Análisis de las tecnologías de Redes Heterogéneas (HetNet) en los

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE – 0502 Proyecto Eléctrico
Análisis de las tecnologías de Redes Heterogéneas
(HetNet) en los sistemas móviles
Estudio caso: Tecnologías lightRadio™
Por:
Ernesto Apú Picado
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Julio del 2012
Análisis de las tecnologías de Redes Heterogéneas
(HetNet) en los sistemas móviles
Estudio caso: Tecnología lightRadio™
Por:
Ernesto Apú Picado
Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica
de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Costa Rica
como requisito parcial para optar por el grado de:
BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA
Aprobado por el Tribunal:
_________________________________
Ing. Jhonny Cascante Ramírez
Profesor Guía
_________________________________
_________________________________
Ing. Eduardo Varela Soto
Ing. Alonso Vargas Ramírez
Profesor Lector
Profesor Lector
ii
DEDICATORIA
Aquellos a quienes amo y que son parte de mi vida. Espero que este sea el inicio de
muchas otras satisfacciones por venir y me encantaría poder seguirlas compartiendo con
ustedes.
A una gran amiga y colega, que estoy seguro ha de estar muy orgullosa. ¡Lo logré!
iii
RECONOCIMIENTOS
A mis amigos, en las buenas y en las malas, este camino hubiese sido muy distinto
sin ustedes. ¡Gracias!
A don Jhonny, a quien le tengo gran aprecio y admiración. Agradezco su guía y la
oportunidad de realizar el presente trabajo.
Y agradecer a todos aquellos que de alguna u otra forma, han colaborado en mi
formación como un futuro profesional de bien.
iv
ÍNDICE GENERAL
1.
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ....................................................... 1
1.1
Justificación ............................................................................................ 1
1.2
Objetivos ................................................................................................. 4
1.2.1
Objetivo general ........................................................................................................ 4
1.2.2
Objetivos específicos ................................................................................................ 4
1.3
Metodología ............................................................................................ 5
2.
CAPÍTULO 2: DESARROLLO TEÓRICO ....................................... 6
1.1
Redes Homogéneas ................................................................................ 6
2.1.2 Concepto ..................................................................................................................... 6
2.1.2 Elementos de red – Macroceldas ................................................................................ 7
2.1.2.1 Características ........................................................................................................... 7
2.1.2.1 Modelo de consumo de potencia ............................................................................. 10
2.2
Redes Heterogéneas ............................................................................. 13
2.2.1 Concepto ................................................................................................................... 13
2.2.2 Elementos de red – Microceldas, Picoceldas, Metroceldas, Femtoceldas ................ 15
3.
CAPÍTULO 3: ESTUDIO DE LAS REDES HETEROGÉNEAS .. 17
3.1
Justificación del desarrollo de redes heterogéneas ........................... 17
3.1.1 Perspectiva del operador ........................................................................................... 17
v
3.1.2 Perspectiva del suscriptor ......................................................................................... 19
3.1.2.1 Convergencia de servicios ...................................................................................... 20
3.1.2.2 Salud y consideraciones sobre las señales de radiofrecuencia ................................ 22
3.2
Un poco de historia sobre las femtoceldas ......................................... 24
3.2.1 Orígenes .................................................................................................................... 24
3.2.2 Nacimiento de las femtoceldas modernas ................................................................. 25
3.3
Definiciones de los niveles - ¿Micro, Metro, Pico, Femto? .............. 26
3.4
Beneficios económicos de un despliegue combinando macro y
femtoceldas ...................................................................................................... 29
3.4.1 Escenario de estudio ................................................................................................. 30
3.4.2 Modelos económicos ............................................................................................... 30
3.4.2.1
Modelo económico para la macrocelda .............................................................. 30
3.4.2.2
Modelo económico para la femtocelda ............................................................... 31
3.4.3 Resultados del estudio .............................................................................................. 32
3.5
Características de la red ...................................................................... 36
3.5.1 Estandarización de las femtoceldas .......................................................................... 36
3.5.2 Modelos en el Uplink y en el Downlink ................................................................... 36
3.5.2.1
Modelamiento Macrocelular ............................................................................... 36
3.5.2.2
Control de acceso en la femtocelda .................................................................... 38
3.5.3 Consideraciones importantes en despliegues de macroceldas junto a nodos de baja
potencia ................................................................................................................................. 38
vi
3.6
Desafíos Claves en la implementación de las redes heterogéneas ... 40
3.6.1 Coordinación de las Interferencias ........................................................................... 40
3.6.1.1
Técnicas de calibración de la potencia de transmisión de la femtocelda para
reducir problemas por interferencia co-canal ....................................................................... 42
3.6.1.2
Técnica de cancelación sucesiva para mitigar problemas por interferencia ....... 46
3.6.2 Biasing: Asociación y Derivación de Celdas ............................................................ 49
3.6.3 Movilidad .................................................................................................................. 52
3.6.4 Estrategias de ahorro energético para configuraciones de redes heterogéneas ........ 53
3.6.5 Implementaciones HetNet utilizando BWA-FMDA ................................................ 54
4.
CAPÍTULO 4: IMPORTANCIA DEL AUMENTO DE LA
CAPACIDAD,
ESCENARIOS
DE
RED
Y
ESTUDIO
CASO
LIGHTRADIO™ ........................................................................................... 56
4.1
Importancia .......................................................................................... 56
4.2
Escenarios de red ................................................................................. 57
4.3
Estudio caso: Tecnología lightRadio™ de Alcatel-Lucent .............. 66
4.3.1 Acerca de Bell Labs y Alcatel-Lucent ...................................................................... 66
4.3.2 Características de la tecnología lightRadio ............................................................... 67
4.3.3 Casos de implementaciones ...................................................................................... 70
4.3.3.1
Telefónica – Da a conocer su experiencia durante el MWC 2012 ..................... 70
4.3.3.2
Etisalat – Primera conexión de banda ancha móvil LTE 4G en Emiratos Árabes
Unidos utilizando lightRadio™ ........................................................................................... 71
vii
5.
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...... 73
5.1
Conclusiones ......................................................................................... 73
5.2
Recomendaciones ................................................................................. 74
BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 75
APÉNDICES ................................................................................................... 80
Apéndice 1 – Estandarización 3GPP (Movilidad) [1] .......................................................... 80
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1 Modelo hexagonal tradicional de un despliegue de red homogénea por
macroceldas [3] ....................................................................................................................... 7
Figura 2.2 Macroestación base, Central Telefónica en Alajuela ............................................ 8
Figura 2.3 Elementos de funcionalidad técnica y elementos de infraestructura en una
radiobase típica [25].............................................................................................................. 10
Figura 2.4 Aproximación lineal que relaciona la potencia de entrada y salida en una
radiobase típica [8]................................................................................................................ 11
Figura 2.5 Distribución típica de consumo de potencia de un macro RAE [8] .................... 12
Figura 2.6 Despliegue de red heterogénea [8] ...................................................................... 14
Figura 2.7 Predicciones de puntos de acceso globales de Small Cells 2011-2016, por
categoría [12] ....................................................................................................................... 16
Figura 3.1 Tecnología Triple Play [29] ................................................................................ 20
Figura 3.2 Cobertura de usuarios por las femtoceldas contra el porcentaje de femtoceldas
instaladas, para diferentes cuotas de mercado [2]................................................................. 33
Figura 3.3 Costos anuales en la red para un operador con una cuota de mercado del 40% y
con 64 usuarios por macrocelda [2] ...................................................................................... 34
Figura 3.4 Costos anuales en la red para un operador con una cuota de mercado del 40%
ante diferentes cantidades de usuario por macrocelda [2] .................................................... 35
Figura 3.5 Comparación entre una red macrocelular 4G actual y un modelamiento aleatorio
de las radiobases [3] .............................................................................................................. 37
Figura 3.6 Interferencia entre terminales y macro/femto estaciones base [3] ...................... 40
.............................................................................................................................................. 45
ix
Figura 3.7 Network Listen based Power Calibration (NLPC) [6] ........................................ 45
Figura 3.8 Mobile Assisted Range Tuning (MART) [6] ...................................................... 45
Figura 3.9 Active Macro Mobile Protection [6] ................................................................... 45
Figura 3.10 Conjunto cooperativo en un sistema multicelda [14] ........................................ 48
Figura 3.11 Asociación de celdas sin derivación (Unbiased Cell Association) en una red
heterogénea de tres niveles (macro, pico y femtoceldas) [22] .............................................. 49
Figura 3.12 Asociación de celdas con derivación (Biased Cell Association) en una red
heterogénea de tres niveles (macro, pico y femtoceldas) [22] .............................................. 50
Figura 3.13 Comparación entre una arquitectura HetNet tradicional y una HetNet BWAFMDA [10] ........................................................................................................................... 55
Figura 4.1 Escenarios estudiados donde son aplicadas las propuestas de expansión de red
[19] ........................................................................................................................................ 60
Figura 4.2 Volumen de datos (en GB) que se puede alcanzar, tanto en el downlink como en
el uplink, utilizando diversas estrategias de expansión de red [19] ...................................... 63
Figura 4.3 Tasa de transferencia (en Mbps) en el quinto percentil (95% de probabilidad de
cobertura) que se puede alcanzar, tanto en el downlink como en el uplink, utilizando
diversas estrategias de expansión de red [19] ....................................................................... 63
Figura 4.4 Selección de celda por parte de un terminal móvil en una red heterogénea [19]
.............................................................................................................................................. 64
Figura 4.5 Logo de Alcatel-Lucent [39] .............................................................................. 66
Figura 4.6 Antena en forma de cubo [40] ............................................................................ 68
Figura 4.7 Colocación de los cubos para formar la antena [40] ........................................... 68
x
Figura 4.8 Ilustración de tipos de antenas (para las metroceldas) de la familia light Radio
[40] ........................................................................................................................................ 69
Figura 4.9 Diseño de la configuración utilizada en la demostración por Alcatel-Lucent y
Etisalat [40] ........................................................................................................................... 72
xi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Elementos de funcionalidad técnica y elementos de infraestructura [25] .............. 9
Tabla 3.1 Densidad de potencia como límite legal de radiación [26].................................. 23
Tabla 3.2 Diferencias entre los distintos despliegues de Small Cells [28] ........................... 28
Tabla 4.1 Volumen de datos mensual (en GB) y tasa de transferencia (en Mbps) en el
quinto percentil que se pueden alcanzar, tanto en el downlink como en el uplink, utilizando
diversas estrategias de expansión de red [19] ....................................................................... 58
xii
NOMENCLATURA
3GPP – 3rd Generation Partnership Project
AP – Punto de acceso (Access Point)
BS – Estación Base (Base Station)
BTS – Estación Base (Base Transceiver Station)
BWA-FMDA – Broadband Wireless Access with Fiber-Connected massively Distributed
Antennas
CAPEX – Gastos de Capital (Capital Expenditure)
CDF – Función de Distribución Acumulada (Cummulative Distribution Function)
CDMA – Multiplexación por División de Código (Code Division Multiple Access)
CSG – Grupo de Suscriptor Abierto (Closed Subscriber Group)
DAS – Sistema de Antenas Distribuidas (Distributed Antenna System)
DL – Enlace de Bajada (Downlink)
DTX – Transmisiones Descontinuas (Discontinuous Transmission)
eNB – eNodoB (Evolved NodeB)
FAP – Punto de Acceso por Femtocelda (Femtocell Access Point)
FL – Enlace Directo (Forward Link)
GSM – Global System for Mobile Communications
I+D – Investigación y Desarrollo
ICI – Interferencia entre Celdas (Inter-Cell Interference)
ICIC – Coordinación de Interferencia entre Celdas (Inter-Cell Interference Coordination)
xiii
ISD – Distancia entre Sitios (Inter-Site Distance)
HDTV - Televisión Digital de Alta Definición (High-Definition Television)
HeNB – Home eNodeB
HetNet – Red Heterogénea (Heterogeneous Network)
HBS – Estación base pequeña (Home Base Station)
HNB – Home NodeB
HSPA – High-Speed Packet Access
ICNIRP - Comisión Internacional de Protección contra las Radiaciones No Ionizantes
(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection)
ICE – Instituto Costarricense de Electricidad
IP –Protocolo de Internet (Internet Protocol)
IPTV - Televisión sobre el Protocolo IP (Internet Protocol Television)
INR – Relación Inteferencia/Ruido (Interference-to-Noise Ratio)
LAN – Red de Área Local (Local Area Network)
LTE – Long Term Evolution
MART – Mobile Assisted Range Tuning
MIMO - Múltiple Entrada-Múltiple Salida (Multiple-Input-Multiple-Output)
MIMO-IC – Canales de Interferencia de Múltiple Entrada-Múltiple Salida (Multiple-InputMultiple-Output Interference Channels)
MMSE-SIC - Minimum Mean Squared Error Receiver with Successive Interference
Cancellation
MS – División de Mensaje (Message Splitting)
xiv
NB – NodoB (NodeB)
NIR – Radiación No Ionizante (Non-Ionization Radiation)
NLPC – Network Listen based Power Calibration
NLM – Network Listen Module
OFDM - Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing)
OFDMA – técnica de Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal (Orthogonal
Frequency Division Multiple Access)
OMS – Organización Mundial de la Salud
OPEX – Gastos de Funcionamiento (Operating Expense)
OSG – Grupo de Suscriptor Abierto (Open Subscriber Group)
PPSMM – Periodic Pilot Strength Measurement Messages
PSTN – Red Telefónica Pública Conmutada (Public Switched Telephone Network)
QoS – Calidad de Servicio (Quality of Service)
RL – Enlace Inverso (Reverse Link)
RNC – Controlador de la Red Radio (Radio Network Controller)
RF - Radiofrecuencia
SINR – Relación Señal/Interferencia-Ruido (Signal to Interference plus Noise Ratio)
T1 – estándar de entramado y señalización para transmisión digital de voz y datos
UE – Terminal de un usuario (User Equipment)
UL – Enlace de Subida (Uplink)
xv
UFR – Sistema Universal de Reutilización de Frecuencia (Universal Frequency Reuse)
UTRAN – Red de Acceso Radio Terrestre UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access
Network)
UMTS – Universal Mobile Telecommunications System
VoD - Video por Demanda (Video on Demand)
VoIP – Voz sobre Protocolo de Internet (Voice over Internet Protocol)
WCDMA – Wideband Code Division Multiple Access
WiFi – Wireless Fidelity
WiMAX – Worldwide Interoperability for Microwave Access
xvi
RESUMEN
El tráfico inalámbrico de datos ha crecido de manera exponencial en los últimos
años, gracias a la nueva generación de terminales móviles (teléfonos inteligentes, tabletas,
computadoras portátiles, etc.), principales responsables que la capacidad demandada haya
aumentado más rápido que los propios avances en eficiencia espectral, volviéndose
necesario buscar soluciones efectivas para este problema.
El concepto de red heterogénea (HetNet) presentado en este documento, involucra
un nuevo paradigma. HetNet es una red que cuenta con nodos de diferentes características
de potencia de transmisión y área de radiofrecuencia. Los nodos de baja y alta potencia
pueden compartir una misma banda de frecuencia (pero habría que tomar en consideración
medidas de interferencia en la red) o trabajar en forma descontinuada para evitar casos de
interferencia.
Los nodos de pequeña área de cobertura de RF están diseñados para complementar
la red macro ya sea en cobertura o a nivel de mejorar el throughput que ofrece, en una
forma económicamente viable por los ahorros en CAPEX y OPEX, que son descritos en el
texto.
El mayor desafío actualmente, de los despliegues HetNet, es la mitigación de la
interferencia entre los terminales y las radiobases, donde es necesario tener controles para
ello. Pero con las ventajas que se obtienen de la implementación de redes heterogéneas,
principalmente en el uplink, se vuelve una solución que deberá ser implementada para
poder seguir incrementando la capacidad de la red al nivel que los usuarios lo demandan.
Un aumento en la capacidad de la red y mejoras sustanciales en el uplink
principalmente, son parte de las características que ofrece este nuevo paradigma en las
redes móviles.
xvii
1. CAPÍTULO 1: Introducción
1.1
Justificación
En la actualidad, los dispositivos inalámbricos resultan ser una parte muy
importante en el diario vivir de las personas. Juegan un rol protagónico no solo como un
medio para mantener comunicación con familiares y amigos; sino también brinda diversas
formas de entretenimiento en línea, es una plataforma fiable y fácil para realizar compras o
transacciones bancarias, y actualmente es uno de los medios informativos y educativos más
importantes. Es claro que los usuarios esperan que el servicio que reciben en sus
dispositivos sea robusto y de alta calidad, independientemente del lugar donde se
encuentren.
El tráfico inalámbrico de datos ha crecido de manera exponencial en los últimos
años, gracias a la nueva generación de terminales móviles (teléfonos inteligentes, tabletas,
computadoras portátiles, etc.), principales responsables que la capacidad demandada haya
aumentado más rápido que los propios avances en eficiencia espectral. Además, mientras el
servicio migra de un modelo centralizado en voz hacia uno centralizado en datos, son más
los clientes que operan en el interior de oficinas y edificios, donde la cobertura ha
representado una problemática importante para los operadores móviles. Se define al
operador de telefonía móvil como una compañía que provee de a los terminales móviles.
Los proveedores de los servicio de banda ancha utilizan una variedad de nuevas
tecnologías con el propósito de cumplir las expectativas de los clientes, y uno de estos
avances es la implementación de arquitecturas de celdas pequeñas (Small Cell) para
mejorar la cobertura, capacidad y potencia de la señal cuando sea necesario; en lugares
tales como áreas públicas o empresariales, sitios que son vulnerables a frecuentes
congestiones en la red.
1
Se ha encontrado que entre el 60% y el 70% del consumo de datos móviles tienen
lugar en sitios residenciales y empresariales [3], donde los usuarios se encuentran en
lugares fijos.
Precisamente, la tecnología microcelda (también conocidas como femtoceldas o
picoceldas, según sea su cobertura) es una solución especialmente diseñada para estos
ambientes, proporcionando gran capacidad y altas velocidades, mientras al mismo tiempo
libera recursos para los usuarios “realmente móviles” que utilizan la red macro.
La arquitectura de red heterogénea o HetNet, es un nuevo paradigma que toma
mucha fuerza en la comunidad de la industria y la investigación. El concepto de HetNet es
mezclar diferentes tipos de tecnología de radio y hacer uso de nodos de baja potencia
(microceldas, picoceldas y femtoceldas inteligentes), trabajando en conjunto con las
macroceldas; de esta manera, permitiendo mejorar la cobertura y la capacidad de la red.
Los macronodos se despliegan de manera planificada para la cobertura general de
zonas urbanas, suburbanas y rurales; mientras los nodos locales complementan la red
macro y se utilizan para mejorar el desempeño de la red en ciertas zonas de alto tráfico
(Hotspots) , dentro de edificios y en otras zonas de cobertura limitada en la red macro.
Según lo anterior, sería interesante volver la mirada hacia estos nuevos desarrollos,
dado que las actuales redes homogéneas convencionales (aquellas redes que poseen nodos
donde la transmisión se realiza con un orden de potencia común, independiente de la
tecnología de acceso) enfrentarían enormes desafíos para dar soluciones eficientes a los
problemas mencionados anteriormente sin existir un cambio en el paradigma. Se conoce
como lightRadio™ a la familia de tecnologías desarrolladas por Bell Labs (organización
I+D de Alcatel-Lucent) donde se implementa la tecnología HetNet a un nivel comercial.
2
El propósito del presente documento es realizar un estudio del estado del arte en
redes heterogéneas y hacer una mención del desarrollo lightRadio™. Se planea exponer
con un enfoque global, las dificultades que presentan las redes de banda ancha móvil y
mostrar la necesidad del cambio en el paradigma de arquitectura de red.
Por la naturaleza de los niveles de red y las características propias de cada una de
las antenas, el trabajo realiza un énfasis especial al concepto de femtoceldas. Pues, como es
explicado en el presente documento, resulta ser el nivel de red que presenta mayores
diferencias con las macroceldas en comparación con los otros niveles que comparten más
características como las microceldas, picoceldas y las metroceldas.
3
1.2
Objetivos
1.2.1
Objetivo general
Realizar una investigación acerca del estado del arte en las redes heterogéneas.
1.2.2
1
Objetivos específicos
Identificar las principales dificultades que experimentan las redes de banda ancha
móvil en la actualidad y señalar la necesidad del desarrollo de nuevas y mejores
tecnologías.
2
Explicar el concepto HetNet y los principales elementos que constituyen esta
arquitectura de red.
3
Analizar los beneficios técnicos que conlleva el uso de esta tecnología.
4
Analizar las limitaciones actuales de estas tecnologías y los desarrollos que se están
implementando para solucionar estos problemas.
5
Presentar la familia de tecnologías lightRadio™ y los responsables de este
desarrollo,
además
de
las
características
de
la
tecnología
y
algunas
implementaciones de relevancia a nivel mundial.
4
1.3
Metodología
La metodología consistió en tres etapas. Primero, al ser un tema muy amplio, fue
necesario hacer una búsqueda de información preliminar sobre algunos de los conceptos
que se manejan actualmente en telecomunicaciones como son, por ejemplo: la topología de
la red de telefonía tanto la fija como móvil en nuestro país, la historia de las diferentes
generaciones de tecnología celular, los parámetros de importancia para determinar la
eficiencia en las redes móviles, entre otros. Para el desarrollo de esta etapa, fue necesario
consultar libros de texto, artículos científicos, proyectos de graduación de años anteriores y
una serie de visitas realizadas a centrales telefónicas del Instituto Costarricense de
Electricidad (ICE)
La segunda etapa, consistió en una extensa recopilación de información sobre las
femtoceldas y las redes heterogéneas; haciendo uso, principalmente, de la base de datos de
la IEEE en artículos científicos. Se realizó un proceso de vigilancia tecnológica (también
conocido como inteligencia competitiva), haciendo uso de páginas web y documentos de
empresas desarrolladores de redes móviles para encontrar una solución comercial, que
involucrara el concepto de red heterogénea como característica principal.
Como última etapa del proyecto, se tiene la formalización del presente informe,
donde se realiza un estudio de un nuevo paradigma de red como son las redes heterogéneas:
principales características, viabilidad económica, y los desafíos que debe enfrentar.
Además, se realizó una presentación de un escenario donde es posible identificar los
principales beneficios de una implementación de esta tecnología.
5
2. CAPÍTULO 2: Desarrollo Teórico
1.1
Redes Homogéneas
2.1.2
Concepto
Según el enfoque que se pretende realizar a una red celular, las redes homogéneas
pueden ser precisadas de diferentes formas, donde las dos definiciones más comunes serían:

