, J., Frederiksen, F. and Mogensen, P.E., High-speed downlink packet access: WCDMA evolution. 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Mishra, Fundamentals of Cellular Network Planning and Optimisation 2G/2.5G/3G… Evolution to 4G, 1st Ed., Willey, 2004. MaciejNawrocki, Hamid Aghvami and MischaDohler (eds.), 2006, “Understanding UMTS Radio Network Modelling, Planning and Automated Optimisation: Theory and Practice,” John Wiley & Sons, Ltd. S. R. Saunders, 1999, “Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems,” John Wiley & Sons, New York, N.Y P. Lescuyer, UMTS Origins, Architecture and the Standard, 1st Ed., Springer, 2002. Jordi Pérez Romero, Radio Resource Management strategies in UMTS, 1st Ed., Willey, 2005. http://www.telecomhall.com/es/que-es-ecio-y-ebno.aspx http://www.rfwireless-world.com/Tutorials/UMTS-logical-transport-physicalchannels.html http://www.cse.hcmut.edu.vn/~ltquan/Documents_Softwares/CDMA/WalfischIkegami.htm http://www.teleco.com.br/es/tutoriais/es_tutorialumts/pagina_2.asp ETSI, Digital cellular telecommunications system (Phase 2+) (GSM 05.05) 48 SECCIÓN III. HERRAMIENTAS Y RESULTADOS. 49 50 CAPÍTULO 6. HERRAMIENTAS DE SOFTWARE LIBRE PARA PLANIFICACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE REDES MÓVILES. El rápido crecimiento de las redes móviles en todo el planeta ha dado paso a que la planificación y optimización sea un tema de vital importancia; por cada país funcionan varios operadores quienes a su vez tienen cobertura en la mayoría, por no decir en todas las zonas pobladas, originando redes realmente grandes en extensión. Es habitual que las zonas donde se extienden estas redes incluyan muchos accidentes físicos y geográficos, que en la mayoría de veces complican la cobertura. Gracias al desarrollo de simuladores, ahora los ingenieros tienen la capacidad de predecir el comportamiento de la red previo a su instalación. Para realizar efectivamente las labores de planificación y optimización, las empresas proveedoras de equipos de telecomunicación y aquellas que brindan estos servicios a los operadores, han desarrollado un sin número de herramientas tanto en hardware como en software. La mayoría de software de planificación y optimización que hay en el mercado requiere licencia y por lo general es proporcionado por grandes empresas como Nokia-Siemens, Ericsson, Huawei, Alcatel-Lucent, Agilent, Willtek, etc. En este Trabajo de Fin de Máster, se ha investigado y consultado una amplia cantidad de herramientas de planificación y optimización para redes móviles que están disponibles en internet, ya sean gratuitas y/o aquellas que otorgan una licencia de prueba por un tiempo determinado. Basándonos en sus características funcionales, se han escogido y estudiado las herramientas que a nuestro criterio puedan ayudar al ingeniero a tener una simulación lo más cercana a la realidad. El objetivo de esta investigación es identificar y destacar las ventajas y desventajas de las herramientas de software libre o con licencia temporal, así como la facilidad de manejo y precisión en los resultados; de tal manera que los profesionales del sector puedan hacer uso de las mismas según el tipo de trabajo que deban realizar. Adicionalmente, se presenta los principios fundamentales de operación así como ejemplos de uso de las herramientas y sus resultados. 6.1. Herramientas no Escogidas En esta investigación se encontró un amplio abanico de opciones de herramientas de software libre para la planificación y optimización de redes móviles; en su gran mayoría, estas herramientas cumplen funciones específicas y han sido creadas y diseñadas de acuerdo a las necesidades de los desarrolladores. Todas las herramientas que se describen a continuación fueron las que destacaron por su funcionalidad, están disponibles en Internet y se encuentran fácilmente con cualquier motor de búsqueda. Sin embargo, Agileto y Radio Mobile sobresalieron por sus módulos de operación, presentación de resultados y la forma en que facilitan el trabajo y la toma de decisiones al Ingeniero de Planificación y Optimización de redes de comunicaciones móviles. 6.1.1. Xirio Online La herramienta parcialmente gratuita Xirio Online, desarrollada por la empresa española Áptica, permite realizar simulaciones profesionales y predicciones de cobertura radioeléctrica en entornos urbanos y rurales y en cualquier parte del mundo gracias a su amplia cartografía digital. La gran ventaja de Xirio Online es que las simulaciones se pueden hacer en línea y sin la necesidad de instalar 51 algún paquete de software adicional. Xirio Online está disponible en la página web http://www.xirioonline.com/, un usuario puede registrarse fácilmente y usar la herramienta de forma inmediata. Al ser una herramienta colgada en la red, lo único que se necesita es un navegador web, por tanto Xirio Online es independiente del sistema operativo que está utilizando el ingeniero. Tal como se señala en su página web, mediante Xirio Online se pueden realizar todo tipo de cálculos gratuitos a baja resolución, ideales para la obtención de resultados orientativos o para ajustar correctamente los parámetros de las estaciones antes de realizar una simulación de pago, es decir, se realizan pruebas y simulaciones a baja resolución de forma completamente gratuita, o cálculos profesionales a resolución óptima tras el pago de este servicio. Registrarse como nuevo usuario es totalmente gratis, se dispone de ejemplos y ayuda para familiarizarse rápidamente. Xirio Online tiene de dos módulos de trabajo independientes: PLANNINGTOOL, como herramienta de planificación radioeléctrica genérica y SHAREPLACE como aplicación de consulta e intercambio de resultados. Xirio Online es una herramienta muy completa para los Ingenieros de Planificación y Optimización, soporta la mayoría de tecnologías inalámbricas incluyendo las redes móviles: GSM, DCS, UMTS y LTE. Su forma de uso es muy sencilla e intuitiva. Sin embargo, una gran desventaja es que, en su versión gratuita sólo se permite un cálculo a baja resolución por día y por usuario, además que los cálculos a baja resolución son orientativos y no tienen tanta precisión; esto dificultaba la investigación de este Trabajo de Fin de Máster por lo que se descartó a Xirio Online como herramienta de planificación y optimización de software libre. 6.1.2. Implementación en Matlab de una herramienta de planificación de la red de radio estático para WCDMA (npsw) A esta herramienta también se le da el nombre npsw (no se especifica el significado de dichas siglas). Fue creada y desarrollada por Jaana Laiho, Achim Wacker y Tomás Novosad autores del libro “Radio Network Planning and Optimization for UMTS”, con el propósito de realizar simulaciones en matlab para su investigación sobre optimización y planificación de redes UMTS, es decir, npsw viene a ser un complemento práctico para los temas teóricos tratados en el libro. El paquete completo puede ser descargado de manera gratuita desde la página web de la editorial Wiley www.wiley.com/go/laiho. Acompañando a la herramienta se encuentra un manual que detalla la forma de instalación y operación de npsw. La herramienta npsw al ser programada en matlab puede importar mapas cartográficos de cualquier parte de mundo y añadirlos a la simulación. Con npsw se pueden hacer cálculos de pérdida del enlace inalámbrico, considerando potencia de la antena, tilt mecánico, amplificadores, etc. Además, simula los handovers intra-frequency e inter-frequency de los UE. Permite añadir y editar características técnicas (ubicación, potencia, pérdidas, etc.) de estaciones base y sectorizarlas, así como repartir aleatoriamente en el área de estudio miles de terminales móviles requiriendo cierta cantidad de tráfico. Entre los resultados más importantes que entrega están: la predicción de Eb/No y CPICH, de forma gráfica presenta en qué celdas hay mayor tráfico, niveles de señal recibida por estación base y por UE e indica cuál sería la mejor celda a la que cada equipo móvil se debe conectar en ese instante de la simulación. El Ingeniero de Planificación y Optimización que desee hacer uso de esta herramienta deberá tener un muy buen conocimiento de programación en matlab ya que el paquete completo contiene archivos con extensión .m, todos disponibles para ser alterados en caso de ser necesario (código abierto). Si bien npsw tiene una ventana principal donde se configuran los parámetros de antenas y UEs, la simulación con esta herramienta es un tanto difícil ya que la presentación de los resultados no es tan intuitiva y se debe acudir constantemente al manual ya sea para introducir los datos o interpretar resultados; es por este motivo que no se utilizó npsw para las simulaciones prácticas en este Trabajo 52 de Fin de Máster y además que, si bien es una herramienta muy útil para temas relacionados con la investigación, no es práctica para el Ingeniero de Optimización en el campo laboral. 6.1.3. Cellular Expert Esta herramienta pertenece a Cellular Expert Company con sede en Lithuania; es una empresa que ha desarrollado desde 1995 productos y servicios de software para telecomunicaciones; tiene una amplia experiencia brindando soluciones en más de 37 países del mundo. Cellular Expert no es una herramienta totalmente gratuita, un usuario puede descargarse el paquete del software desde la página web http://www.cellular-expert.com/ y solicitar una licencia de prueba que durante un máximo de 60 días proporciona acceso a la mayoría de los módulos y cálculos de Cellular Expert. Cellular Expert se ha desarrollado pensando en las necesidades de los Operadores de Redes Inalámbricas (GSM, DCS, PCS, NMT, LMDS); compañías que tienen sus propias redes de radio; compañías que diseñan enlaces de transmisión de radio o WLL (wireless local loop); y todos aquellos que necesitan tener análisis computarizados y herramientas de informes para el planeamiento de redes de radio. Cellular Expert está dedicado a las siguientes tareas: administración de redes de datos y equipos de radio, diseño de enlaces de radio, predicción de cobertura, planificación de frecuencias y análisis de cobertura, mejora del modelo de predicción, análisis de conexiones punto-a-punto y de visibilidad, coberturas y mejor celda servidora, planificación de frecuencias y análisis de interferencia y estadísticas. Si bien la licencia temporal permite trabajar normalmente con Cellular Expert, en la práctica un Ingeniero de Planificación y Optimización de Redes Móviles tendría un tiempo limitado del uso de esta herramienta. 6.2. Herramientas Escogidas De entre las herramientas consultadas se ha escogido a Radio Mobile y Agileto por su capacidad de procesamiento de datos de red, facilidad de uso, contribución a la toma de decisiones para la Planificación y Optimización de las Redes Móviles y porque son completamente gratuitas. Mientras que Radio Mobile viene a ser la herramienta de planificación para el despliegue de redes móviles, análisis de cobertura y enlaces de radio, Agileto se dedica a la optimización de redes móviles. Al ser las herramientas escogidas para el presente Trabajo de Fin de Máster, a continuación se detallan sus características y funcionamientos. 