Utilizando un criterio de tecnología de acceso, puede definirse una red
homogénea como aquella arquitectura que hace uso exclusivo de una única
tecnología de radio en el acceso, independientemente de la potencia de
transmisión de cada radiobase (RB) que forman la red de un operador.

Mediante un enfoque de potencia de transmisión, puede considerarse una
red homogénea como aquella red que posee nodos donde la transmisión se
realiza con un orden de potencia de común, independiente de la tecnología
de acceso (GSM, 3G, 4G, etc.). En el desarrollo del documento, este será el
enfoque seleccionado a la hora de definir una red homogénea; y para una red
celular convencional, el elemento de red típico es la macrocelda.
En la Fig. 2.1 se presenta una configuración tradicional de red hexagonal de una
red homogénea conformada únicamente por macroceldas. Los puntos son las macro
estaciones base y las líneas definen el área de cobertura de la macrocelda Este modelo es
bastante popular (y se sigue utilizando) por su sencillez para realizar simulaciones y por su
buena aproximación en despliegues bien planificados [3].
6
Figura 2.1 Modelo hexagonal tradicional de un despliegue de red homogénea por
macroceldas [3]
2.1.2
Elementos de red – Macroceldas
2.1.2.1 Características
A la estación base se le conoce como BS o BTS (Base Station o Base Transceiver
Station, por sus siglas en inglés) pero según sea la tecnología de la red de la antena, se le
conoce también con diferentes nombres: NodeB (NB) en las redes 3G y Evolved NodeB
(eNB) en las redes LTE.
7
Figura 2.2 Macroestación base, Central Telefónica en Alajuela
La estación base es el elemento de red que se encarga de gestionar todas las
comunicaciones móviles que se realizan en una zona de cobertura respectiva, conectando
los diferentes terminales móviles a la red. Para lograr una comunicación efectiva, la BS
realiza las siguientes funciones [21]:

Codificar-decodificar, encriptar-desencriptar, multiplexar-demultiplexar las
señales de radiofrecuencia que son enviadas y recibidas desde la antena,
respectivamente.

Transcodificación y adaptación de la tasa de datos.

Sincronización en tiempo y frecuencia de las señales.

Medición de los canales de subida.
8
Además de las antenas, las radiobases cuentan con una serie de elementos instalados
para garantizar su buen funcionamiento. Se dividen como elementos de funcionalidad
técnica y elementos de infraestructura y son descritos en la Tabla 2.1.
Tabla 2.1 Elementos de funcionalidad técnica y elementos de infraestructura [25]
Elementos de funcionalidad técnica
1.
Sistemas radiantes (antenas)
Elementos de infraestructura
1.
Caseta de instalaciones. Su objetivo es proteger el
resto de elementos de la intemperie
2.
Cableado de transporte de las señales RF
2.
Sistema de alarmas anti-intrusión y anti-incendios
3.
Equipos de generación de señales RF
3.
Suministro de fluido eléctrico de los equipos
4.
Equipos de recepción de señales RF
4.
Sistemas de refrigeración.
5.
Equipos de proceso y control de señales recibidas y
5.
Línea de tierra que sitúa a potencial 0 la estructura
transmitidas
6.
Elementos que enlazan la estación base y los centros
metálica
6.
Sistema de soporte para la conducción de cables
de conmutación de la red troncal fija. Pueden ser, una
desde los sistemas radiantes hasta la caseta y un
línea cableada punto a punto o bien una antena
Sistemas de soporte de los elementos radiantes
adicional (acostumbra ser un reflector parabólico)
9
Figura 2.3 Elementos de funcionalidad técnica y elementos de infraestructura en una
radiobase típica [25]
2.1.2.1 Modelo de consumo de potencia
En las redes de telecomunicaciones móviles, son las radiobases las mayores
consumidoras del recurso energético total del sistema. Por lo tanto, desarrollar soluciones
que posibiliten reducir la demanda eléctrica en las estaciones base, supondrá una
decremento importante en la energía total consumida dentro del sistema.
Para efectos demostrativos, se realiza una aproximación utilizando un modelo lineal
simple de la eficiencia de una radiobase [8]. En la Fig. 2.4 se muestra dicho modelo, donde
se presenta la potencia de entrada Pin que es consumida para obtener cierta potencia de
salida Pout en la antena. Basados en los índices de consumo de potencia en los radio nodos
[7], este modelo determina la eficiencia Pout/Pin. Es posible observar que a medida que
decrece la potencia de salida Pout, el sistema se vuelve progresivamente más ineficiente.
10
En el punto crítico donde la potencia de salida de la radiobase es nula, la gráfica
muestra que la potencia de entrada no lo es así, pues el sistema sigue consumiendo energía
en forma considerable durante el tiempo donde la radiobase no se encuentra emitiendo. El
modelo convencional sin tomar en cuenta la fuente de alimentación y un sistema de
enfriamiento/aire acondicionado puede reducir en alrededor de 400W el consumo total de
potencia en el sitio.
En transmisiones discontinuas (DTX), la potencia requerida en la entrada puede ser
significativamente reducida en aquellas estaciones base que traen incorporados un modo de
suspensión (Sleep Mode). Además, con la introducción de mejoras tecnológicas y de
mejores prácticas, en temas de ahorro de energía en amplificadores de potencia y en otros
componentes de la radiobase, se permite mejorar la eficiencia del nodo, todo esto también
es evaluado y presentado en la gráfica de la Fig. 2.4.
Figura 2.4 Aproximación lineal que relaciona la potencia de entrada y salida en una
radiobase típica [8]
11
En la Fig. 2.5 se muestra una distribución típica del consumo de potencia en una
macroestación base. Se puede notar que gran parte de la potencia consumida corresponde al
amplificador de potencia de la radiobase debido a la importancia de brindar cobertura
adecuada a terminales distantes. Sin embargo, la eficiencia del amplificador de poder es
muy pobre, y se degrada aún más ante situaciones de mediana o baja carga. Esta es la razón
principal del por qué el consumo de potencia en las redes celulares, es hasta cierto punto,
independiente de la carga de tráfico [8].
Es por eso que se deben desarrollar estrategias de ahorro energético en los nodos,
donde sea posible una adaptación según sea las cargas de tráfico. El introducir escalabilidad
en componentes del hardware y dar soporte mediante una gestión dinámica de potencia,
permitiría disminuir los valores en el consumo de energía, logrando mejoras en eficiencia.
Apagar componentes durante períodos de no operación, como en las DTX, es otra medida
que debe tomarse en cuenta.
Figura 2.5 Distribución típica de consumo de potencia de un macro RAE [8]
12
2.2
Redes Heterogéneas
2.2.1
Concepto
La eficiencia espectral en enlaces punto a punto en redes celulares está llegando a su
límite teórico en un momento donde el crecimiento del tráfico se incrementa en una manera
vertiginosa. Existe una necesidad de mejorar la densidad a nivel de nodos con el fin de
mejorar la capacidad de la red.
En un despliegue escaso en macro estaciones base, añadir otro nodo no incrementa
severamente la interferencia entre celdas y resulta sencillo densificar la zona. Sin embargo,
en despliegues que ya presenten alta densidad, densificar podría verse limitado por una alta
interferencia entre celdas. Además, los macronodos de alta potencia terminan representando
un CAPEX muy elevado, siendo necesario buscar otras opciones.
Muchos de los desafíos involucrados con la capacidad de la red y la tasa de
transferencia de datos, pueden ser solucionados con el empleo de estaciones base con
menor potencia de transmisión que complemente una red actual macro, permitiendo seguir
el comportamiento oferta/demanda.
Estos nodos de baja potencia se clasifican en femto y pico nodos, y en despliegues
en exteriores, la potencia de transmisión varía entre 250 mW y aproximadamente los 2 W.
Mientras que las radiobases tradicionales transmiten a una potencia entre los 5 W y los 40
W, siendo necesario considerar un equipo de aire acondicionado para el amplificador de
potencia en el caso de los macronodos [23].
Las femto estaciones base, también conocidas como Home Base Station (HBS), por
su potencia de transmisión están diseñadas para un uso en interiores y posee un área de
cobertura bastante reducida, respecto al de la picocelda. Su potencia de transmisión
corresponde a 100mW o menos.
13
La mezcla de diferentes tipos de tecnología de radio y el uso de macroceldas junto a
nodos de baja potencia, trabajando en conjunto y sin problemas, se conoce como redes
heterogéneas o HetNet. En la Fig 2.6 se presenta una topología de redes heterogéneas
utilizando una mezcla de nodos de alta potencia (los macronodos) y nodos de baja potencia.
Figura 2.6 Despliegue de red heterogénea [8]
Actualmente el tema de femtoceldas ha resultado un tema muy novedoso y de gran
importancia para futuras implementaciones en redes móviles, donde puede encontrarse gran
cantidad de bibliografía. Este desarrollo además de estar orientado a aumentar la capacidad
y la velocidad de transferencia en la red, también está pensado para disminuir costos.
En [2] demuestran que en zonas urbanas, una combinación de femtoceldas de
acceso público y macroceldas desplegadas por un operador dentro de un área de cobertura
de manera planificada, puede resultar en reducciones significativas (hasta un 70% en el
escenario estudiado) del total anual de costos de red comparados a un despliegue celular
por macroceldas únicamente.
14
2.2.2
Elementos de red – Microceldas, Picoceldas, Metroceldas, Femtoceldas
Los desarrollos por femtoceldas en los sistemas móviles, representan una forma
relativamente económica y de baja potencia para mejorar el servicio de telefonía móvil de
voz y datos. Tienen otra particularidad interesante, como es el hecho que son desplegadas
generalmente por los propios usuarios, utilizando sus propias redes de retorno (backhaul), y
no por los operadores de telefonía móvil.
Los despliegues de redes heterogéneas se identifican por su corto rango de
cobertura, pero un alto throughput. Pero para que el sistema pueda ser eficiente, cada uno
de los nodos de baja potencia que constituyen femto o picoceldas, se caracterizan por su
capacidad de interactuar con todas las capas de la red celular tradicional, realizando tareas
como el handoff, manejo de interferencia, facturación y autentificación.
Originalmente pensada para mejorar la calidad de la señal en casas de habitaciones,
ahora representa una manera costo-efectiva para descargar el tráfico de datos de la red
macro. Para inicio del 2011, se estima que 2.3 millones de femtoceldas fueron desplegadas
a nivel global, y se espera que los puntos de acceso globales (entre todas las tecnologías de
celdas complementarias, incluyendo las femtoceldas) lleguen a 60 millones para el 2015
[12]. Se espera que las femtoceldas, junto a tecnologías inalámbricas como el WiFi, lleguen
a manejar más del 60% del tráfico global de datos para el 2015.
En la Fig 2.7 se muestra la predicción del número de puntos de acceso de celdas
pequeñas (Small Cells) a nivel global, y es importante señalar el rol protagónico que juegan
las femtoceldas en los despliegues de redes heterogéneas, muy por encima que los otros
despliegues, una de las razones por la cual el texto otorga en ciertos apartados más
profundización a este nivel de la red.
15
Figura 2.7 Predicciones de puntos de acceso globales de Small Cells 2011-2016, por
categoría [12]
En el siguiente capítulo de este texto, se profundizará más en las redes
heterogéneas, sus elementos de red, características de la arquitectura y los principales
desafíos para su implementación.
16
3. CAPÍTULO 3: Estudio de las Redes Heterogéneas
3.1
Justificación del desarrollo de redes heterogéneas
Hay muchas maneras en que un operador puede satisfacer las demandas de sus
suscriptores de un mayor ancho de banda. Es posible lograrlo mediante mejoras en la
capacidad de procesamiento de señales, la aplicación de antenas inteligentes o tecnologías
MIMO y mejorando los mecanismos de acceso y los procedimientos de planificación. De
forma alternativa, existen maneras más prácticas y simples como la sectorización de celdas
y reducción en el tamaño de ellas, soluciones que han sido las seleccionadas como caminos
para la mejora y la evolución en las redes móviles [2].
Utilizar despliegues basados en tecnología de nodos de baja potencia en redes
heterogéneas permite obtener beneficios tanto desde el punto de vista del operador como
desde la perspectiva del suscriptor del servicio.
3.1.1
Perspectiva del operador
Encuestas muestran que una mala calidad del servicio es la principal razón para que
un cliente finalice un contrato con un operador de telefonía móvil. La implementación de
redes heterogéneas supone una solución de bajo costo para incrementar la cobertura en
interiores y optimizar la cobertura en exteriores, al migrar usuarios de una red macro
congestionada en los nodos de baja potencia con una disponibilidad de canales, logrando
así mejorar la calidad del servicio en forma general [1].
17
Para un operador es importante mejorar el servicio que ofrece, pues aumentará la
lealtad en sus clientes, disminuyendo la tasa de deserción o Churn Rate. El Churn Rate, es
un indicador de la salud de los abonados de una empresa de redes móviles. Representa el
porcentaje de suscriptores que dejan de utilizar los servicios que brinda una compañía por
una razón u otra en un plazo determinado [32].
Es posible que las compañías telefónicas obtengan ahorros importantes al disminuir
los gastos de capital (CAPEX) que involucran sus redes de acceso, mediante una
disminución del número de macroceldas necesarias al ser cambiadas por celdas de menor
potencia. Al “drenar” una gran cantidad del tráfico (hasta un 70-80%) de una macrocelda
en las micro/pico/femtoceldas, el ahorro será también importante para el operador en
cuanto a sus gastos de funcionamiento (OPEX) [1].
Al existir menos sitios de estaciones base para la red macro, se ahorrará gran
cantidad de dinero por concepto de renta por el uso de la antena o por el terreno donde se
encuentra ubicada, sumado a las dificultades que enfrentan las operadoras para conseguir la
ubicación y los permisos correspondientes para la construcción de nuevos sitios,
principalmente en zonas urbanas.
Los nodos de baja potencia, en especial los femtonodos, son soluciones
económicamente accesibles para mejorar la escalabilidad de la red, sin la necesidad de
asumir riesgos financieros importantes. En primer lugar, debido a que las femtoceldas son
soluciones para brindar cobertura en interiores con un menor costo que otros desarrollos; y
en segundo lugar, la utilización de femtoceldas permite compartir los costos de instalación,
operación y mantenimiento de los puntos de acceso, entre el cliente y el operador.
Entre las desventajas para los operadores se tiene que la interferencia en la red será
más aleatoria y más difícil de controlar, y es un problema particularmente con las redes
basadas en CDMA como la UMTS.
18
Para poder mejorar la capacidad de la red, resulta beneficioso para el operador que
los diferentes tipos de celdas, utilicen la misma banda de frecuencia de operación. Lo
aleatorio en la interferencia puede producir agujeros en la cobertura y dado que las redes
CDMA son limitadas por interferencia, el desempeño de la macrocelda puede verse
afectado si no hay un control efectivo de la interferencia por parte de la femtocelda. El
operador deberá prestar atención y tomar medidas de mantenimiento necesarias.
3.1.2
Perspectiva del suscriptor
Los beneficios para los usuarios son considerables, pues en aquellos lugares en
interiores donde la cobertura macro resulte ineficiente, mediante femtoceldas es posible
garantizar la cobertura, con un servicio de voz, multimedia y datos de alta velocidad.
Los usuarios podrán obtener una convergencia entre los servicios que accedan desde
su casa u oficina y tendrían la posibilidad que otros dispositivos domésticos se encuentren
comunicados entre ellos disponiendo de un acceso a Internet [24].
Otra de las ventajas que tiene el usuario es el ahorro de energía debido a que la
distancia entre UE y el punto de acceso del nodo de baja potencia es menor que la UE con
el nodo de la macrocelda, disminuyendo la potencia necesaria en el enlace de subida (UL).
Es importante señalar que han existido muchos cuestionamientos sobre las
implicaciones negativas sobre la salud del uso de los celulares. Estas preocupaciones
deberían reducirse proporcionalmente al aumento de la proximidad entre punto de acceso
de baja potencia
y el equipo de usuario, debido a que estas controversias ocurren
principalmente en el UL (donde el terminal se encuentra muy próximo al usuario), en el
cual podría presentarse una potencia durante el UL menor a las existentes en estos
momentos con las redes macro convencionales.
19
3.1.2.1 Convergencia de servicios
La convergencia hace referencia a la confluencia, dentro de la infraestructura de un
mismo proveedor de telecomunicaciones, de servicios que hace un tiempo se consideraban
como independientes y eran suministrados por distintos operadores. Los servicios que
coinciden en este enfoque son el servicio telefónico, el servicio de televisión por
suscripción y los servicios de Internet. A esta convergencia se le conoce también como
triple play (voz, televisión, datos).
Figura 3.1 Tecnología Triple Play [29]
20
Se pueden mencionar algunos de los beneficios para los usuarios gracias a la
convergencia de servicios:

Servicios facturados en un único recibo de pago.