6.2.1. Radio Mobile El simulador de redes inalámbricas Radio Mobile es una herramienta de software libre desarrollada por el ingeniero canadiense Roger Coudé, permite la predicción del rendimiento de los sistemas de radio así como el análisis de cobertura utilizando los datos de elevación del terreno; en otras palabras genera el perfil del trayecto entre el emisor y receptor. Radio Mobile opera en el rango de frecuencias de 20 MHz a 20 GHz y está siempre sometido a procesos de desarrollo y mejora, siendo la versión 11.4.1 del 30 de Abril del 2013 la última al momento de escribir estas líneas. Radio Mobile está disponible en varios idiomas incluyendo el español. Una de las mayores ventajas de Radio Mobile es que permite el uso de mapas de elevación en escala de grises y a color; el usuario no necesita tenerlos previamente instalados sino que el software los descarga directamente de internet para cualquier parte del mundo. Existen varios orígenes de los 53 datos de elevación, el principal es el proyecto de la NASA Shuttle Terrain Radar Mapping Mision (SRTM) cuyos datos de altitud tienen una precisión de 3 segundos de arco (100m). Además permite la combinación con otros sistemas de observación geográfica como Google Maps así como el uso de cartografía propietaria. Cuando uno se familiariza con Radio Mobile se puede decir que es una herramienta muy sencilla de usar y a su vez poderosa. Al ser una herramienta de libre distribución, el soporte técnico no es inmediato, sin embargo el autor ha puesto a disposición un correo electrónico y un grupo en un foro de discusión en Yahoo. Figura 6-1: Página de inicio de Radio Mobile 6.2.1.1. Instalación de Radio Mobile La instalación de Radio Mobile es sencilla y está detalladamente explicada en su propia página web. Prácticamente consiste en crear una carpeta con el nombre “Radio Mobile” y descomprimir los paquetes descargados. Los pasos para su instalación son: 1. Descargar e instalar el paquete Visual Basic Runtime (Service pack 6) desde el sitio web de Microsoft. 2. Crear un directorio "C:\Radio_Mobile" 3. Descargar el paquete “rmwcore.zip” y descomprimirlo en el directorio C:\Radio_Mobile. Se lo requiere para todos los lenguajes. 54 4. Descargar el paquete del idioma que deseemos, descomprimirlo en el directorio C:\Radio_Mobile 5. Crear una estructura de directorios, por ejemplo: "C:\Geodata\srmt" "C:\Geodata\Landcover" "C:\Geodata\OpenStreetMap" "C:\Geodata\Terraserver" "C:\Geodata\Toporama" "C:\Geodata\Virtual Earth" "C:\Geodata\Google Map" "C:\Geodata\Yahoo Map" "C:\Geodata\MapQuest" 6. Editar el archivo “Map_Link.txt” que se encuentra dentro del directorio C:\Radio_Mobile para habilitar la descarga de mapas desde Internet. Se deben eliminar los apóstrofes de las primeras líneas: ‘virtualearth.net ‘map.access.mapquest.com ‘google.com ‘us.maps3.yimg.com/aerial.maps.yimg.com 7. Descargar el paquete File_wmap.zip y descomprimirlo en el directorio C:\Radio_Mobile 8. Doble clic en el archivo ejecutable “rmwspa.exe” 9. Finalmente dentro del menú Opciones > Internet se deben establecer los directorios en los que se almacenarán los datos de elevaciones SRTM. Figura 6-2: Opciones de Internet de Radio Mobile 6.2.1.2. Obtención de Datos de Elevación y Creación de Mapas Antes de realizar alguna actividad con Radio Mobile es necesario obtener los datos de elevación para cada área que se vaya a analizar. Radio Mobile acepta los datos de elevación de varios formatos, el más importante de ellos es el SRTM. Afortunadamente, la mayoría de estos datos están disponibles libres de cargo y son fácilmente instalables, ya que si el usuario no los posee o no están almacenados en la memoria del computador, el software los descarga directamente de servidores en el mismo instante. 55 Radio Mobile nos muestra un mapa del mundo si presionamos las teclas CTRL + W, o si hacemos clic dentro de menú Ver > Mapa del Mundo. Ahora podemos seleccionar manualmente el lugar del planeta en el cual vamos a realizar nuestro análisis. Con un doble clic en un punto del mapa a través del menú Archivo > Propiedades del mapa se mostrará la siguiente ventana: Figura 6-3: Propiedades de Mapa de Radio Mobile Como se puede ver en la Figura 6-3, la opción Propiedades de Mapa nos permite ubicar el área de análisis mediante diferentes métodos, por ejemplo: a través de la posición del cursor en el Mapa del Mundo, a través de la latitud y longitud e incluso escogiendo el nombre de la ciudad. Se puede configurar también el tamaño de la imagen en ancho y alto. En el ejemplo de la Figura 6-4 se han calibrado los datos para la ciudad de Valencia – España. Si aplicamos la opción Extraer, Radio Mobile adquiere los datos de elevación desde internet y luego se mostrará el área de elevaciones para la ciudad de Valencia. La primera vez que se realice este procedimiento, el software tardará unos minutos hasta adquirir la información de elevación. Figura 6-4: Área de elevaciones para la ciudad de Valencia 56 En la parte inferior izquierda de la ventana Propiedades del Mapa tenemos la opción Combinar imágenes que nos permite superponer una capa de mapa proveniente de otro servidor. En nuestro caso vamos a escoger como Fuente a los conocidos mapas de Google, para ello activamos la opción Combinar imágenes > Extraer, aparecerá la ventana “Combinar imágenes”, seleccionar Internet GoogleMap> Fotos aéreas y la operación Agregar. Figura 6-5: Combinar imágenes Figura 6-6: Combinación de Datos de Elevación y Fotos de Google Maps Ahora se puede identificar la ciudad de Valencia y los datos de elevación. Radio Mobile tiene indicadores de colores que explican la altitud. También se puede apreciar en la parte inferior los datos de latitud y longitud según la ubicación del puntero del mouse. Se han establecido los datos de latitud, longitud y altura de manera que se pueda apreciar en el mapa la mayor parte de la ciudad de Valencia; 57 si se requiere un área más específica o pequeña basta con modificar el valor de la altura en la ventana Propiedades del mapa. 6.2.1.3. Posicionamiento de los elementos de Red Para entender el funcionamiento de Radio Mobile vamos a simular una pequeña red 3G con tres equipos terminales y una estación base. Por lo general, a las estaciones base se las ubica en los lugares de mayor altura con el fin de tener una mejor cobertura. Para facilitar esta búsqueda, Radio Mobile señala e identifica el sitio más alto en la totalidad del mapa o en un área más pequeña si así lo dispusiéramos. Supongamos que queremos ubicar a nuestra primera estación base en las cercanías del sector de Valencia llamado Ciudad de Las Artes y las Ciencias; con el botón derecho del mouse y sin soltarlo seleccionamos dicha área, luego en el menú Ver seleccionamos Encontrar la mayor altitud. Tenemos el siguiente resultado: Figura 6-7: Punto de mayor altitud La función Encontrar la mayor altitud es aplicable en sectores cuyos accidentes geográficos sean más altos que las edificaciones. Para el caso de la ciudad de Valencia y este ejemplo vamos a suponer que ubicamos la estación base en un edificio con cierta altitud y aprovechamos el punto señalado por Radio Mobile. Para el posicionamiento de nuestra primera estación base vamos al menú Archivo > Propiedades de la unidad. Le damos un nombre a nuestro primer elemento de la red, en este caso “Estación Base 1”; supongamos que con la altura del edificio más una torre que se pueda instalar alcancemos los 60 metros de altitud; damos clic en “Colocar la unidad en la posición del cursor” para que nuestra estación base se ubique en el sitio antes identificado. 58 Existen otras formas de ubicar a los elementos de nuestra red, por ejemplo introduciendo los datos de latitud y longitud. En la misma ventana “Propiedades de la unidad” se pueden agregar los otros elementos de la red que queremos simular. Para nuestro caso, agregamos tres teléfonos móviles llamados “Móvil 1”, “Móvil 2” y “Móvil 3” en cualquier parte de la ciudad, cercanos a la estación base. Figura 6-8: Propiedades de los elementos de Red Una propiedad que ayuda al diseño de la red y que permite distinguir los elementos visualmente, es el poder cambiar el ícono que representa a cada uno de los integrantes de la red. Así, si damos clic en botón con el signo “+” que está al lado izquierdo del ícono Ejemplo podremos escoger varias opciones de representación. Figura 6-9: Ubicación de los elementos de Red 59 6.2.1.4. Propiedades de las Redes Una vez que se han ubicado los elementos de la red que queremos simular, se deben configurar los parámetros para cada uno de ellos. Dentro del menú Archivo > Propiedades de redes tenemos acceso a la ventana mostrada en la Figura 6-10. Se puede asignar cualquier nombre a la red de acuerdo a nuestro criterio. La primera opción son los Parámetros que permiten configurar la frecuencia máxima y mínima (Radio Mobile utiliza la frecuencia media) para simular la propagación. Además, se puede escoger el tipo de Polarización dependiendo de los equipos reales que se vayan a utilizar. En nuestro ejemplo, al ser una red móvil 3G consideramos que la frecuencia es 2100 MHz, asumimos que la polarización es Vertical y el clima de Valencia continental templado. La Refractividad de la superficie terrestre está en función del nivel del mar y de la altitud del terreno, el valor 301 es considerado como adecuado para la mayoría de los casos. La Conductividad del suelo está expresada en Siemens por metro (S/m), el valor 0.005 es un parámetro global recomendado. La Permitividad relativa del suelo depende del tipo de terreno y de la frecuencia de trabajo, para el caso terrestre su valor es 15. El Modo estadístico presenta cuatro alternativas, Intento para transmisiones unicast entre estaciones fijas, Accidental usado para evaluación de interferencias, Móvil propagación en entorno móvil y Difusión para transmisiones broadcast entre estaciones fijas. La opción Parámetros la configuramos tal como en la Figura 6-10. Figura 6-10: Propiedades de las redes - Parámetros Dentro de Topología tenemos cuatro opciones. El casillero “Visible” si está activo permite que la red se visualice en el mapa de trabajo. Red de voz se usa para comunicaciones que se realicen entre una estación de referencia y varias estaciones subordinadas. Red de datos, Topología estrella se usa cuando una estación maestra controla a varias estaciones esclavas sin que existan radioenlaces directos entre estas últimas. Red de datos, clúster se usa en redes de datos que pueden transmitir datagramas. 60 Figura 6-11: Propiedades de las Redes - Topología En el botón Miembros hay que indicar el Rol de cada uno de los elementos de la red. A la estación base la configuramos como Control perteneciente al Sistema 1 y a los tres móviles como Subordinados pertenecientes al Sistema 2. Figura 6-12: Propiedades de las redes - Miembros 61 Lo primero que se requiere es un nombre para los sistemas, en el punto anterior asignamos el Sistema 1 a la estación base (si se cambia este nombre se actualiza automáticamente), vamos a darle valores de acuerdo a su función y con los datasheet de los equipos. Para completar las opciones de Sistemas se debe disponer de los datos técnicos de las antenas que se planea instalar. Se ha escogido el Tipo de antena “corner.ant” que es la más directiva de las opciones predeterminadas. Basándonos en especificaciones técnicas de un equipo estándar podemos configurar la Potencia del Transmisor en 10 W, el Umbral del receptor en -104 dBm que es un valor adecuado para el caso de redes móviles, Pérdida de línea por radiación debido a la presencia de conductor cercano, por calentamiento dieléctrico entre dos líneas con una diferencia de potencial o por acoplamiento con un valor de 2,5 dB y asumamos que la Ganancia de antena es 2 dBi. Figura 6-13: Propiedades de las redes – Sistemas (Estación Base 1) Para los teléfonos móviles escogemos una antena tipo dipolo que es la más utilizada en estos equipos, así como una potencia del transmisor de 1 W. En el Umbral del receptor fijamos el valor -102dBm. La configuración para los tres teléfonos móviles es la misma en esta simulación. El ingeniero de planificación y optimización podrá alterar los valores tanto de la estación transmisora como de la receptora de acuerdo a las características y especificaciones técnicas de los equipos que se vayan a utilizar en la red real. 62 Figura 6-14: Propiedades de las redes – Sistemas (Móviles) Ahora bien, al haber escogido el tipo de antena “corner.ant” en la estación base, podemos volver a la opción Miembros. La diferencia es que se han activado las opciones de Dirección de antena. Supongamos que la antena directiva apunta hacia el Móvil 3, representando a su vez un sector de una celda de la red 3G. Figura 6-15: Propiedades de las redes – Dirección de la antena 63 Radio Mobile permite almacenar en memoria hasta 25 redes, 25 sistemas y 50 unidades. En el software Radio Mobile se puede apuntar la antena hacia uno de los elementos de la red, en nuestro caso apuntamos la antena de la Estación Base 1 al Móvil 3: Figura 6-16: Patrón de Antena. Estación Base 1 a Móvil 3 Figura 6-17: Patrón de Antena de los móviles 64 Cabe recalcar que Radio Mobile incluye diversos tipos de antenas básicas para empezar a trabajar (dipolo, onmi, cardio, corner, elipse, yagi); sin embargo, puede suceder que se necesiten patrones personalizados y específicos de antenas. Radio Mobile permite incluir nuevos diagramas con la ayuda de hojas de cálculo como Microsoft Excel y posteriormente importarlos. Finalmente, en la opción Estilo definimos los colores para la representación de los resultados en el mapa Figura 6-18: Propiedades de las redes – Estilo Una vez que se han completado todos los apartados anteriores, hay que pulsar en el botón OK de la esquina superior derecha para aplicar los cambios y salir de la ventana. En ocasiones Radio Mobile deja de mostrar los elementos de la red, para visualizarlos nuevamente ir al menú Ver > Mostrar Redes >Todo. El resultado que obtenemos es el representado en la Figura 6-19. Rápidamente se puede apreciar que el enlace entre la Estación Base 1 y el Móvil 3 tiene un color verde que indica que el enlace entre estos dos elementos es factible bajo las condiciones y parámetros configurados. No así con los terminales Móvil 1 y Móvil 2, cuyo enlace tiene un color rojo. El motivo principal de este resultado se debe a la dirección de la antena Estación Base 1 que apunta al Móvil 3 y al ser una antena directiva, la posibilidad de comunicación con los otros móviles es muy escasa. Este sería un primer análisis y a la vez muy rápido de la factibilidad de comunicación entre los distintos elementos de la red. Adicionalmente Radio Mobile permite hacer otros estudios que se van a describir a continuación. 65 Figura 6-19: Enlaces de la Red Valencia 3G 6.2.1.5. Enlaces y Cobertura Los parámetros de cobertura pueden ser configurados en el menú Herramientas > Cobertura de Radio > Polar Simple. En esta ventana se selecciona a la Unidad central en torno a la cual se calculan los radioenlaces en un determinado rango de distancias, así como la Unidad móvil que será la receptora y la red en la que estamos trabajando. En nuestra única red, Valencia 3G, tenemos una Estación Base que debe ser configurada como la Unidad central, la Unidad móvil puede ser cualquiera de los 3 terminales que se han agregado en la red y sobre el cual se va a verificar la calidad de recepción. La Dirección del enlace permite seleccionar entre tres opciones, la primera “Centro Tx – Móvil Rx” calcula tomando a la Estación Base 1 como transmisora y al móvil como receptor; el caso contrario resulta con la opción “Centro Rx – Móvil Tx”. Para nuestro análisis vamos a tomar la opción “Peor de los casos” ya que las comunicaciones son bidireccionales. El Rango del azimut determina cuántos grados de cobertura queremos que se representen en el mapa y el Patrón de Antena que fue configurado anteriormente se puede alterar en esta ventana, en nuestro caso dejamos los valores por defecto (ver Figura 6-20). Al dar clic en “Dibujar”, Radio Mobile nos presenta una ventana para que los resultados de los cálculos se muestren en la misma imagen o se generen en una nueva, se puede escoger cualquiera de las dos opciones; seguidamente tenemos el resultado de la Figura 6-21. Los resultados son los esperados, ya que la antena de la Estación Base 1 apunta al Móvil 3 y éste está en un área de cobertura representada con el color verde. No así los terminales Móvil 1 y Móvil 2 que se ubican en la zona roja indicando que no hay servicio. 66 Figura 6-20: Cobertura de Radio Mobile Figura 6-21: Cobertura de la red Valencia 3G 67 Para un mejor estudio del comportamiento de las redes móviles, podemos usar las otras opciones de representación de cobertura que nos ofrece el software Radio Mobile. Usemos por ejemplo la opción Arcoíris dentro de la ventana Cobertura de Radio polar. Al activar Arcoíris podemos manipular los datos de Umbral de nuestra señal tal como se muestra en la Figura 6-22 y cuyo resultado aparece en la Figura 6-23. Figura 6-22: Datos de cobertura en Arcoíris Figura 6-23: Resultados de Cobertura en Arcoíris 68 Mediante un mapa de colores, Radio Mobile nos indica la potencia que se recibiría en cada ubicación. Radio Mobile tiene distintos métodos y conceptos de cobertura, el que hemos estudiado es el método Polar Simple. Existen además otras opciones como el Cartesiano combinado que representa la cobertura dada por una o varias estaciones fijas a una unidad móvil. Interferencia se usa al analizar algún punto de la estructura de red donde se sospecha que puedan producirse dificultades debido a problemas de interferencia y Fresnel permite realizar estudios de visión directa. Una de las características más potentes de Radio Mobile está dentro del menú Herramientas > Enlace de Radio, que proporciona información mucho más detallada tanto del transmisor como del receptor, ver (Figura 6-24). Ente los datos más importantes está el nivel de recepción que tendrá el Móvil 3, para el caso de esta simulación el Nivel Rx = -88,3 dBm es un nivel de señal más que suficiente para poder mantener un enlace de comunicación en una red móvil de tercera generación. Las opciones marcadas con un “+” junto al valor de Altura de antena permiten ver el diagrama de radiación de la antena y el ángulo acimutal empleado. En la misma ventana se puede analizar el comportamiento de cualquier otro elemento de la red, simplemente desplegando el menú correspondiente. Hagamos el mismo estudio entre la Estación Base 1 y el Móvil 1, (ver Figura 6-25). En este caso el nivel de recepción del Móvil 1 es -122,5 dBm un nivel de potencia muy bajo para poder establecer una comunicación y que era de esperar ya que se había anticipado un mal resultado al establecer las propiedades de las redes. Figura 6-24: Enlace de Radio Estación Base 1 – Móvil 3 69 Figura 6-25: Enlace de Radio Estación Base 1 – Móvil 1 En el menú Ver >Detalles de la ventana Enlace de Radio podemos observar un resumen de las condiciones y mediciones que obtenemos: Figura 6-26: Detalles del Enlace de Radio Otra opción interesante que nos presenta Radio Mobile dentro del menú Ver > Observar > 80º es visualizar al receptor desde el transmisor simulando una superficie en 3D. Figura 6-27: Observación de receptor desde la Estación Base 70 6.2.1.6. Guardar el Proyecto Los proyectos en Radio Mobile constan de tres partes: los datos de las unidades de las redes, el mapa de elevaciones y las imágenes que generamos; cada uno de ellos deben ser almacenados en la memoria de nuestro computador. En nuestro caso los hemos guardado con los nombres Valencia_3G, el programa se encarga de asignarles la extensión. Al guardar el proyecto, Radio Mobile genera automáticamente otros cuatro archivos con extensiones .dat, .inf, .kml y geo, estos archivos se almacenan directamente en la carpeta del proyecto. Figura 6-28: Menú Archivo de Radio Mobile 6.2.1.7. Montar en Google Earth La exportación de nuestros resultados en Radio Mobile a Google Earth es muy sencilla. Como se mencionó anteriormente, el software genera el archivo con extensión .kml. Basta con ubicarlo dentro de la carpeta donde fue almacenado y doble clic para ejecutarlo. Claro está, el usuario debe haber instalado la aplicación Google Earth en su computador; una vez aquí el usuario podrá disponer de todas las opciones de Google Earth y analizar los resultados. 71 Figura 6-29: Representación de resultados en Google Earth 6.2.2. Agileto Agileto es una eficiente herramienta de software libre que permite a los ingenieros planificar y optimizar las redes móviles 2G y 3G. La última versión disponible es GOLD EDITION la cual es una edición especial que incluye todos los beneficios y módulos desarrollados por Agileto. Es totalmente gratis, esto incluye la descarga, instalación y el uso del software; el registro como usuario no es obligatorio, sin embargo, los usuarios registrados pueden acceder a soporte técnico. Además de desarrollar el software, Agileto también presta servicios de optimización para redes móviles 3G; es una empresa con más de 20 años de experiencia en el campo de las telecomunicaciones y atiende proyectos de optimización de pequeña y gran escala. Ha sido desarrollado para ser independiente de los proveedores de equipos de telecomunicaciones móviles (Ericsson/Huawei/Nokia-Siemens/Alcatel-Lucent/ZTE/etc.) con el objetivo de que pueda ser utilizado tanto por el vendedor como por el operador. Agileto usa información y archivos de trazas de las redes móviles para realizar la planificación y optimización. Todas las características proporcionadas por Agileto ayudan a mejorar los KPIs tales como la accesibilidad de los recursos de radio, tasa de caída de llamadas, administración de movilidad, etc. Mientras Radio Mobile analiza la cobertura y predicción de potencia de señal así como enlaces entre estaciones base, Agileto permite el estudio del comportamiento de una red de comunicaciones móviles montada y en funcionamiento. 