Trato con un único proveedor de telecomunicaciones.

Posibilidad de adquirir planes a mejores precios al estar incluyendo varios
servicios de manera simultánea.

Facilidad para integrar nuevos servicios y tecnologías dentro de una misma
plataforma de comunicaciones
Es posible no limitarse únicamente con triple play, pues con la utilización de los
puntos de acceso por femtocelda (FAP), es posible complementar los servicios de telefonía,
datos y televisión con un servicio de telefonía móvil, resaltando el enfoque, por parte de las
empresas que pretendan dar estos servicios, en aumentar el ancho de banda para mejorar la
capacidad de datos y la velocidad de transmisión de la información en sus redes. Se le
conoce como cuádruple play, al hacer distinción entre la telefonía fija y la móvil
La inclusión de múltiples servicios dentro de las redes como el video por demanda
(VoD), los videojuegos, la música digital, la televisión digital, televisión digital de alta
definición (HDTV), la televisión sobre el protocolo IP (IPTV) y otros servicios digitales de
avanzada, han creado el término de multiple play en el argot reciente de las
telecomunicaciones, haciendo espacio a posibles nuevos desarrollos en los mercados [24].
21
3.1.2.2 Salud y consideraciones sobre las señales de radiofrecuencia
Es importante hacer una breve reseña de los cuestionamientos a las señales de
radiofrecuencia, que al estar las personas expuestas a ellas, podrían conllevar consecuencias
negativas en la salud. Existen textos como el presentado por FemtoForum para intentar
reducir la paranoia que puede existir en cuanto al uso de estas tecnologías y que podría
considerarse como una limitante para el avance de estos despliegues [36].
Se han hecho muchas investigaciones para conocer la relación existente entre la
exposición a la radiación por RF y algunas enfermedades como el cáncer. Se ha demostrado
que altas dosis de ondas de radio pueden incrementar la temperatura de las células del
cuerpo y los tejidos. Sin embargo, esto ya ha sido legislado y según la ley, no existe ningún
riesgo de este tipo al manejarse amplitudes de RF muy bajas donde no se han relacionado
enfermedades o complicaciones con estos leves incrementos en la temperatura.
Para elevar la temperatura en los tejidos en un grado Celsius, son necesarias
amplitudes extremadamente altas, y ya existen niveles máximos establecidos para estas
radiaciones, permitiendo aseverar la seguridad de los usuarios, si se respetan dichas leyes.
La Comisión Internacional de Protección contra las Radiaciones No Ionizantes o
ICNIRP (Interational Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) es una
organización responsable de fijar los límites de la radiación no ionizante (NIR). El NIR
corresponde a la radiación RF máxima autorizada generada por los transmisores de RF.
Según ICNIRP [17], el límite NIR para el rango de frecuencias entre 2 GHz – 300
GHz, para propósitos generales, está definido por una densidad de potencia de 10 W/m 2;
rango que ha sido validado por la Organización Mundial de la Salud (OMS) y es usado en
la mayoría de países. Los límites cambian según la tecnología de radio y según la banda de
frecuencia de operación. Como ejemplo, en la siguiente tabla se hace una comparación
entre estos límites, para propósitos generales.
22
Tabla 3.1 Densidad de potencia como límite legal de radiación [26]
Tecnología de Radio
Límite en [V/m]
2
Límite en [mW/cm ]
2
Límite en [W/m ]
Sistema GSM 900 MHz
41
0.45
4.5
Sistema UMTS 2000 MHz
61
1
10
Regresando al caso de los nodos de baja potencia, tanto los puntos de acceso WiFi
como en los puntos de acceso por femtocelda (FAP), tienen un máximo de potencia radiada
de 0.1W. Con dicho valor, se obtiene una densidad de potencia del FAP de 1.3 W/m 2, en
una distancia muy corta (10cm) en la dirección de máxima radiación, obteniendo un valor
de aproximadamente ocho veces menor que el valor límite NIR.
Como el valor de la densidad de potencia es inversamente proporcional al cuadrado
de la distancia del foco de emisión, es fácil suponer que un usuario normal en una
femtocelda estará a una distancia mucho mayor al FAP que 10cm, por lo tanto la radiación
RF será mucho menor al límite ICNIRP. Por esta misma razón es que hay más radiación en
el UL que en el DL, pero los terminales móviles están diseñados para cumplir estos valores.
23
3.2
Un poco de historia sobre las femtoceldas
3.2.1
Orígenes
Hace alrededor de tres décadas que se manejaba la idea de una “small cell”. Se
utilizaba para describir como una macrocelda (con un diámetro en el orden de los
kilómetros) se podía dividir en otras celdas más pequeñas con menor potencia de
transmisión, lo que ahora conocemos como microceldas (radio de algunos cientos de
metros).
Paralelamente a este desarrollo, se investigaron acerca de las repetidoras de celular,
que estaban pensadas en mejorar la señal en zonas de donde la calidad era pobre, y
permitían reducir costos al no requerir de un backhaul alambrado. Sin embargo, la
reutilización del espectro licenciado para el backhaul limitaba el throughput que se podía
conseguir, por lo tanto no representó una solución efectiva.
En los años noventa, cuando la penetración de la red macro era insuficiente para
proveer de una conexión confiable en ciertos lugares o en zonas donde la red macro se
encontraba saturada, se empezó a utilizar el precursor de las actuales picoceldas. Consistía
en una versión de menor escala que una macro estación base, con una cobertura de unas
decenas de metros hasta los cien metros aproximadamente.
En estos años también se realizaron los predecesores de las actuales femtoceldas, a
cargo de Southwest Bell y Panasonic quienes generaron una solución de celdas pequeñas
que reutilizaban el mismo espectro que las macroceldas y con un backhaul guiado del tipo
T1 o PSTN [3]. Sin embargo, por deficiencias en la integración el costo que representaba
realizar estos despliegues era mucho mayor que los beneficios que se obtendrían de su
implementación, por lo tanto era económicamente no viable.
24
Este concepto tomó forma, denominándose estación base pequeña o “home base
station” y para el año 2002 ya Motorola había anunciado su primer producto 3G de este
tipo. Sin embargo, fue hasta el 2005 que home base station tomó mayor aceptación en el
sector. Para 2006, el término cambia por femtocelda, durante el Congreso Internacional
3GSM en Barcelona, donde los operadores anuncian ensayos [1].
En julio del 2007, se funda el Femto Forum (ahora, Small Cell Forum) con el
objetivo de promover el despliegue de esta tecnología y una estandarización a nivel
mundial. Para diciembre de ese año, el grupo ya incluía a más de 100 empresas del sector
de telecomunicaciones. En el 2008, se introducen el Home NodeB (HNB) y el Home
eNodeB (HeNB) en 3GPP Release 8 [33].
3.2.2
Nacimiento de las femtoceldas modernas
Lo que caracteriza a las femtoceldas es su autonomía y su capacidad auto
adaptativa. Tal vez, la necesidad de estas nuevas tecnologías de nodos pequeños no sea por
el hecho de contar con una mayor cobertura, sino para cubrir las limitaciones de capacidad
en el sistema. La manera más factible de mejorar el rendimiento de capacidad en la red,
consiste en reducir el tamaño de la celda y de este modo reutilizar de mejor manera el
recurso espectral.
Actualmente, debido a la exigencia por cumplir con la demanda de datos, las
femtoceldas se han convertido en soluciones de bajo costo; y se volverán más accesibles
sumado al hecho que gracias a los desarrollos 4G en telefonía móvil, que
utilizan
estándares como la multiplexación por división de frecuencias ortogonales (OFDMA) y
estándares IP, se logra proporcionar una mejor plataforma para el desarrollo en femtoceldas
que en las redes 3G CDMA (problema cercanía-lejanía) [3].
25
Hoy en día, las capacidades avanzadas de autogestión y auto optimización que
deben tener estos despliegues han permitido sean de fácil instalación para el usuario final,
por tener características plug-and-play. La capacidad de integrarse a la red macro existente,
es una de las principales razones que esta tecnología haya tenido aceptación y haya
despertado el interés de redes heterogéneas en el sector.
3.3
Definiciones de los niveles - ¿Micro, Metro, Pico, Femto?
El mercado de las Small Cells es bastante nuevo y dinámico, lo que conlleva a
cometer inconsistencias a la hora de nombrar una u otra tecnología según sea la cobertura.
A grandes rasgos es posible decir que el rango típico de una microcelda es menor a 2
kilómetros de radio, una picocelda tiene un radio de 200 metros o menos, mientras que una
femtocelda estaría en el orden de los 10 metros. Se menciona un ejemplo de este tipo de
confusiones como lo es AT&T que comercializa su producto 3G MicroCell, teniendo este
un rango de cobertura de apenas 12 metros (40 pies) [35], lo que lo convierte en realidad en
una solución por femtoceldas siguiendo el criterio de cobertura antes mencionado.
Se introducen los conceptos de femtoceldas empresariales y metroceldas. Las
femtoceldas empresariales, con nodos de mayor potencia respecto a las femtoceldas, y con
un aumento en cobertura y en número de canales. Las metroceldas son similares a las
picoceldas, pero estas metroceldas tienen la característica que se utilizan en zonas urbanas y
en exteriores únicamente. Las primeras, las femto empresariales, son desplegadas por
usuarios residenciales o comerciales; mientras que las segundas son desplegadas por los
operadores de telefonía móvil.
Además existen otras características que permiten diferenciar entre las tecnologías
femtoceldas, femtoceldas empresariales, picoceldas y metroceldas. Se mencionan las más
cinco más determinantes [28]:
26

Capacidad de usuarios: Se diferencian en el número de usuarios que se pueden
conectar a la antena. Es una manera sencilla de diferenciarlas, pues las femtoceldas
están orientadas a un uso residencial (entre 4 y 8 usuarios) y las femtoceldas
empresariales admiten más usuarios (entre 16 y 32 usuarios). Las picoceldas y las
metroceldas fueron diseñadas para ser desplegadas en zonas de mayor tránsito de
personas y presentan una mayor capacidad (entre 32 y 63 usuarios, o más).

Capacidad de autoconfiguración: Las femtoceldas y las femtoceldas empresariales
tienen la característica de estar equipadas con módulos de autogestión. Las
picoceldas y las metroceldas pueden tener esa característica realizándose en forma
automática, tener una configuración manual, o ser un híbrido dependiendo de
circunstancias específicas de la red y según sea diseñado por el operador.

Capacidad de handoff: Las picoceldas deben ser capaces de realizar soft handoff y
hard handoff con la macrocelda para garantizar la continuidad del servicio. En el
caso de las femtoceldas empresariales es importante cuenten con la capacidad de
conectarse entre dispositivos similares para mejorar la escalabilidad de la red. Por
último, las femtoceldas deben ser capaces de complementarse con las macrored,
pero ellas no se encargan de realizar un handoff con otras femtoceldas.

Potencia de salida: En sus antenas, las femtoceldas están en el orden de los 20 mW,
las femto empresariales pueden alcanzar potencias de salida de hasta 200 mW y las
picoceldas pueden estar entre los 250 mW y los 2 W.