72 Figura 6-30: Página web de Agileto 6.2.2.1. Instalación Los requerimientos para la instalación de Agileto no son exigentes, los autores del software lo recomiendan en ordenadores cuyo procesador sea mínimo Intel Dual Core con 1GB en RAM, además Agileto funciona en sistemas operativos Windows, desde el XP hasta Windows 7 tanto de 32 o 64 bits. Agileto hace uso de Microsoft Excel (2000 o superior), MapInfo (versión 8 o superior) y Google Earth (versión 5 o superior) por lo que estos paquetes deben estar instalados en el ordenador antes de empezar a usar la Herramienta. Lo primero es descargar el instalador desde la página web de Agileto, hay una sección llamada “Download” donde están los paquetes que se necesitan. En este caso la última versión como se mencionó antes es la GOLD EDITION. 73 Una vez que se ha descargado el archivo“Agileto_Setup.exe” lo ejecutamos y el asistente nos guiará paso a paso durante la instalación. Seguimos las instrucciones normalmente hasta que aparezca una ventana de advertencia, ver Figura 6-31. Figura 6-31: Archivo de registro de Agileto Este tipo de mensaje se obtiene cuando una librería (en este caso msxml6.dll) que usa Agileto, no ha sido registrada correctamente en el ordenador del usuario. Para solucionarlo se debe descargar el archivo “msxml6.dll” (la página web de Agileto ofrece un enlace directo) y copiarlo en C:\Windows\System32\msxml6.dll, luego abrir la ventana de comandos cmd y escribir regsvr32"C:\Windows\System32\msxml6.dll"; se recibirá un mensaje de confirmación. Por el momento damos clic en “Aceptar” para continuar y seguimos los pasos que indica el asistente. Posteriormente se debe llenar un formulario de registro que Agileto presenta cuando es ejecutado por primera vez, esto se debe a que el usuario no tiene una licencia válida, al completar este formulario el usuario podrá conseguir una licencia gratuita y la herramienta de optimización Agileto puede ser ejecutada. Figura 6-32: Ventana principal de Agileto La ventana principal de la herramienta es muy sencilla, tiene seis opciones: Start para iniciar los módulos de Agileto, Exit para cerrar la aplicación, Facebook que abre su página web en esta red social en donde se puede leer noticias, novedades y comentarios sobre la herramienta, Help que abre la documentación de ayuda, Agileto que es un enlace directo a la página web del software y About en la cual podemos revisar manualmente el estado de la licencia y actualizaciones. 74 Figura 6-33: Información de Licencia Agileto Vale mencionar que si hay problemas con la instalación es posible contactar con el soporte técnico de Agileto o visitar el sitio web de preguntas frecuentes (FAQ). Al instalar la herramienta se presentó un inconveniente, el soporte técnico de Agileto tuvo una pronta y eficiente respuesta, bastó con la descripción del fallo para que su personal técnico emitiera una nueva versión que corrigió el problema. 6.2.2.2. Actualización Si el ordenador está conectado a internet y una nueva versión de Agileto está disponible, la actualización se realiza automáticamente al abrir la herramienta mientras un mensaje informa acerca del proceso. Cuando la actualización se haya completado Agileto será reiniciado automáticamente y estará listo para ser usado; la licencia y otros datos personales son válidos con la nueva versión. Siempre se puede revisar y actualizar la versión manualmente en la ventana principal de Agileto. 6.2.2.3. Base de Datos de Agileto Antes de empezar a trabajar con Agileto los paquetes Microsoft Excel, MapInfo y Google Earth deben estar instalados en el ordenador. Agileto identifica con el nombre “Módulos” a cada una de las opciones que están dentro de las pestañas de funciones (luego de dar clic en Start en la ventana principal), por ejemplo, la opción “1.1) Generate and update Agileto reference database (3G + 2G) -> (V1.60)”que está dentro de la primera pestaña “1) Database and GIS” se la identifica con la abreviatura “M1.1”. 75 Figura 6-34: Módulos de Agileto Para la planificación y optimización de las redes se debe disponer (como entradas para los diferentes módulos de Agileto) de los siguientes archivos: - Archivo de configuración de la red 3G del Centro de Operación y Mantenimiento (Operation and Management Center – OMC) en uno de los siguientes formatos *.xml, *.xcm o *.txt. Habitualmente el Ingeniero del OMC tiene acceso a este archivo y lo puede exportar. Todos los proveedores de equipos 3G en el mercado son capaces de exportar los datos de configuración de las redes 2G/3G a archivos tipo *.xml, *.xcm o *.txt. Agileto identifica a este archivo con el nombre “File #1”. - Archivo Externo Excel exportado desde cualquier herramienta de planificación o base de datos del operador móvil. El tipo de información que se necesita en dicho Archivo Externo Excel se muestra en la Figura 6-35. Esta información contiene principalmente la posición (en coordenadas geográficas) y orientaciones (azimuts) relacionadas con las celdas 2G y 3G y es necesario con el fin de ubicar las redes ya sea en MapInfo o Google Earth. Los campos obligatorios y recomendados se presentan en la Figura 6-35. Datos Obligatorios Datos Recomendados Para redes 3G LocalCell_ID Long_WGS84 Lat_WGS84 Azimuth Sector ID Cell_Name Para redes 2G Cell_ID Long_WGS84 Lat_WGS84 Azimuth Sector ID Cell_Name Figura 6-35: Campos del Archivo Externo Excel Con la información, ya sea del Archivo de configuración de la red 3G o del Archivo Externo Excel, se ha de construir el Archivo de Base de Datos de Referencia de Agileto, identificado con el nombre “MobileNW_Config.xls”. El kit de instalación de Agileto incluye el archivo “MobileNW_Config_Template.xls” que es una plantilla con la estructura que necesita la herramienta y puede ser usado y modificado directamente. Es muy importante que el formato 76 del archivo se respete así como los campos y la estructura establecida. Se puede incluir información adicional disponible que ayude a los diferentes módulos de Agileto. Por tanto, a partir del archivo “MobileNW_Config_Template.xls” se puede generar el “MobileNW_Config.xls”. Cada una de las cabeceras de las columnas describe los campos y los datos que son obligatorios o no, así como la información útil recomendada. El “MobileNW_Config.xls” contiene dos hojas, una para redes 2G y otra para redes 3G. Su formato se muestra en la Figura 6-36 y Figura 6-37 Figura 6-36: Formato del archivo MobileNW_Config_Template.xls para 3G– Primera Parte Figura 6-37: Formato del archivo MobileNW_Config_Template.xls para 3G– Segunda Parte Algunos módulos de Agileto podrían requerir información y/o archivos adicionales como: - Trazas de llamada (Call Traces) en formato *.tab o *.xml. El propósito de esos archivos es usarlos en la optimización de la red en el módulo M4.2. El Ingeniero del Centro de Operación y Mantenimiento (OMC) recopilará la información de los Call Traces durante un tiempo determinado y de acuerdo a las necesidades de la red, este tiempo va desde unas pocas horas hasta una semana, con el fin de obtener información de la mayoría de los eventos, considerando que el tráfico puede cambiar considerablemente de un día a otro. Para identificar este archivo Agileto lo nombra como “File #3”. - El archivo que recopila los datos del Drive Test en formato *.csv cuyo objetivo es ser utilizado para la optimización de la red en el módulo M4.1. Este archivo contiene la información asociada entre la posición geográfica del equipo usado en el drive test y las diferentes potencias de señal o medidas de calidad de las redes 2G y/o 3G. Agileto identifica este archivo como “File #4”. - El Archivo de KPIs en formato *.xls cuyo objetivo es la ubicación de las celdas 2G y 3G en MapInfo o Google Earth basándose en los indicadores de rendimiento de las celdas (KPIs). Se lo puede representar en MapInfo y Google Earth mediante diferentes colores de acuerdo 77 con los valores KPIs. Estos archivos son habitualmente proporcionados por el Ingeniero de Monitorización y Rendimiento con métricas tomadas en un período de tiempo específico. Agileto identifica este archivo como “File #5”. Como vemos, Agileto realiza el análisis de red con diferentes parámetros y medidas como los datos obtenidos en los drive test, indicadores de rendimiento que pueden obtenerse desde el centro de gestión del operador y base de datos de la planificación. Por tanto, es importante tener acceso a dicha información; dependerá del tipo de análisis que el Ingeniero en Planificación y Optimización desee realizar para explotar los beneficios de Agileto, en cada uno de sus módulos 6.2.2.4. Simulación de una red El primer paso para simular una red es crear un nuevo proyecto y asignarle un nombre, para esto damos un clic a Start en la ventana de inicio de Agileto y luego en el botón de la esquina inferior izquierda “Projects Management”, se mostrará una ventana para escribir el nombre del proyecto, ver Figura 6-38. En nuestro caso lo vamos a llamar “VALENCIA” y automáticamente, en el directorio donde fue instalado Agileto, se crea una carpeta con ese mismo nombre. Esta nueva carpeta es muy importante ya que ahí se almacenarán (en subcarpetas) los datos y resultados de nuestro análisis; además dentro de la subcarpeta \VALENCIA\MobileNW_Config se crea el archivo MobileNW_Config_Template que es la plantilla cuyo formato debemos seguir y usar para el análisis de la red. Si se quiere abrir un proyecto de Agileto el procedimiento es similar y basta con seleccionarlo en la lista de la ventana de la Figura 6-38. Figura 6-38: Nombre a un Nuevo Proyecto Para esta simulación hemos creado el archivo MobileNW_Config.xls a partir de la plantilla que genera Agileto; los datos proporcionados representan a una red 2G y 3G con estaciones base y NodosB ubicados en la ciudad de Valencia. Este archivo es el que seleccionaremos como External Excel file. Figura 6-39: Archivo Excel Externo – Parte 1 78 Figura 6-40: Archivo Excel Externo – Parte 2 Los datos de las columnas cuya primera fila está en color verde son obligatorios (Local_CID, Long_WGS84, Lat_WGS84 y Azimuth) y sirven para identificar y posicionar a las estaciones base de acuerdo a su latitud y longitud; las columnas con colores diferentes son para datos recomendados y/o opcionales. La explicación del contenido para cada una de las columnas se muestra ubicando el puntero del mouse sobre cada una de ellas. Figura 6-41: Explicación del contenido de los campos Ahora bien, en Agileto hay que generar una base de datos de referencia relacionada al proyecto, es decir usar el archivo genérico MobileNW_Config.xls en el módulo respectivo. Para esto vamos a la primera pestaña de Agileto“DB & GIS” y escogemos “1.1) Generate & update Agileto reference database (3G & 2G) -> (V1.50)”, se mostrará la ventana de la Figura 6-42, en la cual tenemos dos opciones: - By using external Excel file en cuyo caso se puede generar directamente una base de datos de referencia de Agileto seleccionando un archivo con extensión *.xls. Para nuestro ejemplo (red VALENCIA) vamos a utilizar esta opción con nuestra propia base de datos, es decir el archivo MobileNW_Config.xls que se creó anteriormente. - By using OMC 3G snapshot file es el archivo que contiene los detalles de la configuración de la red en diferentes formatos *.xml, *.xcm o *.txt y que se debe obtener con la colaboración del Ingeniero de Operación y Mantenimiento de la red. Fue identificado anteriormente como “File 1”. 79 Figura 6-42: Generar base de datos de referencia Ya que contamos con el archivo MobileNW_Config.xls y lo hemos seleccionado, (ver Figura 6-42), el siguiente paso (clic en OK) será generar y actualizar la base de datos en Agileto. Debe escogerse la opción Generate a NEW Agileto database containing ONLY the Cells included into External Excel database file (*.xls) (ver Figura 6-43) para generar la base de datos por primera vez. Si se ha reabierto un proyecto almacenado, podemos usar las dos siguientes opciones de la ventana que son para actualizar datos. Clic en OK para continuar. Figura 6-43: Actualización y generación de base de datos en Agileto. Se mostrará una ventana con el contenido del archivo MobileNW_Config.xls, ver Figura 6-44. Si los datos se han llenado siguiendo la plantilla proporcionada por Agileto, la identificación de cada uno de los campos es inmediata, automática y sencilla. No obstante, de no haber seguido la plantilla y de tener la información en desorden (haciendo referencia al formato de Agileto) se pueden asignar manualmente los campos en la columna del lado izquierdo de la ventana. Eso sí, en este punto los datos deben corresponder correctamente a su función, en caso contrario se tendrán errores en los resultados. Tal como sucede en la plantilla de formato *.xls que genera Agileto, los campos de la columna de la izquierda resaltados con color verde son obligatorios (Local_CID, Long_WGS84, Lat_WGS84 y Azimuth), el resto de campos son opcionales pero es altamente recomendado que se proporcione la mayor información posible. 80 Figura 6-44: Asignación de campos de la Base de Datos Al dar clic en OK para continuar, Agileto asocia todos los campos con los datos del Archivo Externo Excel y así se genera o actualiza la base de datos. Figura 6-45: Asociación de campos de red en la base de datos de Agileto Figura 6-46: Proceso de ejecución del Módulo 81 Figura 6-47: Confirmación de la generación o actualización de la base de datos Una vez que se ha completado la generación o actualización de la base de datos de Agileto, la herramienta volverá a su ventana principal. Debemos dar clic en Start para visualizar la ventana de Módulos nuevamente. Ahora seleccionemos el módulo 1.2) Generate MapInfo + Google Earth (3G + 2G) cells/sites Objects -> (V3.00) para generar las celdas en sus respectivos sitios, es decir, a partir de nuestra base de datos Agileto va a generar los archivos que contienen objetos (estaciones base) que serán representados en MapInfo o Google Earth. Figura 6-48: Módulo para generar los sitios de las celdas 82 Figura 6-49: Seleccionar la base de datos Luego de aceptar las opciones que Agileto muestra, se presenta una ventana en la cual se puede personalizar la representación de los sitios 2G y 3G en MapInfo y Google Earth. Para efectos de esta simulación vamos a utilizar Google Earth. Se recomienda generar las salidas como SPATIAL (3D) para beneficiarse al máximo de la visualización disponible en Google Earth. Las dos opciones principales son el Radio en kilómetros que se quiere representar gráficamente y la Anchura del haz de la antena (Beamwidth) en grados. Figura 6-50: Generación de objetos Google Earth 83 Figura 6-51: Proceso de Generación de objetos Google Earth Figura 6-52: Confirmación de Generación de objetos Google Earth Cuando la generación de los archivos con los objetos de las redes 2G y 3G se completa, se mostrará una ventana de confirmación, Figura 6-52, anunciando la creación de nuevos archivos y las rutas donde se han almacenado. Pasemos ahora al módulo 1.3) Network boundary -> ‘Border Cells’ detection -> (V2.72) para representar los límites de la red. Figura 6-53: Módulo para límites de red 84 Figura 6-54: Evaluación de celdas de límite de red Para usar este módulo como entradas se debe proporcionar lo siguiente: 1. El porcentaje de ampliación de la anchura del haz de las celdas 3G a ser considerado para los cálculos. 2. La máxima distancia de cobertura en kilómetros después de la cual una celda será considerada como “Celda de Borde” (celdas que se ubican en el borde de la cobertura UMTS). 3. Si todas las celdas 3G declaradas en la base de datos o solo las celdas 3G detectadas en el archivo del OMC 3G serán consideradas para los cálculos. Como salida se generará para cada capa de frecuencia 3G una lista con todas las celdas 3G presentando: 1. La lista total de las celdas 3G consideradas para la evaluación de las celdas de borde. 2. La celda 3G más cercana, ubicada dentro del Ancho de haz (Beamwidth - BW) de cada celda de referencia 3G. 3. La distancia mínima a la celda 3G dentro del BW de la celda de referencia. 4. El azimut a la celda 3G más cercana dentro del BW de la celda 3G de referencia. En los resultados todas las celdas detectadas entre las celdas de referencia 3G serán filtradas y resaltadas con color rosa. Para esta simulación utilizamos los valores por defecto, si los resultados no son los que nos convienen podremos ejecutar nuevamente este módulo alterando los valores. Figura 6-55: Límites de la red 85 Cuando el módulo se ha completo se obtendrá el siguiente mensaje, ver Figura 6-56: Figura 6-56: Análisis completo de celdas de borde Adicionalmente, Agileto generará un archivo Excel conteniendo varias hojas, cada una de ellas corresponde al análisis de Celdas de Borde realizado para cada capa de frecuencia, ver Figura 6-57. Cada capa de frecuencia tiene una hoja de resultados donde todas las celdas 3G pertenecientes a esa capa de frecuencia se almacenan y los resultados son filtrados (en color rosa) con las celdas 3G detectadas como celdas de borde basándose en los datos de entradas proporcionados. Las celdas de borde detectadas de esta manera pueden ser usadas para asignar una “clase” especial para propósitos de futura optimización con el fin de acomodar/optimizar mejor los principales KPIs. Figura 6-57: Detección de celdas de borde El último módulo de la pestaña DB + GIS de Agileto 1.4) View Active database / MapInfo / Google Earth representation(s) -> (V1.12) se usa para visualizar la base de datos de referencia en representaciones MapInfo o Google Earth las cuales han sido creadas por los otros módulos. La opción para visualizar nuestra red en Google Earth es View Mobile Networks (4G/3G/2G). 86 Figura 6-58: Representación de la base de datos Luego de dar click, la aplicación Google Earth se abrirá automáticamente ubicando nuestras celdas en las latitudes y longitudes configuradas así como la representación de las antenas y tecnologías en diferentes colores tal como se detalla en la leyenda de la parte superior izquierda del mapa. Figura 6-59: Representación en Google Earth. Llegado a este punto podremos hacer uso de las herramientas de Google Earth. En la columna del lado izquierdo podemos activar o desactivar la visualización de las celdas de nuestra red de manera conjunta o individualmente, así tendremos una versión digital de la red montada. Las opciones que tenemos con esta herramienta son variadas, desde verificar la posición exacta de las estaciones base hasta controlar la sectorización de las celdas. Incluso Google Earth permite la visualización de calle (SteetView). Además, con un clic en uno de los sectores de la antena podremos ver toda la información relacionada con ese punto. Esta representación es de suma importancia ya que permite al ingeniero de optimización tomar decisiones para mejorar el comportamiento de la red. 87 Figura 6-60: Datos de celdas en Google Earth Además de la representación de las estaciones base y el área de cobertura de cada una de ellas, Agileto también permite visualizar los resultados de otros tipos de medidas, por ejemplo, en caso de disponer de las métricas de algún KPI estas pueden ser representadas si escogemos el módulo 5.1) Generate MapInfor + Google Earth cells objects based on KPIs values -> (V1.45) Figura 6-61: Generación de objetos basados en KPIs 6.2.2.5. Otros módulos de Agileto Auditoría de Red (informes y soluciones) Módulo 2.1) OMC (snapshot *.xml/*.txt): Audit and Sanity Check. Este módulo se utiliza para hacer una auditoría a la red 3G de acuerdo con sus principales parámetros de RF más los 3G asociados junto con las relaciones de las vecinas 3G-3G y 3G-2G. En el caso en que esos eventos sean detectados durante la fase de auditoría estos serán enfatizados y Agileto generará automáticamente la corrección necesaria y las respectivas órdenes de trabajo para cargarlas en el OMC 3G. 88 Módulo 2.2) 3G: PSC allocation: Audit and Optimization este módulo permite hacer una auditoría y optimización de la planificación y ubicación de las estaciones base en toda la red 3G en cada capa de frecuencia disponible por el operador; la auditoría de la localización de las estaciones base identificará todas las ubicaciones críticas, lo cual quiere decir identificar a todos los casos que comparten la misma área de cobertura con una baja distancia de inter-cell; las celdas que caen en esta categoría representan siempre un problema desde el punto de vista de optimización ya que generan malos KPIs como baja accesibilidad, un alto porcentaje de caída de llamadas (Call Drop Rate), bajo throughtput, etc. Una solución rápida para resolver a dicha red no optimizada es cambiar la ubicación de las estaciones base por las celdas detectadas que caen en esta categoría. Esto es lo que de hecho el módulo hace en dos niveles: a) Nivel de celdas 3G /NodosB.- mejor uso durante los desarrollos de optimización b) Nivel de red 3G.- mejor uso durante la optimización de grandes áreas. Módulo 2.3) 2G: BCCHs allocation: Audit and optimization: este módulo no está disponible todavía. Intenta ser similar al módulo para las redes 2G relacionadas a la ubicación de los BCCHs como en el módulo previo M2.2 para las redes 3G respecto a la ubicación de las estaciones base. Actualmente Agileto está orientado principalmente para la optimización de redes 3G pero como el rendimiento de las redes 3G incluye la tasa de éxito de hard handover con redes 2G para evaluar el estado/planificación de las redes 2G como a veces esto puede ser el principal problema en casos particulares cuando el Hard Handover no se realiza adecuadamente. 3.1) OMC (snapshot) <-> MapInfo & Google Earth converters este módulo soporta dos opciones: Case 1 -> “MapInfo Delta Neighbors format (*.csv) => OMC (*.xls)”. Este caso se utiliza para convertir los cambios de vecinas realizados visualmente en mapInfo (exportados como formato *.csv) en un formato adecuado (*.xls) capaz de ser importado directamente al OMC. Case 2 -> “OMC Snapshot (*.xml/*.txt) => MapInfo / Google Earth Neighbors format (*.csv/*kmz)” este caso se usa para convertir las declaraciones de las vecinas (3G->3G + 3G->2G) existentes en el archivo OMC en un formato adecuado (*.csv) capaz de ser importado a MapInfo con el fin de representar visualmente esas relaciones de vecinas. Usando el Case 2 las declaraciones de vecindad 3G->3G + 3G->2G detectadas en el archivo 3G del OMC son mapeados en archivos *.kmz, con el fin de verlos en el ambiente de Google Earth. 3.2) Neighbors database -> MapInfo & Google Earth converters este módulo permite generar declaraciones de vecinas 3G->3G y/o 3G->2G y/o 2G->2G en formatos para MapInfo y Google Earth cuando la configuración 3G el OMC no está disponible pero las declaraciones están disponibles en formatos *.csv. Este módulo puede representar una solución temporal a ser usada en lugar del módulo M3.1 cuando las declaraciones de vecinas están disponibles en diferentes formatos pero la configuración del archivo 3G del OMC de la red no está todavía disponible. 