Ubicación: Las características mencionadas anteriormente permiten mejorar la
efectividad costo-beneficio en diferentes escenarios utilizando las soluciones que
más sean convenientes. Las femtoceldas y las femtoceldas empresariales son
generalmente redes privadas y son utilizadas en zonas residenciales u oficinas,
respectivamente. Las picoceldas son instaladas en zonas públicas amplias en
interiores o en exteriores donde los nodos son protegidos por un gabinete. Las
metroceldas son instaladas exclusivamente como exteriores en áreas metropolitanas.
27
En la Tabla 3.2 se realiza un resumen de estas diferencias:
Tabla 3.2 Diferencias entre los distintos despliegues de Small Cells [28]
Femtocelda
Femtocelda
Picocelda
Metrocelda
Empesarial
Capacidad
4-8 canales
16-32 canales
32-64 canales
32-64 canales
Configuración
Automática
Automática
Automática/Manual
Automática/Manual
Handoff
Hard
Soft, Hard
Soft, Hard
Soft, Hard
Potencia de salida
20 mW
200 mW
250 mW – 2 W
250 mW – 2 W
Ubicación
Interiores
Interiores
Interiores/Exteriores
Exteriores
28
3.4
Beneficios económicos de un despliegue combinando macro y
femtoceldas
Queda pendiente determinar si un cambio radical en el paradigma de las redes
celulares, además de aportar beneficios en la calidad del servicio (QoS), conllevaría
también en ahorros económicos en los gastos de capital (CAPEX) y en los gastos
operativos (OPEX) para los operadores.
Como se ha mencionado, las redes heterogéneas resultan ser adecuadas para dar
cobertura en zonas urbanas, donde hay presencia de muchos clientes y la demanda en
servicios es mayor. Por lo tanto, en zonas donde existan pocos usuarios o en aquellas zonas
donde la cuota de mercado de un operador sea muy baja, dicho despliegue no aportaría los
beneficios económicos esperados. Es evidente que las expectativas de los operadores se
centrarían en aquellas zonas que sean más rentables, como son los “hotspots” y las zonas
empresariales y comerciales.
Para mejorar el QoS y los indicadores CAPEX y OPEX de los operadores, las
estaciones base pequeñas o Home Base Station (HBS), deberán tener capacidades de
autoconfiguración y soporte plug-and-play para la sencillez de sus despliegues. La línea de
internet cableada del usuario sería la línea de retorno o backhaul para la HBS. A
continuación se hace un pequeño resumen del artículo [2] de Claussen et al., donde se
presenta un escenario de redes heterogéneas combinando macro y femtoceldas, realizando
un análisis de los beneficios económicos potenciales para los operadores de redes móviles.
29
3.4.1
Escenario de estudio
El análisis en [2] se realiza un estudio en una zona urbana en Wellington, Nueva
Zelanda, de un área urbana de 100 km2 utilizando muestras de datos reales para un operador
con una cuota de mercado del 40%. Se realiza una distribución aleatoria de las femtoceldas
y se asume una población total de 200 000 personas (con un 95% de usuarios móviles) y
una cantidad de 65 000 casas. Se tomó en cuenta un uso en el servicio de voz por usuario
de 740 minutos mensuales con una duración de llamada promedio de 3 minutos.
3.4.2
Modelos económicos
Los modelos económicos que se utilizan para la macrocelda y para la Femtocelda
tienen como finalidad buscar las diferencias comparativas que poseen ambos modelos, por
lo tanto no se toman en cuenta rubros que son comunes en ambos modelos (facturación y
casos por morosidad) [2].
3.4.2.1 Modelo económico para la macrocelda
El gasto de capital (CAPEX) se calcula como la suma de los costos del equipo de
red macro y su respectiva instalación. El gasto operativo (OPEX) se puede dividir en
costos relacionados con la red y los no relacionados con la red (como son el servicio al
cliente y la facturación). Solamente se utilizaron los costos relacionados con la red para el
desarrollo de un modelo económico con el objetivo de ofrecer una comparación entre los
costos relacionados con la red. En un esquema de red macro, el operador asume todos los
costos para brindar la cobertura que su servicio requiere.
30
Para el OPEX en el despliegue de una macrocelda, los gastos relacionados en la red
pueden dividirse, generalmente, en tres formas:

Costos en el mantenimiento de los equipos (mejoras en infraestructura,
mejoras en el software y en el hardware)

Costos para la operación del sitio (electricidad y alquiler)

Costos del backhaul
3.4.2.2 Modelo económico para la femtocelda
Al estar el punto de acceso de la femtocelda próximo a los usuarios, se presenta un
binomio entre el operador-cliente en la hora de la adquisición, la instalación, la operación y
el mantenimiento del punto de acceso. En los despliegues por femtoceldas, resulta común
los acuerdos comerciales ente el usuario final y el operador, por lo que es posible tener
diversos escenarios económicos para un operador.
En el CAPEX, los costos del HBS pueden ser compartidos con el usuario final,
disminuyendo los costos para el operador. Además, una de las prestaciones que caracteriza
a las femtoceldas, la autoconfiguración, ayudaría a disminuir los costos de la instalación de
los equipos. Otra ventaja para los operadores es el hecho que el servicio de banda ancha del
propio usuario funciona como backhaul para las femtoceldas [2].
Sumado a esto, configurando la femtocelda como un Grupo de Suscriptor Abierto
(OSG), es posible dar cobertura a otros usuarios que no pertenezcan a la femtocelda, sin
degradar el QoS esperado por los dueños del punto de acceso. Para estimular a los usuarios
a adquirir HBS, sería posible hacer una retribución proporcional al tráfico externo que
recibe la femtocelda.
31
En resumen, resulta beneficioso para el operador realizar despliegues por
femtoceldas por la reducción (o incluso eliminación) de costos importantes como es la
adquisición de sitios para colocar las RB y costos involucrados en el backhaul [2].
Un ejemplo de un acuerdo comercial usuario-operador son las llamadas gratuitas o
la reducción en el costo de las llamadas efectuadas por el usuario dentro de su femtocelda.
Otro ejemplo de acuerdo comercial, y que es el asumido dentro del análisis, son los puntos
de acceso que facilitados en forma gratuita por parte del operador.
3.4.3
Resultados del estudio
En la Fig. 3.2, se muestra un gráfico que relaciona la cobertura de usuarios que son
cubiertos por las femtoceldas contra un porcentaje de usuarios con sus propias femtoceldas
instaladas. En el estudio toman los datos para un operador con un 40% de cuota de mercado
y extrapolan para obtener diversos escenarios y conclusiones importantes.
Mediante la Fig. 3.2, es posible inferir que incluso con una fracción pequeña de
femtoceldas o HBS instaladas, se logran importantes avances en la cobertura que los nodos
de baja potencia ofrecen a los usuarios de la red macro. Por ejemplo, en un escenario de
una cuota de mercado del 40%, con un 20% de femtoceldas instaladas, es posible dar
cobertura al 80% de los usuarios de la red macro y si se alcanza un 40% en el número de
femtoceldas instaladas, se está en la capacidad de dar cobertura a un 90% del total de
usuarios.
32
Ahora bien, si la participación en el mercado de un operador disminuye, la fracción
de usuarios que obtienen cobertura ante un mismo número de femtoceldas instaladas, se
reduce en forma proporcional. Por lo tanto, resulta más beneficiosos estos despliegues entre
más cuota de mercado un operador tenga; sin embargo, no quiere decir que un operador que
presente poca participación no encuentre utilidad en estos despliegues, pues por ejemplo en
un escenario de 10% de participación en el mercado, es posible conseguir una cobertura del
70% del total de usuarios en las condiciones con un 40% de las HBS instaladas.
Figura 3.2 Cobertura de usuarios por las femtoceldas contra el porcentaje de
femtoceldas instaladas, para diferentes cuotas de mercado [2]
33
En la Fig. 3.3 se tiene un desglose de los costos anuales en la red, para un operador
con una cuota de mercado del 40% y 64 usuarios activos por macrocelda. Se muestra que
para las HBS, el OPEX es ligeramente mayor que los CAPEX; a diferencia de las redes
macro, donde el OPEX es prácticamente la totalidad de los costos anuales.
La gráfica muestra un comportamiento de rápido decrecimiento en los costos de red
macro como consecuencia de la participación en la cobertura por parte de las femtoceldas,
incluso con una fracción muy pequeña de HBS instaladas. A partir de esta gráfica, es
posible notar el efecto significativo en los costos de red y los beneficios económicos que
aportan los despliegues HetNet. Los costos totales son mínimos en el caso donde hay
aproximadamente un 30% de los usuarios con una HBS instalada.
Figura 3.3 Costos anuales en la red para un operador con una cuota de mercado del
40% y con 64 usuarios por macrocelda [2]
34
La Fig. 3.4 muestra la relación entre los costos anuales en la red y el número de
usuarios activos por macrocelda. Los costos disminuyen considerablemente a medida que
aumenta el número de usuarios en la macrocelda. Por lo tanto, los despliegues con
femtoceldas en zonas urbanas reducirán los costos anuales de red en una forma
significativa.
En la gráfica también se muestra que la fracción óptima de HBS instaladas varía
entre un 10% y un 60% dependiendo del número de usuarios soportados en forma
simultánea por la macrocelda.
Figura 3.4 Costos anuales en la red para un operador con una cuota de mercado del
40% ante diferentes cantidades de usuario por macrocelda [2]
35
3.5
Características de la red
3.5.1
Estandarización de las femtoceldas
El Small Cell Forum (originalmente Femto Forum, fundada en el 2007), es una
organización sin fines de lucro que da soporte y promueve la adopción de las tecnologías
Small Cell para mejorar cobertura, capacidad, y servicios en las redes móviles a nivel
global. Orienta una estandarización de aspectos claves en estas tecnologías alrededor del
mundo, además de realizar mercadeo y publicidad de estas soluciones. [33].
3.5.2
Modelos en el Uplink y en el Downlink
Tener modelos precisos de la red y de los canales inalámbricos es fundamental para
el desarrollo de estándares y permite evaluar las soluciones a las dificultades que plantean
los sistemas inalámbricos [3].
3.5.2.1 Modelamiento Macrocelular
1. Modelamiento a nivel de enlace: Los modelos de canal inalámbricos
dependen de muchos factores como son el medio de propagación, el rango,
la frecuencia de la portadora, la ubicación de la antena y el tipo de antena.
Dado que las femtoceldas solamente coinciden con la categoría de la
frecuencia de la portadora, es posible asumir que el comportamiento de los
canales para la femtocelda será diferente a los canales celulares, teniendo un
comportamiento muy similar al WiFi.
36
2. Modelamiento a nivel del sistema: El considerar múltiples usuarios de
utilizando la red de manera simultánea, vuelve más complicado los modelos
a nivel del sistema. Es común y aceptado utilizar el modelo de malla
hexagonal (Figura 2.1) para propósitos de diseño, permitiendo realizar
simulaciones y resulta ser un modelo bastante aproximado para los
despliegues planificados. Una forma alternativa, pero actualmente menos
popular, es un modelo con una disposición aleatoria de las radio bases.
En la Fig. 3.5, (a) muestra una configuración verdadera de las actuales redes 4G y
(b) presenta un modelamiento aleatorio de radiobases. Es apreciable la similitud entre (a) y
(b), a diferencia del modelo hexagonal tradicional de la Fig. 2.1. La ventaja de la utilización
de un modelamiento aleatorio de las radiobases es el hecho que permite, en una forma
natural, integrar todos los elementos que constituyen una red heterogénea.
(a)
(b)
Figura 3.5 Comparación entre una red macrocelular 4G actual y un modelamiento
aleatorio de las radiobases [3]
37
3.5.2.2 Control de acceso en la femtocelda
En un Grupo de Suscriptor Abierto (OSG) no existen restricciones a la hora de
utilizar la femtocelda, mientras que en un Grupo de Suscriptor Cerrado (CSG) únicamente
pueden accederla aquellos usuarios previamente registrados (una fracción mínima del total
de usuarios de la macrocelda). Existen estrategias híbridas donde se da libertad de acceso
únicamente a un cierto número de usuarios no registrados, mientras que las siguientes
solicitudes de acceso serán negadas; o bien un modelo donde prioriza a los usuarios
registrados, mientras que los no registrados poseen recursos limitados [1].
Se podría esperar que si un usuario configura su femtocelda como un OSG, podría
esperar que su calidad del servicio resulte degradada, pero de hecho esto generalmente no
pasa, y en el UL para CDMA en particular, el desempeño de la femtocelda es mucho mejor
para el usuario residencial con OSG, pues los interferentes fuertes son traspasados,
atenuando los problemas por cercanía-lejanía [13].
3.5.3
Consideraciones importantes en despliegues de macroceldas junto a nodos de
baja potencia
Inclusive realizar despliegues co-canal sencillos con nodos de baja potencia tiene
sus desafíos.
Al introducir en una red macro nodos de baja potencia, se producen
desbalances de cobertura entre el DL y el UL. Dado que la potencia de transmisión de las
radiobases es muy superior a la potencia en los nodos de baja potencia, ocurre un fenómeno
donde la frontera del handoff entre antenas resulta encontrarse muy cercana al nodo de baja
potencia, lo que puede llevar a tener serios problemas de interferencia, ya que los equipos
de usuario que tienen el servicio en la macrocelda provocan interferencia a los nodos de
baja potencia.
38
Incluso en zonas donde se han ubicado estratégicamente los nodos de baja potencia,
es posible que debido, a cambios en la demanda de tráfico, estos nodos podrían llegar a ser
subutilizados. En [30] se realizan evaluaciones con despliegues HetNet con macro, pico y
femto celdas, donde se concluye que una de las causas más importantes cuando un
despliegue de red heterogénea presente una ganancia de desempeño baja, se debe al hecho
que el área que cubre un nodo de baja potencia resulta ser limitado.
Además, algunas redes femto pueden ser que estén restringidas para un grupo de
suscriptores (CSG), ocasionando agujeros en la cobertura e intensificando los problemas
por interferencia. Para lidiar con la interferencia es necesario primeramente introducir
técnicas que permitan atacar estos problemas.
Un punto de partida importante para el manejo de las interferencias y soluciones
auto configurables para redes femto 3G son los transmisores de control de potencia. Como
se mencionó anteriormente, las restricciones en una femtocelda imposibilitan la cobertura
en el downlink para aquellos usuarios que no estén suscritos y se encuentren en las
vecindades de ella [30]. Para evitar afectar a estos usuarios de la red macro y no miembros
del CSG, se propone que el nodo de baja potencia se varíe su potencia de transmisión para
modificar su cobertura y que esta se encuentra confinada en el edificio donde se encuentren
las personas con el acceso requerido. Otras técnicas de calibración de potencia más
avanzadas son descritas en el apartado 3.6 de este documento.
39
3.6
Desafíos Claves en la implementación de las redes heterogéneas
3.6.1
Coordinación de las Interferencias
La Fig. 3.6 muestra un escenario donde Tal vez el desafío más significativo y el más
ampliamente discutido entre los expertos sobre los despliegues por femtoceldas, es la
posibilidad de interferencias que sean más fuertes, menos predecibles y de orígenes
variables como se muestra en la siguiente figura.
Figura 3.6 Interferencia entre terminales y macro/femto estaciones base [3]
Esto ocurre principalmente cuando las femtoceldas son desplegadas en el mismo
espectro de frecuencias que las redes móviles en exteriores, pero también puede ocurrir
cuando las femtoceldas están en una frecuencia diferente pero que sea adyacente a la banda
de frecuencia, particularmente en despliegues densos. La introducción de femtoceldas altera
fundamentalmente la topología celular al crear celdas pequeñas con una posición aleatoria y
40
algunas con ciertas restricciones en la RB en el acceso. Una observación interesante
descrita en [27], para las redes de acceso libre en HetNet, es el hecho que al añadir más
niveles en la red y/o más radiobases, no se incrementa o se decrementa la probabilidad de
cobertura cuando todos los niveles de red tienen un mismo SINR objetivo
Sin embargo en la práctica, por lo menos dos aspectos en redes de baja potencia
como las femtoceldas pueden empeorar significativamente la interferencia. En primer lugar,
los grupos de suscriptor cerrado (CSG), que pueden causar una degradación significativa en
el uplink para la femtocelda o en el downlink para un terminal de la macrocelda que se
encuentre en los límites de ella. Segundo, la señalización para la coordinación de
interferencia en múltiples niveles (macro, micro, pico o femtoceldas) puede ser
logísticamente difícil de lograr tanto para los puntos de acceso abiertos como cerrados.
Además la coordinación entre los niveles puede dificultarse por las grandes
diferencias en las potencias de las señales, además de problemas por latencia que pueden
existir, dado que la femtocelda, típicamente no están conectadas directamente con el núcleo
de red del operador [3].
Reconocer estas dificultades, ha motivado a los grupos de estandarización a realizar
trabajos en el manejo de la interferencia, en Femto Forum y en 3GPP. Además, las técnicas
de Coordinación de Interferencia entre Celdas (ICIC) han sido objeto de estudio por la
3GPP para la las estandarizaciones en LTE-Advanced. Para femtoceldas 3G CDMA, las
estrategias que se recurren van pensadas más en estrategias de control de potencia y/o
reservar una banda libre donde los usuarios dela macrocelda puedan escaparse de las
interferencias de la femtocelda [3].
41
Se mencionarán otras técnicas aún más avanzadas, como lo son: un sistema
cooperativo de comunicación en múltiples estaciones base con calibración de potencia de
transmisión y una técnica de cancelación sucesiva de la interferencia.
3.6.1.1 Técnicas de calibración de la potencia de transmisión de la femtocelda
para reducir problemas por interferencia co-canal
Network Listen based Power Calibration (NLPC)
Este enfoque de calibración de potencia se basa en la medición de la señal FL
recibida de la celda macro, y según esta medición se establece una potencia de transmisión
para el nodo de baja potencia. Por ejemplo, cuando la señal total recibida por la radiobase
de la macro red es débil debido a la ubicación de un nodo de baja potencia en los límites de
la macrocelda, la femto RB (en inglés femto BS) transmitirá con una potencia menor; y en
el otro caso donde la señal de la macro es apropiada debido a la proximidad con el nodo
macro, la femto RB transmitirá a una potencia mayor. A este enfoque de medir la calidad
de la señal FL de la red y seleccionar una potencia acorde con la referencia se conoce como
NLPC.
Para facilitar la NLPC, la femtocelda típicamente se encuentra equipada con un
módulo denominado NLM (Network Listen Module), que permite que la femtocelda no
solo mida la FL de las señales de radiofrecuencia de las estaciones base vecinas, sino que
también sea capaz de decodificar mensajes para propósitos de auto configuración.
42
Mobile Assisted Range Tuning (MART)
Es un ajuste de rango asistido en forma remota, permite un balance entre cobertura
y requisitos de minimización de interferencia usando:

Estadísticas de los intentos de acceso realizados por los macro usuarios o usuarios
no residentes, quienes no están suscritos al grupo cerrado, denominados Macro MS.

Reportes de calidad del canal FL obtenidos por usuarios residentes, aquellos que
pertenecen al grupo, denominados Home MS
Intentos por parte de los usuarios externos sirven como indicadores de fuga de la
femtocelda, fuera del home. Por lo tanto, si muchos usuarios externos realizan intentos
durante cierto intervalo definido (24 horas, por ejemplo), la femtocelda reducirá su potencia
para disminuir las fugas del home.
Se asegura una cobertura adecuada dentro del home, gracias a la utilización de
reportes de calidad del canal, realizados por los terminales residentes. La femtocelda puede
pedirle al home MS que realice mediciones periódicamente y reportar parámetros de
calidad del canal en el FL como son: Ecp/Io de diferentes pilotos y la energía total recibida
(Ecp/Io) en la frecuencia de la femtocelda usando mecanismos como PPSMM (Periodic Pilot
Strength Measurement Messages) para terminales cdma200 1xRTT y MRM (Measurement
Report Messages) para terminales UMTS.
A diferencia del NLPC, donde se supone que la cobertura y el radio de la zona
muerta se asumen conocidos y la calidad del canal macro se asume es una misma para todo
el home, en el enfoque MART estas cantidades se aprenden de los informes de terminales
dentro del home. Combinando información de los Macro Ms y los Home MS se realiza una
configuración óptima de potencia logrando equilibrio entre cobertura e interferencia.
43
Active Macro Mobile Protection
MART ayuda a reducir la interferencia generada por la femtocelda a los usuarios
macro, sin embargo no es capaz de eliminar por completo esta interferencia. La
interferencia degrada la calidad del servicio de voz e incluso puede provocar caídas en las
llamadas, y no es exclusivo de una celda femto restringida, debido a que actualmente no
hay soporte en despliegues femto para active handoff desde la macrocelda a la femtocelda
[6].
El handoff desde una perspectiva del usuario del terminal móvil puede ser
categorizada en dos maneras: se llama soft handoff cuando el cliente no tiene control del
momento en que este ocurre y active handoff cuando si lo tiene. El desempeño del handoff
puede ser mejorado utilizando active handoff en los casos de pobre intensidad de señal y
bajo throughput [16].
En lugar de sacrificar cobertura de la femtocelda al siempre transmitir a muy poca
potencia, este algoritmo de protección involucra adaptaciones dinámicas de potencia en
tiempo real, adaptándose cuando hay terminales macro activas. La potencia de transmisión
del nodo de baja potencia será dependiente de un nivel de interferencia.
El nodo de baja potencia detecta la presencia de un usuario macro, realizando
mediciones simultáneas de la interferencia fuera de la celda en la frecuencia del reverse link
(RL). Cuando los valores de interferencia fuera de la celda superan un valor umbral, la
femtocelda actúa reduciendo su potencia de transmisión en su FL, incluso es capaz de
apagarse por completo temporalmente, protegiendo así, los terminales macro activos.
44
Figura 3.7 Network Listen based Power Calibration (NLPC) [6]
Figura 3.8 Mobile Assisted Range
Figura 3.9 Active Macro Mobile
Tuning (MART) [6]
Protection [6]
45
3.6.1.2 Técnica de cancelación sucesiva para mitigar problemas por
interferencia
Las operadoras desean sacarle el mayor provecho a su actual red macro y esto puede
lograrse al complementar su red con pico o femto celdas que permitan direccionar la
demanda de tráfico a través de ellas, principalmente en zonas congestionadas como son los
hotspots.
El principio de las redes heterogéneas permite obtener el desempeño buscado, por
los cada vez más exigentes clientes del servicio, en una forma económica y viable para los
operadores; pero hay problemas de interferencia que deben ser trabajados dado que
problemas por interferencia en las redes heterogéneas pueden ser sustancialmente mayores
que en las redes homogéneas con despliegues por macroceldas.
En un escenario HetNet, se vuelve beneficioso descargar el tráfico de datos
migrando los usuarios a celdas más pequeñas donde generalmente residen menos usuarios
que compitan por los recursos.
Esta migración produce problemas en la relación Señal/Interferencia-Ruido (SINR)
para ciertos usuarios. Las femtoceldas de acceso restringido tienen el potencial de generar
aún más problemas por interferencia a los usuarios de la red macro que divagan en el área
de cobertura de una femtocelda sin ser un miembro del Grupo de Suscriptor Abierto (CSG)
respectivo. Lo anterior hace que el usuario sea incapaz de conectarse a la femtocelda que de
otra manera, tendría acceso a una señal con alto SINR; en su lugar, se ve forzado a usar la
red macro con una SINR muy baja.
Para combatir el problema de interferencia en HetNet existen diferentes alternativas,
una de las propuestas es una técnica de cancelación parcial de interferencia [14] con un
nivel de complejidad de implementación en la red similar al de la técnica de CBF
(Coordinated Beamforming) propuesta en [15].
46
La técnica de cancelación parcial está basada en la técnica de Message Splitting
(MS) que también es llamada codificación superposición, de Han-Kobayashi [18]. En MS,
los mensajes que son transmitidos son separados en múltiples partes. Ciertas partes se
transmiten en una forma en que solo el verdadero destinatario pueda decodificarlo, y estas
secciones del mensaje se conocen como partes privadas. Las partes comunes son las partes
restantes, y son moduladas y codificadas en una forma en que cualquiera es capaz de
recuperar y decodificar. De esta manera, todos los usuarios que puedan decodificar las
partes comunes, podrán cancelar esta interferencia usando receptores avanzados como
MMSE-SIC (Minimum Mean Squared Error Receiver with Successive Interference
Cancellation). Mediante esta técnica se logra aumentar el SINR para las señales deseadas.
Una generalización de MS para los canales de interferencia de Múltiple EntradaMúltiple Salida (MIMO-IC) se presenta en [4], donde gracias a una aproximación numérica
se obtienen las tasas necesarias utilizando codificación por superposición. En [5] el modelo
se extiende para tomar en cuenta un sistema de multiceldas con múltiples estaciones y
receptores de antena única.
En [14] se desarrolla una técnica diferente a las descritas en [4] y [5],
específicamente se emparejan y se unen una femtocelda con una macrocelda para realizar
un MS donde se cancelan las palabras de código comunes entre ellas, donde los nodos
trabajan en conjunto para cancelar la interferencia.
MS permite que los mensajes comunes sean decodificados y cancelados, resultando
en una disminución en la relación Inteferencia/Ruido (INR), por ende mejorando el SINR
en los valores esperados. Después de cancelar las palabras de código comunes, cada usuario
decodifica la palabra de código común enviada por el transmisor, tratando la parte privada
de otro transmisor como simple ruido.
47
En la Fig. 3.10 se muestra un conjunto cooperativo en un sistema multicelda. Las
líneas punteadas hacen referencia a señales de interferencia y las líneas gruesas representan
las señales deseadas
Figura 3.10 Conjunto cooperativo en un sistema multicelda [14]
48
3.6.2
Biasing: Asociación y Derivación de Celdas
Otro desafío importante en los HetNet es una correcta asignación de los UE a una
RB respectiva. La manera más obvia de conseguirlo, que de hecho maximiza el SINR para
cada usuario (86) es simplemente asignar el terminal a aquella RB donde reciba la señal
más fuerte, teniendo un escenario de red similar al observado en la Fig. 3.11. Sin embargo,
simulaciones demuestran que estos enfoques no incrementan el throughput tanto como
fuese deseado, debido a que muchas de estas celdas pequeñas tienen muy pocos usuarios
activos
Figura 3.11 Asociación de celdas sin derivación (Unbiased Cell Association) en una
red heterogénea de tres niveles (macro, pico y femtoceldas) [22]
49
Para mejorar el throughput en la red, es posible pensar en una flexibilidad en la
asociación y derivación de celdas, término conocido en inglés como “biasing” [38], donde
los usuarios de la red macro pueden ser migrados hacia celdas pequeñas. La realización de
estas migraciones genera un impacto importante en el SINR de la estación móvil donde se
migra al usuario, pero esto tiene un potencial de ganar-ganar porque el terminal obtiene
acceso a una fracción mucho más grande de espacios en tiempo y en frecuencia. Biasing es
particularmente atractivo en redes OFDMA debido a que los usuarios que son desviados
pueden asignarse a recursos ortogonales de la macrocelda, así que la interferencia se vuelve
tolerable [3].
Figura 3.12 Asociación de celdas con derivación (Biased Cell Association) en una red
heterogénea de tres niveles (macro, pico y femtoceldas) [22]
50
En la Fig. 3.11 y en la Fig.3.12 se tiene un ejemplo de una distribución de red
heterogénea celular con tres niveles de RB: macronodos (cuadrados rojos), piconodos
(triángulos azules) y femtonodos (círculos magenta). Las líneas negras indican la cobertura
de la celda y para el caso de ambas figuras se mantienen la misma ubicación de las radio
bases. Mediante estos diagramas es posible evidenciar la ventaja que se consigue en
cobertura de los puntos de acceso, donde las pico/femtoceldas que poseen una biasing
positivo (Fig. 3.12) obtienen una mayor cobertura que las que no han actúan en forma
independiente (Fig. 3.11).
Particularmente no se sabe cuánta derivación es óptima en un escenario, pues
depende de medidas en el throughput/QoS de interés, en la distribución de las radiobases en
el espacio, en los patrones de tráfico espacio-temporal, y en una capacidad de adaptabilidad
en un intercambio de información entre los móviles y las estaciones base [3].
Una ventaja de los estudios que se han realizado en las HetNet a favor
del
mejoramiento de las actuales redes macro, es desde una perspectiva de investigación; donde
una red de múltiples niveles permite tener una oportunidad valiosa para nuevos desarrollos
y mejorar los existente en los procedimientos de asociación entre celdas y las reglas que
mantener un balance óptimo de las cargas de tráfico entre antenas.
Una caracterización inicial de las políticas de biased cell association se puede
encontrar en [22].
51
3.6.3
Movilidad
Los puntos de acceso por femtocelda, en principio, actúan como cualquier otra
estación base y utilizan los procedimientos de movilidad existentes [3]. Sin embargo, la
movilidad en los despliegues de femtocelda presenta desafíos importantes y muy diferentes
a los presentes en las macroceldas convencionales. Grupos de estandarización como la
3GPP han prestado especial atención han desarrollado procedimientos para la movilidad en
las femtoceldas (ver Anexo 1).
Enfocándonos en las femtoceldas y su relación con la red macro para una
continuidad en el servicio, los escenarios de handover para estos despliegues resultan ser
tres:

Macro a Femto o Movilidad entrante

Femto a Macro o Movilidad saliente

Femto a Femto (válido en los despliegues de femtoceldas empresariales o para las
femtoceldas de capacidad aumentada utilizadas en áreas públicas)
Uno de los aspectos de mayor dificultad en la movilidad con femtoceldas es el
hecho que las femtoceldas no se encuentran típicamente conectadas al núcleo de red
directamente, donde la movilidad es coordinada. Además las redes con femtoceldas y
picoceldas resultan ser despliegues mucho más densos, complicando el descubrimiento de
las estaciones base (importante para cualquier proceso de handover) [3].
52
3.6.4
Estrategias de ahorro energético para configuraciones de redes
heterogéneas
Las configuraciones HetNet poseen una tecnología que permite que las macroceldas
garanticen una cobertura básica de menor velocidad en el servicio, encargada de satisfacer
la demanda para propósitos generales; mientras se incorporan picoceldas dentro de la
macrocelda para dar cobertura en hotspots, y mejorando la capacidad de la red. Es posible
que en un hotspot exista no solamente una, sino varias picoceldas trabajando
simultáneamente, donde es factible que los radios de cobertura entre ellas, se traslapen.
Además, es importante resaltar que el tráfico en el servicio varía considerablemente
en diversos momentos del día, y resulta una buena estrategia de ahorro de energía el hecho
de apagar alguna o varias picoceldas cuando su carga de tráfico sea baja.
Transmisiones discontinuas por las estaciones base, donde sus componentes de
hardware sean capaces de desconectarse, facilita la operación eficiente de energía al nivel
del enlace. Mientras a nivel de la red, el potencial de reducir el consumo energético radica
en la disposición y gestión de los elementos de la red, tomando en cuenta el patrón diario
de la carga en cada celda y las fluctuaciones importantes que pudiesen ocurrir; además es
necesario
contar
con
la
capacidad
para
monitorear
los
recursos
disponibles
correspondientes a cada una de las celdas.
Una estrategia utilizada [8] consiste en realizar un handover de los usuarios de la
picocelda hacia la macrocelda y apagar la picocelda cuando la carga sea baja. Sin embargo,
considerando la migración solo en ese sentido, se tiene la limitante que en caso que no
existiesen recursos suficientes disponibles en la macrocelda, la picocelda con carga baja no
se apagaría, impidiéndose el ahorro energético.
53
En [9] se plantea una solución a este problema. Consiste en que el handover de los
usuarios se realice con la macrocelda y con el resto de picoceldas vecinas, haciendo más
eficiente el uso de los recursos disponibles. Posee un algoritmo de apagado de picocelda
tomando en consideración los recursos ocupados por los usuarios de la celda que se espera
apagar y los recursos disponibles de la macrocelda y las picoceldas cercanas.
3.6.5
Implementaciones HetNet utilizando BWA-FMDA
Se introduce los despliegues de banda ancha inalámbrica de arquitectura HetNet
utilizando un sistema de antenas distribuidas conectadas por fibra óptica (broadband
wireless access with fiber-connected massively distruibuted antennas, BWA-FMDA). Esta
tecnología incluye tres componentes principales: 1) nodos de acceso simplificados, 2) una
entidad central de procesamiento y 3) una conexión por fibra óptica [10].
1) En los sistemas móviles la frecuencia asignada a cierta celda deseada es
reasignada repetidamente en diferentes celdas separadas por largas distancias para mantener
los niveles de interferencia de radio dentro de los límites aceptados. Al desplegar nodos de
acceso más pequeños, que puedan formar femto o pico celdas, se facilita la reutilización del
espectro disponible en una manera localizada, mejorando la capacidad del sistema.
Proponen un sistema universal de reutilización de frecuencia (UFR) que permite reutilizar
un recurso de frecuencia dada y controlando, en forma sistemática, los niveles de
interferencias entre células vecinas (inter-cell interference, ICI).
2) Los sistemas de antenas distribuidas (DAS) empleadas en BWA-FMDA carecen
de cualquier poder de procesamiento. Este mismo se encuentra concentrado en una entidad
central de procesamiento que permite que las femto y las picoceldas trabajen de manera
conjunta con el resto de antenas, disminuyendo la interferencia entre celdas vecinas.
54
3) El backbone para BWA-FMDA es una red de cables de fibra óptica conectando
la entidad central de procesamiento con el resto de antenas [11].
BWA-FMDA une las innovaciones en antenas distribuidas (DAS) con las técnicas
de transmisión de radio sobre fibra (radio-over-fiber, RoF), viéndose beneficiado por
ambos avances y permitiendo entregar un alto rendimiento del servicio a los usuarios
finales. Es importante resaltar que la Cuarta Generación de telefonía móvil, está orientada
al uso de contenido multimedia de alta calidad; por lo tanto, es importante considerar
soluciones que involucren propuestas que permitan optimizar un recurso tan preciado como
es el espectro de frecuencias.
Figura 3.13 Comparación entre una arquitectura HetNet tradicional y una HetNet
BWA-FMDA [10]
55
4. CAPÍTULO 4: Importancia del aumento de la capacidad,
escenarios de red y estudio caso lightRadio™
4.1
Importancia
Compuestas por múltiples tecnologías de acceso de radio, diferentes arquitecturas
de red y caracterizada por sus estaciones base con potencia de transmisión variable; las
redes heterogéneas resultan ser, actualmente, una manera muy atractiva para las operadoras
que buscan expandir la capacidad de su red móvil.
Algunos números [19] acerca de los usuarios de banda ancha móvil, indican que el
suscriptor promedio puede consumir actualmente alrededor de unos cuantos cientos de MB
de datos por mes. Estimaciones para el año 2014, muestran un incremento en el consumo,
donde el promedio alcanzaría alrededor de 1 GB de datos por mes.
Este incremento del tráfico de banda ancha móvil, impulsado por los nuevos
servicios y capacidades en los terminales móviles, es paralelo a las expectativas de los
usuarios por tener tasas de transferencia similares a los usuarios de banda ancha fija.
Las tendencias de consumo de los usuarios pueden variar considerablemente según
sea su ubicación geográfica, el tipo de terminal móvil y el tipo de suscripción adquirida por
el cliente. Algunos de estos usuarios ya realizan tráfico en el orden de varios GB por mes.
La industria móvil se prepara para ofrecer tasas de transferencia en el orden decenas de
Mbps, tanto en interiores como en exteriores, y volumen de tráficos en el orden de los GB.
56
4.2
Escenarios de red
Para lograr estas atractivas velocidades y volumen de datos, los principales factores
que deben de tomar en cuenta las operadoras para ampliar la capacidad de la red, son las
siguientes:

Tecnologías de mejora de las macroceldas

Densificar las macroceldas

Complementar las macroceldas con nodos de baja potencia
Mejorando las tecnologías de acceso de radio (HSPA, LTE) en radiobases ya
existentes, se logra ofrecer mayores velocidades de transferencia y una mejora en la
capacidad del sistema, siendo posible mejoras adicionales si se considera añadir más
espectro, más antenas y considerar técnicas avanzadas de procesamiento y coordinación
entre nodos. Pensar en mejorar la red de esta manera, resulta atractivo, dado el hecho que
existen ahorros considerables al no tener la necesidad de buscar nuevos sitios para colocar
nuevas radiobases.
En la Tabla 4.1 se representan diferentes escenarios de red, analizados por
Landström S. et al. en el documento de Ericsson Review acerca de las redes heterogéneas
[19], donde se indican las mejoras en volumen de datos mensual y en velocidades de
transferencia (para el quinto percentil), según ciertas alternativas implementadas. Se realiza
una medición de referencia con el fin de poder interpretar individualmente cada una de las
mejoras propuestas, y una comparación final aplicando todas las propuestas en una misma
red. Los gráficos de la Tabla 4.1 se presentan en Fig. 4.2 y Fig. 4.3.
57
Para la interpretación de la Tabla 4.1 y la Fig 4.3, un terminal de usuario se
considera que se encuentra en cobertura, si es capaz de conectarse al menos a una RB con
un SINR mayor a un valor de diseño umbral que garantice la comunicación efectiva en el
DL y en el UL. En el caso que el valor SINR umbral sea el mismo para los diferentes
niveles en la red, la probabilidad de cobertura resulta ser el complemento de la función de
distribución acumulada (CDF) [27]; la CDF es usada para especificar una distribución de
variables aleatorias. Se puede consultar más información acerca de la derivación de la
probabilidad de cobertura para redes de acceso libre y de acceso restringido en [27].
Tabla 4.1 Volumen de datos mensual (en GB) y tasa de transferencia (en Mbps) en el
quinto percentil que se pueden alcanzar, tanto en el downlink como en el uplink,
utilizando diversas estrategias de expansión de red [19]
58
La referencia se toma como un sistema HSPA a 10 MHz con una distancia de
radiobases de 425 m, lográndose volúmenes mensuales por suscriptor de 5.9 GB en el DL y
0.7 GB en el UL. En términos de velocidad se obtuvo 9.2 Mbps en el DL y 0.3 Mbps en el
UL. Las propuestas de expansión de red pueden observarse en la Fig. 4.1 y son descritas a
continuación:

Escenario 1: Se añade más espectro. Se pasa de 10 MHz a 20 MHz.