3.3)MapInfo Neighboring tool (3G <–> 3G or 3G <–> 2G) este módulo se usa para activar la vecindad MapInfo. 89 Bibliografía [1] [2] http://www.cplus.org/rmw/english1.html http://www.agileto.com/ 90 CAPÍTULO 7. SIMULACIÓN Y SOLUCIÓN DE CASOS REALES Un operador de telefonía móvil genera una gran cantidad de eventos a tener en cuenta y que afectan al rendimiento de la red; si los ingenieros de optimización tienen las herramientas adecuadas, la solución a los inconvenientes se facilita. En el presente capítulo vamos a solventar los casos más comunes a los cuales se enfrenta un ingeniero de optimización con una red móvil. Para resolver casos reales con el uso de las herramientas de software libre, vamos a simular la red de un operador con más de 20.000 sectores 3G y más de 15.000 sectores 2G en varias regiones de España. Para este propósito se ha creado una base de datos en formato .xls con las siguientes consideraciones (Ver Figura 7-2 y Figura 7-3): - - - El Local_CID está formado por 7 caracteres numéricos, los dos primeros números representan la tecnología (3G o 2G), los 5 siguientes son iguales al Cell_ID. En el Local_CID todas aquellas celdas con tecnología 3G empiecen con “30” y las 2G con “20”. Cada sector 2G tiene una única portadora. Algunos sectores 3G en la banda de frecuencias de 2100 MHz pueden tener hasta 3 portadoras (Frequency_Layer), se diferencian con las letras B, C y D para la primera, segunda y tercera portadora, respectivamente. Todos los sectores 3G en la banda de frecuencias de 900 MHz tienen una única portadora. Todas las celdas pueden tener de uno a tres sectores. En esta simulación, el Cell_Name está compuesto por 8 caracteres numéricos y alfanuméricos. El primer carácter del Cell_Name siempre será una letra que indica la región de España donde está situada la celda, los 4 números siguientes son la numeración que se ha dado a cada Celda, el sexto carácter será siempre una letra que indica su tecnología: “E” para GSM, “R” para DCS, “F” para UMTS 900, “B” para la primera portadora UMTS de 2100 MHz, “C” para la segunda portadora UMTS de 2100 MHz y “D” para la tercera portadora UMTS de 2100 MHz. El último valor de Cell_Name indica el número de sector. Tomemos por ejemplo el Cell_Name: M1234E2 M 1234 E 2 Indica el sector Indica la portadora: B primera portadora de 3G en 2100MHz C segunda portadora de 3G en 2100MHz D tercera portadora de 3G en 2100MHz F primera portadora de 3G en 900MHz E primera portadora en GSM 900 MHz R primera portadora en DCS 1800 MHz Número de celda Región de España donde está la celda, en este caso Madrid Figura 7-1: Nomenclatura del Cell_Name 91 Figura 7-2: Base de datos de los sectores 3G Figura 7-3: Base de datos de los sectores 2G La información física de nuestra red 2G y 3G (latitud, longitud y ázimut de las antenas de las estaciones base) debe estar disponible en una hoja de cálculo. Con esta información y con la ayuda del módulo 1 del software Agileto podemos generar un mapa digital de las celdas 2G y 3G de nuestro Operador, tal como se indicó en el Capítulo 6.2.2.4. Agileto identifica automáticamente y con colores las celdas en sus diferentes regiones. El resultado de nuestra base de datos en Google Maps se muestra en la Figura 7-4. Figura 7-4: Vista Global de la Red en Google Earth. Veamos más de cerca una celda cualquiera y su explicación gráfica, (ver Figura 7-5) donde: - Color celeste representa la portadora GSM - Color amarillo es la primera portadora UMTS. - Color verde es la segunda portadora UMTS. - Color púrpura es la tercera portadora UMTS. 92 Figura 7-5: Nomenclatura de celdas en Google Earth. Si se desea mayor información de un NodoB o BTS basta con un clic en uno de los sectores y se mostrará lo que fue introducido en la base de datos para cada sitio. 7.1. Estudio de Celdas Vecinas El estudio de celdas vecinas de en una red móvil es quizá el punto más importante a tratar una vez que se ha desplegado la red, este proceso puede volverse muy complicado si no se dispone de la correcta visualización de todas las celdas con sus respectivas portadoras y sectores en un mapa digitalizado. Con el fin de que los dispositivos móviles puedan hacer un correcto handover es necesario que cada sector y/o celda tenga definidas sus celdas vecinas para los casos que se mencionó en el Capítulo 5.5.2. Es decir, para 3G, una celda debe tener definidas sus vecinas: - Intra-Frequency: entre sectores con la misma frecuencia y misma tecnología. Inter-Frequency: entre sectores con diferente frecuencia y misma tecnología. Inter-System o Inter-RAT: entre sectores con diferente tecnología. De acuerdo a los estándares del 3GPP, el número total teórico de celdas vecinas que un equipo terminal puede medir es 96: 31 vecinas intra-frequency (32 si se incluye la celda en servicio o celda servidora), 32 vecinas inter-frequency y 32 vecinas inter-rat. Para el caso de nuestro operador se ha decidido que para 3G el número máximo de vecinas sea no mayor a 65 y no menor a 28 para cada caso; en 2G no más de 31 vecinas para cada celda servidora; esto con el objetivo de que el tiempo de decisión de handover de un móvil no sea muy largo para no provocar caídas de llamadas. A continuación vamos a usar la herramienta Agileto para optimizar la lista de vecinas de las BTS o NodosB de nuestra red. 93 Lo primero que debemos obtener es la información actualizada de la lista de celdas vecinas que en ese momento están configuradas para cada celda y/o sector. Agileto requiere esta información de una manera básica y con los campos que se pueden observar en la Figura 7-6; donde: LocalCellID_Source: es la celda sobre la cual queremos hacer el estudio de vecinas. Se la conoce como celda servidora LocalCellID_Target: son todas las celdas en la lista de vecinas de la celda servidora. Sib11: estándar que permite hasta 96 celdas vecinas. Neighbor Priority: es la prioridad que se le ha asignado a la celda vecina para el caso del Handover. RNC_Source: es la RNC de la celda servidora. CellID_Source: es el CellID de la celda servidora. RNC_Target: es la RNC de la celda vecina. CellID_Target: es el CellID de la celda vecina. Figura 7-6: Celdas Vecinas La lista de celdas vecinas de una red con sus respectivas servidoras se puede obtener mediante la exportación del archivo de Topología UTRAN que la mayoría de fabricantes de equipos de telecomunicaciones provee con sus Herramientas de Administración en el OSS, por lo general tiene la extensión .xml. En total para hacer un análisis completo de nuestra red se necesitan tres bases de datos: lista de vecinas 3G-3G, 3G-3G y 2G-2G. Como se mencionó anteriormente, en nuestro ejemplo de Operador, cada celda puede tener hasta un máximo de 65 vecinas sumando las 3 modalidades Intra-Frequency, Inter-Frequency e Inter-RAT; si nos acercáramos a ese máximo de celdas vecinas y con la cantidad de NodosB, sectores y tecnología que consta nuestra red, esto significaría 65 vecinas por 20.000 sectores en el caso de 3G; y para 2G se recomiendan no más de 31 vecinas. Por este motivo, los archivos de celdas vecinas se gestionan con la extensión *.csv, que no es más que un archivo de texto separado por comas, punto y coma o tabulación, y que puede ser importado fácilmente a una hoja de cálculo; este es el formato aceptado por Agileto. Las consideraciones para las celdas vecinas son: - - Los sectores de la misma celda (co-site) siempre deben estar en la lista de vecinas entre ellas mismas. Si estamos configurando vecinas Intra-Frequency, los sectores deben ser de la misma frecuencia y para el caso Inter-Frequency entre portadoras. Es altamente recomendable, por no decir obligatorio, que las celdas más cercanas siempre consten en la lista de celdas de vecinas de la celda servidora. No deben incluirse en la lista de celdas vecinas aquellas que estén a más de 10 Km. de la celda servidora. En lo posible se intenta que el tráfico de voz y datos permanezca la mayor parte de tiempo en la red 3G. 94 7.1.1. Vecinas Intra-Frequency La lista de vecinas Intra-Frequency o mejor conocida como Intra-Freq incluye las celdas 3G de la red que están en la misma frecuencia y tienen la misma tecnología (UMTS o GSM), es decir, para el caso de nuestro operador las celdas vecinas Intra-Freq serán todas aquellas que coincidan con la celda servidora en la letra de la nomenclatura del Cell_Name que indica la portadora. Como vimos en el apartado anterior, la representación gráfica de las estaciones base de nuestra red en mapas reales nos brinda una gran facilidad a la hora de resolver ciertos problemas como la lista de vecinas. Pensemos que vamos hacer el estudio de vecinas de ciertas celdas de la RNC MAD60R05, por tanto, de la base de datos (archivo MobileNW_Config.xls) se filtrará la información por dicha RNC y se eliminará el resto para iniciar un nuevo proyecto en Agileto. Usaremos los módulos 1.1, 1.2 y 1.3 tal como lo hicimos en el Capítulo 6.2.2.4 para representar las celdas de la red en Google Maps. De nuestra base de datos de celdas vecinas también se procede a filtrar por RNC, es decir, en la columna RNC_Source, nos quedamos solamente con la MAD60R05. En Agileto seleccionamos el módulo 3.2) Neighbors database -> MapInfo + Google Earth [Converters] -> (V1.22). Figura 7-7: Base de Datos para celdas vecinas 3G-3G en Agileto Seleccionemos el archivo *.csv que contiene la información de celdas vecinas 3G-3G. 95 Figura 7-8: Selección del archivo que contiene las celdas vecinas Como estamos estudiando las celdas vecinas Intra-Freq, escogemos la opción de Agileto 3G->3G; a continuación, se debe seleccionar la columna donde se ubican las celdas servidoras en el apartado 3G Source Cells Format y la columna que contiene a las celdas vecinas en 3G Target Cells Format, tal como se muestra en la Figura 7-9. Figura 7-9: Selección de celdas servidoras y celdas vecinas. Agileto confirmará que se ha generado la representación de las celdas vecinas para Google Earth. En el caso 3G-3G, la herramienta genera al mismo tiempo las vecinas Intra-Freq e Inter-Freq. Las vecinas Inter-Freq se estudiarán más adelante. 96 Figura 7-10: Generación de la representación de celdas vecinas en Google Earth. Finalmente, para ver las celdas vecinas en Google Earth usamos el módulo 1.4 de Agileto y escogemos la opción View Mobile Neighbors in Google Earth. Figura 7-11: Representación de celdas vecinas en Google Earth Al abrir Google Earth veremos las capas NB-Intra- Fr y NB-Inter-Fr. Recordar que hay pedir a Agileto que muestre todos los nodos de la red con la opción View Mobile Networks (4G / 3G / 2G). Tomemos como ejemplo el estudio del Nodo M2544B1, es decir un nodo ubicado en Madrid (M) cuyo número de identificación es 2544, la primera portadora en 2100 MHz (B) y es el sector 1. Hemos filtrado las capas de Google Earth para quedarnos solo con la primera portadora de cada celda, y en la capa NB-Intra-Fr buscamos el sector M2544B1. Los mapas generados por Agileto enlazan automáticamente la celda servidora con sus vecinas definidas en la base de datos. 97 Figura 7-12: Celdas vecinas de M2544B1 Del resultado de Agileto (ver Figura 7-12) podemos apreciar que la celda M2544B1 tiene 23 enlaces es decir, 23 vecinas, la mayoría están definidas correctamente ya que son cercanas a nuestra celda servidora. Para obtener mayor detalle entre nodos vecinos se puede hacer clic en un enlace y se mostrará la misma información que contenía la base de datos de vecinas, pero además y muy importante es que Agileto calcula automáticamente a qué distancia está esa vecina con respecto a la celda servidora, ver Figura 7-13. En nuestro ejemplo, la vecina número 23 está a 12 Km., habíamos dicho anteriormente que no deben constar en la lista de celdas vecinas aquellas que estén a más de 10 Km. de la servidora, por tanto la primera portadora del sector 1 de 2100 MHz del nodo 3682 ubicado en Madrid (M3682B1) debe ser eliminada de la lista de vecinas de M2544B1; esta labor la realiza el Ingeniero de OSS del operador. En este estudio vemos que la celda M2135B2 más cercana a M2544B1 no está definida como vecina, es decir, no hay un enlace generado por Agileto, esto es fácilmente reconocible ya que Agileto enumera a cada celda vecina y en este caso no existe el respectivo número, ver Figura 7-14. Los motivos pueden ser varios, el primero que se aprecia a simple vista y a raíz de la representación gráfica de las celdas es que los Ázimuts de las antenas tienen dirección contraria entre sí, en segundo lugar los nodos están en un área poblada donde no se podría producir un desplazamiento rápido durante una llamada de un móvil que involucre a los sectores mencionados (no así si fueran Nodos de la línea de tren o una carretera de alta velocidad), eso hace que la posibilidad de un Handover entre estos dos sectores sea muy pequeña. Por otro lado, el número de vecinas actual de M2544B1 es 23, se ha convenido que el número máximo de vecinas que una celda pueda tener es 28 ya tomando en cuenta un margen de seguridad, por ende y considerando la cercanía entre celdas se aconseja al Operador la adición de la celda M2135B2 como vecina de M2544B1. Visualmente y con la ayuda de los detalles que genera Agileto somos capaces de concluir que las otras celdas están añadidas como vecinas correctamente y por tanto se las mantiene sin cambios. 98 Figura 7-13: Detalles de los enlaces entre celdas vecinas Figura 7-14: Celda M2135B2 no definida como vecina 99 Ahora analizamos otro ejemplo con la segunda portadora y tercer sector de la celda M0670. Como vemos en la Figura 7-15 todos los sectores cercanos forman parte de la lista de vecinas; sin embargo, la vecina número 12, cuyo ázimut apunta a una dirección diferente que la servidora y cuyas áreas de cobertura no se cruzan, también ha sido considerada como celda vecina, es decir, ocupa un espacio en la lista que si bien por ahora no está llena, podría retrasar el tiempo de handover de un teléfono móvil; se recomendaría al operador eliminar dicha celda. Figura 7-15: Vecinas Intra-Freq de la segunda portadora. 7.1.2. Vecinas Inter-Frequency El análisis de celdas vecinas Inter-Frequency, conocido también como Inter-Freq, es similar al estudio Intra-Freq visto en el apartado anterior. En este caso, lo más importante es utilizar correctamente el filtro de capas de mapas que Agileto genera para Google Earth, es decir, ahora utilizaremos el filtro NB-Inter-Fr y todas las capas de frecuencia ya que el handover Inter-Freq permite a un móvil cambiarse de una portadora a otra. Analicemos las vecinas Inter-Freq de la tercera portadora del primer sector de la celda 0642 ubicada en Madrid (M0642D1). Como se aprecia en la Figura 7-16, la celda M0642D1 tiene configurada 10 vecinas Inter-Freq. Agileto enlaza automáticamente los sectores y portadoras que son parte de la lista de vecinas. A primera vista vemos que la primera portadora de los tres sectores del mismo sitio (M0642B1, M0642B2 y M0642B3) es vecina de M0642D1; esta es la manera correcta de configurarlas, en otras palabras, son las vecinas que no deberían faltar en Inter-Freq; además, no solamente tiene vecinas hacia la primera portadora de otras celdas sino también con la segunda, con esto estamos garantizando que un teléfono móvil hará el Inter-Freq Handover en la zona y así disminuiremos posibles caídas de llamadas. Del mapa podemos observar que hay celdas cercanas y no son vecinas, puede deberse a que son nuevas integraciones y aún no han sido configuradas correctamente, o un fallo del Operador que gracias a esta auditoría ha sido identificado. 100 Figura 7-16: Vecinas Inter-Freq de la celda M0642D1 Estos han sido solo unos pocos ejemplos de las situaciones que afronta el operador, para este análisis hemos considerado la información física de red (latitud, longitud y ázimut), la información de red propiamente dicha (celdas vecinas) y la herramienta de software de libre Agileto. Estos son los casos más comunes a los que se enfrenta un Ingeniero de Optimización y que muchas veces son muy difícil resolverlos si no se dispone de herramientas que ayuden a tomar decisiones. 7.1.3. Vecinas Inter-System o Inter-RAT En términos sencillos, las vecinas Inter-RAT son aquellas que difieren en tecnología a su celda servidora, por ejemplo, cuando la tecnología de la celda servidora es UMTS y las vecinas GSM. Una estrategia muy utilizada por los operadores es declarar celdas vecinas Inter-RAT solamente a la primera portadora de cada Nodo, es decir las segundas y terceras portadoras UMTS no podrán realizar handovers con GSM sino únicamente con 3G, esto con el objetivo de mantener las llamadas de voz o datos la mayor parte del tiempo en la red UMTS. En esta simulación hemos tomado en cuenta la misma consideración y por tal motivo Agileto no generará vecinas Inter-RAT para las segundas y terceras portadoras de nuestra red. Para crear las capas de vecinas Inter-RAT en Google Earth, debemos tener la base de datos de vecinas 3G-2G exportada desde el Centro de Administración y Mantenimiento de Operador y seguimos el mismo procedimiento que usamos para crear las capas Intra-Freq e Inter-Freq con una variante, y es que en el módulo 3.2 de Agileto debemos escoger la opción 3G->2G, ver Figura 7-17. Ya con las capas en Google Earth tomamos como caso de estudio la celda M3851B3, ver Figura 7-18. Se han aplicado los filtros de las capas de mapas de tal manera que nos quedamos con la celda que queremos analizar y todos los nodos 2G. De la representación gráfica se aprecia que M3851B3 tiene 16 vecinas Inter-RAT y todas ellas han sido añadidas correctamente ya que sus ázimuts apuntan a la celda servidora y están a una distancia cercana, además no excede el número recomendado para vecinas Inter-RAT. Sin embargo, el Ingeniero de Optimización debería observar que hay otra celda cercana cuyo ázimut apunta a la M3851B3 y en cuya área es muy alta la probabilidad de que se produzcan handovers Inter-RAT, por tanto se debe recomendar al operador añadir dicha celda a la lista de vecinas. 101 Figura 7-17: Módulo de Agileto para vecinas Inter-RAT Figura 7-18: Vecinas Inter-RAT 102 7.2. Asignación de PSC a las celdas 3G Una de las mayores complicaciones para los Ingenieros de Planificación y Optimización es el plan de frecuencias de la red y la asignación de los Primary Scrambling Code (PSC) en las redes UMTS. Comúnmente, en una red real 3G y dependiendo de la situación de cobertura se tienen hasta tres frecuencias por sector, las portadoras del mismo sector varían en frecuencia pero tendrán el mismo PSC. Los PSCs se asignan a cada portadora. De acuerdo con las recomendaciones del 3GPP, en la práctica están disponibles 512 scrambling codes que se dividen en ocho grupos de 64 cada uno; esto simplifica la búsqueda de un móvil ya que primero identifica un grupo y dentro del grupo un PSC. En términos generales, se recomienda usar el menor número de grupos de códigos y tantos códigos como sean posible dentro de un grupo para hacer que el tiempo de búsqueda de una celda sea lo más corto posible y no usar todos los códigos para futuras integraciones de nuevos sitios o actualizaciones. El problema de los PSC viene cuando hay un gran número de sitios, hay que tener mucho cuidado en no añadir los mismos PSC a una segunda o tercera portadora vecina ya que se incrementaría la caída de llamadas. El PSC usado por una estación base en UMTS y HSPA actúa como un identificador y es importante que las estaciones base vecinas empleen diferentes códigos scrambling con el fin de administrar correctamente los handovers. Los estándares 3GPP especifican que las vecinas directas y las vecinas de segundo orden (vecinas de una vecina) usen diferentes PSCs. El módulo de Agileto 2.2) 3G: PSCs allocation -> Audit + Optimisation -> (V1.82) es muy completo y útil a la hora de analizar la situación de la red y además sirve para escoger un primary scrambling code para la integración de un nuevo nodo. Figura 7-19: Módulo 2.2 de Agileto Este módulo permite hacer una auditoria y optimizar la planificación/ubicación de los PSCs de toda la red 3G en cada capa de frecuencia disponible o usada por el operador; la auditoría de la asignación de PSCs identificará todas las situaciones críticas, es decir todos los casos en las que las celdas 3G compartan el mismo PSC y estén a una distancia relativamente cerca entre ellas, las celdas que caen 103 en esta categoría especial representan siempre un problema desde el punto de vista de optimización y generarán malos KPIs como baja accesibilidad, alta tasa de caída de llamadas, bajo throughput, etc. Con el fin de realizar la auditoría y optimización referente a la asignación de PSCs, Agileto tiene dos opciones: - A nivel de Celda/Nodo 3G A nivel de toda la Red 3G Ambos métodos se consideran para la optimización de la ubicación de los PSCs y proponen la maximización de la distancia entre dos celdas 3G pertenecientes a la misma capa de frecuencia y que comparten el mismo PSC. 7.2.1. Análisis de PSC a nivel de Celda Esta opción es la más adecuada cuando hay pocas celdas 3G detectadas y tienen problemas relacionados a la ubicación de los PSCs (alto CDR, baja accesibilidad, bajo throughput, etc.) o para las nuevas adiciones de sitios entre aquellos ya instalados. Para hacer el análisis de PSC con el módulo de Agileto tomamos una celda que está en una zona de alta congestión y cerca de muchas estaciones base, por ejemplo M4374B3 cuyo Local_CID es 3014527. El módulo de Agileto, tiene dos entradas: Reference FDD LocalCell_ID e Input PSC. Al introducir el Local_CID en el campo Reference FDD LocalCell_ID el formulario de este módulo presenta en primer lugar el estado actual de nuestra celda en estudio con los sectores co-site y nos indica (ver Figura 7-20): - Nombre del NodoB al que la celda en estudio pertenece: MADX4374. La capa de frecuencia: 1 Frecuencia UARFCN: 10787 Frecuencia en MHz: 2157.4 Ázimut: 120 Nombre de la Celda: M4374B3 Para nuestro ejemplo el PSC actual es 504 Información de los sectores Co-Site de la celda. Figura 7-20: Estado actual del PSC 104 Cada vez que se introduce un Local_CID, se realiza una auditoria instantáneamente presentando en el formulario el estado actual de la repetición del mismo PSC de acuerdo con la celda de referencia; los campos “REFERENCE (SOURCE) DATA:” y “CALCULATED (TARGET) DATA:” se actualizan automáticamente en cada cambio. La información que nos muestra el formulario de Agileto es la misma contenida en la base de datos inicial, es decir, celda 3014527, cuyo ázimut es 120, su nombre es M4374B3 y su actual PSC es 504. Pero además indica la celda más cercana que tiene el mismo PSC y a qué distancia se encuentra, en este caso la celda que tiene el mismo PSC es la 3013503, cuyo nombre de celda es M2128B1 y que está a 8.7 Km. La parte Inside BeamWidth? quiere decir si el ázimut de la celda fuente apunta al ázimut de la otra, en este ejemplo no sucede así. Vemos este par de celdas en el mapa generado por Agileto filtrando todas las que no están involucradas en este análisis. Figura 7-21: Distancia entre celdas con mismo PSC Con el mapa generado por Agileto, Figura 7-21, comprobamos el resultado del formulario y en efecto se aprecia que si bien la distancia entre las dos celdas es de 8.7 Km. sus ázimuts son prácticamente contrarios por lo que no habría ningún problema en que se mantengan el mismo PSC. Si fuera el caso contrario, es decir, que uno de los ázimuts apuntara al otro habría un alto riesgo que el área de cobertura alcance a la otra por lo que se recomendaría el cambio de PSC. Adicionalmente, este módulo de Agileto calcula los valores óptimos en caso de que se desee alterar el actual PSC. Al presionar en el botón evaluate PSC Optim –> cells displayed, en el área verde de la ventana (ver Figura 7-22) se muestran los valores PSC óptimos. En este caso Agileto sugiere cambiar al PSC a 430 ya que la celda más cercana con el mismo PSC está a 22.6 Km. y sus ázimuts no apuntan entre sí; en otras palabras este sería la situación ideal. El resultado puede ser exportado a una hoja de cálculo mediante el botón Export all displayed Results y ser presentado como un informe (ver Figura 7-23). 105 De esta manera se pueden atender problemas puntuales de PSC, especialmente cuando se quiere instalar un nuevo NodoB Figura 7-22: PSC óptimo generado por Agileto. Figura 7-23: Informe de PSC Óptimo de Agileto 7.2.2. Análisis de PSC a nivel de toda la Red 3G El análisis anterior es conveniente cuando se tienen que estudiar unas pocas celdas en concreto, pero si el objetivo es analizar el estado real de toda la red, RNC o área de cobertura, el módulo de Agileto tiene la opción evaluate PSC Optim -> all 3G cells. Al presionar el respectivo botón, Agileto hará un análisis de todas las celdas que conforman la red. Antes, nos pide confirmar la distancia mínima deseada para el reuso de PSC, este valor dependerá del operador y su situación actual, tomando en cuenta cuantas celdas tiene, cantidad de tráfico, etc. Una distancia relativamente pequeña producirá pocos cambios de PSC y lo contrario con más distancia. En esta simulación pediremos que el análisis se haga para 20 Km, ver Figura 7-24. Como se dijo, Agileto analiza todas las celdas de la red, en todas sus capas de frecuencia y genera como resultado una hoja de cálculo con todas aquellas celdas que puedan presentar conflictos de PSC, es decir, esta herramienta de software libre en cuestión de segundos realiza una auditoría total. En la Figura 7-25, las columnas cuyo encabezado están en color gris contienen los datos informativos de la celda en análisis, las columnas en color café muestran el PSC actual, el LocalCellID de la celda más cercana, la distancia a la que se encuentra y si sus ázimuts se apuntan uno al otro. Las columnas con encabezado verde son el resultado de la auditoría y la recomendación de Agileto para un nuevo PSC, el LocalCellID de la nueva celda, la distancia a la que se encuentra y si sus ázimuts se apuntan o no. La columna final es la recomendación de Agileto de cambiar o no el PSC. 106 Figura 7-24: Distancia mínima deseada para el reuso de PSC Figura 7-25: Resultado de la auditoría de los PSC de la red Se podría considerar que el caso análogo de la auditoría de PSC en las redes 3G es el análisis de BCCH en las redes 2G. Si bien en esta versión de Agileto este módulo está siendo desarrollado, se espera que la manera de operar y presentación de resultados sea similar. 107 108 SECCIÓN IV. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS. 109 110 CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS Este Trabajo de Fin de Máster sintetiza los conceptos teóricos que un Ingeniero de Planificación y Optimización de Redes Móviles debe conocer, comprender y dominar para realizar tareas y solucionar problemas que se puedan presentar en el campo laboral. Además, pone a disposición de los profesionales de esta área, un estudio de herramientas gratuitas y ejemplos de aplicación que ayudarán a dar servicios a los operadores. Si bien se pueden mejorar en muchas líneas las herramientas de software libre, son un primer paso ya sea para contribuir a su desarrollo o crear otras más completas. 8.1. CONCLUSIONES - En los próximos años, los procesos de optimización serán valorados como el servicio más importante para mantener y mejorar el rendimiento de las redes móviles, ya que es más conveniente que comprar nuevo hardware. - En un futuro cercano, con el mismo hardware de los elementos que componen las redes de comunicaciones móviles, se podrá migrar a nuevas tecnologías únicamente con la actualización de software. Por lo cual, los operadores podrán utilizar sus equipos por años y se requerirán más servicios de optimización. - La optimización de redes móviles es un proceso continuo que debe ser planificado y ejecutado constantemente. - Al aplicar recomendaciones de mejora en las redes móviles muchas veces se piensa que el problema ha sido resuelto, sin embargo, es posible que un área cercana pueda ser afectada disminuyendo el rendimiento de la red. Es por eso que, además de optimizar el área donde se ha reportado problemas, los nodos de alrededor también deben ser monitorizados. - Es de suma importancia que el Ingeniero de Planificación y Optimización tenga claro conocimiento y domine las arquitecturas, elementos e interfaces de las redes de comunicaciones móviles en todas sus generaciones. - El Ingeniero de Optimización debe conocer los eventos más importantes que se generan entre elementos de red de tal manera que sea capaz de capturar los mensajes (trazas y logs) que necesite y en el lugar que se requiera. - Es importante tener siempre a mano los estándares del 3GPP y desarrollar habilidades para encontrar eficientemente la información que se desea, ya que con tantos estándares existentes la búsqueda se dificulta. - Es imprescindible identificar los KPIs que representen la situación real de la red para proceder con su análisis y solución en caso de degradación de las celdas. - Cuando se manejan redes reales, la cantidad de datos que contienen los archivos de trazas y topología de red es enorme. Dependiendo de las necesidades, el Ingeniero de Optimización deberá reconocer los mensajes y la información útil. En este trabajo se ha extraído la información de celdas que componen la red y sus vecinas, queda mucha más información que puede contribuir a tomar mejores decisiones a la hora de optimizar la red. 111 - La topología de las redes reales es enorme, resulta ineficiente usar hojas de cálculo para procesar los datos, es mejor utilizar otro tipo de herramientas como SQL que manejan bases de datos. - Google Earth suele ralentizarse si no se dispone de un computador potente y si la cantidad de nodos de la red es muy grande, además no todas las ciudades del mundo se muestran. En esos casos y si se dispone de los mapas digitalizados se recomienda usar MapInfo. - Es necesario que se tome toda la información de los archivos de topología de red .xml, a pesar que para análisis de optimización no toda la información puede ser útil, vale la pena tener una base de datos y no perder información. - Las Herramientas de software libre no brindan un paquete completo de soluciones. Sirven de base para resolver problemas sencillos en la red. - En el proceso de optimización es importantísimo tomar en cuenta el área de cobertura y notar los accidentes geográficos que se presentan, éstos podrían bloquear o reducir la señal. Además, los edificios, túneles, parqueaderos, etc., con muchas veces los causantes de malos KPIs y las celdas que dan servicio deben tener un trato especial. - Para mejor la toma de decisiones en la optimización de redes móviles, es altamente recomendable hacer periódicamente drive test. 8.2. LÍNEAS FUTURAS - Desarrollar un sistema que automatice el proceso en lugar de hacerlo manualmente, por ejemplo, en el análisis de PSC Agileto hace un estudio muy rápido que de hacerlo celda a celda tomaría mucho tiempo. El objetivo es que el Ingeniero de Optimización identifique todos aquellos procesos que se repiten y en lugar de gastar tiempo resolviendo caso a caso se busque la manera de optimizarlo. - Contribuir con los desarrolladores de Agileto con nuevos módulos y/o sugerencias que ayuden a mejorar la herramienta. - Si bien las tecnologías ampliamente usadas hoy por hoy en el mundo son GSM y UMTS, no se debe descuidar el estudio de las tecnologías LTE y LTE advanced que en muy corto plazo estarán implementadas en casi todo el mundo. Así mismo, el presente trabajo debe ser actualizado constantemente y a la par con el aparecimiento de nuevas tecnologías. - Un reto para futuros proyectos es ser capaz de recibir los mensajes de la red (trazas), procesarlas inmediatamente y que en cuestión de segundos se muestren los resultados en entornos amigables, es decir, que no haya necesidad de esperar al procesamiento de la información sino que prácticamente sea en tiempo real. - Muchas veces los problemas que las redes móviles presentan se repiten, es decir son comunes entre celdas que están separadas geográficamente. De igual manera, la solución suele ser la misma. Por tal motivo, el Ingeniero de Optimización puede crear un manual o instructivo que indique cuales fueron sus recomendaciones y los resultados. Así se podrá tener un manual para solución de problemas que podría ahorrar tiempo a los profesionales. - Con la experiencia en optimización se puede desarrollar y establecer procedimientos a seguir en caso de que un nodo o celda presente problemas. 112 - El futuro de la optimización de redes móviles está en saber aprovechar la información que los fabricantes de equipos de telecomunicaciones generan durante la operación de las redes móviles. Todos los eventos y mensajes circulan en la red pero no todos son almacenados, ya sea porque no son de interés para los operadores o por la falta de almacenamiento. Si se tuviera esa información disponible al momento que los problemas ocurren, la toma de decisiones para la optimización sería mucho más fácil. Se necesita desarrollar herramientas que manejen y almacenen dicha información. - En este trabajo se vio la solución para conflictos de PSC. Este es solo un ejemplo de como un algoritmo puede ayudar a los ingenieros de optimización. Muchísimos más pueden ser desarrollados y ser llevados a la práctica. Para esto se necesita tener en claro los parámetros que actúan en una comunicación móvil y los resultados que se puedan obtener a partir de ellos. 113