Escenario 2: Se densifica la red macro, pasando de una distancia entre sitios de
425m a una distancia entre sitios de 300m.

Escenario 3: Se complementa la red macro agregando nodos de baja potencia,
formando una arquitectura HetNet. Se realiza un despliegue de 12 picoceldas por
macrocelda en hotspots.

Escenario 4: Se combinan las tres técnicas anteriores. Sistema HSPA a 20 MHz, con
una distancia entre sitios de la red macro de 300m y una red heterogénea que consta
de 6 pico celdas por macrocelda en hotspots.
59
Figura 4.1 Escenarios estudiados donde son aplicadas las propuestas de expansión de
red [19]
En el primer escenario, si se decide doblar el espectro a 20 MHz, los valores de
volumen de datos y en velocidad de transferencia en el DL se duplican, teniéndose un
incremento en 6.6 GB y 9.5 Mbps, respectivamente; sin embargo, mejoras en el UL fueron
muy pobres, 0.4 GB en volumen de datos y un aumento ínfimo de 0.16 Mbps en la tasa de
transferencia. Se puede concluir que esta alternativa beneficia mucho al DL en su ancho de
banda, permitiendo tener capacidad de bajar el doble de datos respecto al escenario
referencia.
60
El hecho que esta propuesta no beneficie al UL es debido a una limitación en
potencia. La velocidad de transferencia se ve limitada por una baja potencia en la recepción
de la señal, viéndose afectado por atenuaciones importantes en la señal, entre el terminal
móvil y la radiobase, debido a la distancia existente entre estas y a otras complicaciones en
la propagación de las señales de radio como son los sitios en los interiores de edificios en
los límites de la celda.
Las mejoras en la capacidad y/o velocidad ofrecidas por mejoras realizadas en las
tecnologías de acceso, llegaran a un punto donde no serán suficientes. En un segundo
escenario, se realizan las pruebas, pero en lugar de duplicar el espectro, se duplica el
número de sitios de red macro. Esta estrategia concentrar los nodos resulta muy atractiva
especialmente en zonas urbanas, donde la distancia entre sitios puede llegar a ser 100-200m
[19].
Los resultados muestran que al densificar la red macro, el volumen de datos por
suscriptor se duplica en el DL, pero la capacidad por sitio sigue siendo prácticamente la
misma, dado que en este escenario hay el doble de antenas. En el UL la capacidad y la
velocidad se cuadruplican respecto a la referencia para el caso estudiado debido a una
menor limitación en potencia, mientras que la velocidad en el DL no presenta variaciones
considerables al no presentarse mejoras o limitaciones en la potencia del enlace de bajada.
Conformar una red heterogénea es otra manera propuesta para incrementar la
capacidad de la red. Este enfoque ofrece alta capacidad y velocidades de transferencia, en el
DL y en el UL, en aquellas zonas que sean cubiertas por los nodos de baja potencia. El
desafío en estas configuraciones corresponde a la ubicación de los nodos de baja potencia,
pues el desempeño depende en gran medida de la distancia del lugar donde se está
generando el tráfico y la antena (cuyo rango de alcance es limitado y por lo tanto, puede ser
necesario varios de estos nodos para dar cobertura a los hotspots y otras zonas aisladas de
la red macro).
61
Para solucionar estas limitaciones es necesario un adecuado diseño e integración de
estos nodos de baja potencia. Se debe elegir seleccionar los tipos de antenas y los métodos
de integración dependiendo de ciertas características: si son en interiores o exteriores, los
tipos de servicio que se desean ofrecer, el tráfico de red involucrado, los patrones de carga
en cada celda (el tráfico en el servicio presenta variaciones durante los diversos momentos
del día), entre otras consideraciones.
En un tercer escenario, se realiza un despliegue utilizando 12 piconodos por sitio
macro en hotspots. Los resultados muestran que se mantiene la tendencia en la capacidad
del DL de los escenarios 1 y 2, pues se duplicó respecto a la referencia, pero la velocidad en
el DL no presenta cambios por la misma razón que en el escenario 2. Los cambios
importantes al utilizar este despliegue de red heterogéneas es en el UL, tanto en velocidad
como en volumen de datos.
En este escenario 3, se muestra que la velocidad de transferencia obtenida fue
mucho mayor que la referencia (9,33 veces mayor), que el escenario con mejoras en el
espectro (6 veces mayor) y que el escenario donde se densificaron los puntos de acceso
macro (2,15 veces mayor). El aumento en la capacidad siguió la misma tendencia en el UL.
62
50
43
45
40
35
30
25
21,7
UL [GB]
20
12,5
15
10
5
DL [GB]
11,7
6,8
5,9
0,7
12,2
1,1
3
0
Referencia Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Escenario 4
Figura 4.2 Volumen de datos (en GB) que se puede alcanzar, tanto en el downlink
como en el uplink, utilizando diversas estrategias de expansión de red [19]
25
20,7
18,7
20
15
DL [Mbps]
10
9,4
9,2
9,2
UL [Mbps]
5,1
5
2,8
0,3
0,46
1,3
0
Referencia Escenario 1 Escenario 2 Escenario 3 Escenario 4
Figura 4.3 Tasa de transferencia (en Mbps) en el quinto percentil (95% de
probabilidad de cobertura) que se puede alcanzar, tanto en el downlink como en el
uplink, utilizando diversas estrategias de expansión de red [19]
63
La selección de la estación base a establecer conexión por parte del terminal, se
realiza por criterios de potencia de transmisión y por las atenuaciones en el trayecto (path
loss). Son las pérdidas por trayecto las que determinan a cual RB el terminal debe
conectarse, pues sería el caso donde la señal, ya sea con la macro celda o con la celda de
menor potencia, es más fuerte.
Figura 4.4 Selección de celda por parte de un terminal móvil en una red heterogénea
[19]
64
Dado que los escenarios realizados presentaron mejoras en el UL y en el DL
respecto al escenario control en forma individual. Se realiza un cuarto escenario donde se
convergen los aportes de los casos anteriores. Se tiene una red HSPA a 20 MHz, con una
distancia entre sitios de la red macro de 300m y una red heterogénea que consta de 6 pico
celdas por macrocelda en hotspots. Nótese que este escenario usa la mitad de nodos de baja
potencia que el escenario 3, por lo tanto es esperable tener mejoras mayores en el UL si se
utilizara más picoceldas.
Haciendo una comparación directa entre el escenario de referencia y el escenario
donde se combinan los enfoques, se tiene que en la velocidad en el DL se duplicó y en el
UL multiplicó por 17 veces. En volumen de datos el aumento en el DL correspondió a más
de 7 veces el valor obtenido en la referencia, mientras que en el UL se multiplicó por 31 la
capacidad de datos respecto al escenario de referencia.
Los resultados muestran que utilizar una tecnología de redes heterogéneas
densificando los puntos de acceso y realizando las mejoras espectrales a medida que se
vayan consolidando nuevas tecnologías, representa una solución atractiva para expandir la
red en estos tiempos.
65
4.3
Estudio caso: Tecnología lightRadio™ de Alcatel-Lucent
4.3.1
Acerca de Bell Labs y Alcatel-Lucent
Formado en 1925 por el trabajo de Alexander Graham Bell, Bell Labs ha realizado
innovaciones muy importantes como lo son los satélites de comunicaciones, el sistema
operativo Unix, las redes de telefonía móvil, el láser, la celda solar fotovoltaica, el
transistor, entre muchos otros.
El portafolio de patentes tiene más de 27 900 patentes activas, y hoy en día Bell
Labs, es el motor de innovación detrás de la empresa Alcatel-Lucent, desarrollando
productos y servicios en las telecomunicaciones. Alcatel-Lucent en la actualidad realiza
inversiones de I+D de aproximadamente 3 100 millones de dólares, aproximadamente un
16% de sus ventas globales.
Bell Labs incorpora un equipo de I+D constituido por alrededor de 26 000 personas,
con 850 investigadores dedicados. Los investigadores de Bell Labs han recibido un total 7
premios Nobel, por diferentes desarrollos tecnológicos.
Una de sus más recientes innovaciones es lightRadio™, un nuevo tipo de estaciones
base orientadas a una utilización en redes heterogéneas.
Figura 4.5 Logo de Alcatel-Lucent [39]
66
4.3.2
Características de la tecnología lightRadio
La arquitectura lightRadio de Alcatel-Lucent es el núcleo de una familia de
productos de redes inalámbricas con un reducido consumo de energía, que permite a los
operadores responder de una forma económica a la creciente demanda de tráfico de datos
generada por el cambio de las comunicaciones de voz a vídeo y la popularidad de los
teléfonos inteligentes/tabletas.
La tecnología lightRadio se apoya en las innovaciones de los laboratorios Bell Labs,
que separan la arquitectura tradicional de los productos de redes móviles en sus elementos
constitutivos. Estos elementos se pueden situar virtualmente en cualquier lugar de la red
donde tenga sentido hacerlo en términos de ahorro de costes y de energía, y al mismo
tiempo crea la flexibilidad necesaria para incrementar o reducir la capacidad para responder
a la demanda de los clientes de servicios de banda ancha de móviles.
La tecnología consiste en una antena única, con un peso menor de 400 g, que
integra el radio, el amplificador y la antena, reducido en un dispositivo de pequeñas
dimensiones y gran potencia en forma de cubo. Brinda soporte a múltiples frecuencias y
múltiples estándares (Wi-Fi, 2G, 3G, 4G/LTE) y se podrá colocar en postes, fachadas de
edificios o en cualquier otro lugar que disponga de una toma de alimentación y una
conexión de banda ancha. [40].
El pequeño amplificador, variable entre 1 hasta 5 W, produce menos calor, es más
confiable y permite hacer un diseño de la cobertura requerida gracias a un apilamiento de
varios de estos cubos (se juntan como piezas de Lego) para aumentar la potencia de
transmisión. De esta manera se reduce significativamente la proliferación de antenas
(mejorando el paisaje urbano y rural), con una ventaja adicional de poseer un menor costo
por bit; siendo una tecnología más ecológica, e ideal para el mercado de alta demanda, que
puede ser implementada en despliegues macro ya existentes.
67
Figura 4.6 Antena en forma de cubo [40]
Figura 4.7 Colocación de los cubos para formar la antena [40]
68
Figura 4.8 Ilustración de tipos de antenas (para las metroceldas) de la familia light
Radio [40]
69
4.3.3
Casos de implementaciones
4.3.3.1 Telefónica – Da a conocer su experiencia durante el MWC 2012
Durante el pasado Mobile World Congress, realizado en Barcelona, entre el 27 de
febrero y el 1 de marzo, del 2012. Telefónica presentó su tecnología de 4G que permite
incrementar la capacidades del tráfico de datos en áreas pobladas y un ofrece un mejor
ancho de banda que la tecnología de hoy de LTE, así mismo permite una mejor cobertura
en interiores. Con la tecnología Small-Cell es capaz
de incrementar la velocidad de
despliegue de la red, reduce costos y hace más eficiente la cobertura. Así mismo se da el
primer despliegue de LTE de este tipo a 2.6 GHz en la banda de frecuencia y la primera vez
que usuarios reales podrán experimentar los beneficios de la tecnología 4g en el futuro.
Esta red, es la primera de su especie que utiliza una frecuencia de banda de 2.6Ghz,
que provee velocidades de descarga de 100Mbps, y entre 40-60Mbps de velocidad de
carga, con un tiempo de latencia alrededor de 20-25 milisegundos. Además de mejorar en
gran medida la cobertura de interiores y puede incrementar la capacidad hasta 400% en
áreas densamente pobladas.
La característica más significativa de esta tecnología es el incremento de la
capacidad, donde fácilmente el sistema es capaz de soportar hasta 30 personas navegando
simultáneamente con una velocidad promedio de 30Mbps.
70
Otro beneficio de esta avanzada tecnología es que utiliza la misma frecuencia de
muchas otras redes ya existentes, permitiendo una utilización más eficiente del espectro.
Esta solución también reduce el 40 por ciento del costo de despliegue de la red, a como
también la instalación de estas pequeñas celdas reduce significativamente el costo de
construcción, instalación y configuración necesitado. Así mismo, estas pequeñas celdas
requieren de mucho menos consumo energético resultando ganancias de hasta 35% y una
garantía de reducción de impacto ambiental. [39].
4.3.3.2 Etisalat – Primera conexión de banda ancha móvil LTE 4G en Emiratos
Árabes Unidos utilizando lightRadio™
El principal operador de telecomunicaciones móviles de EAU, ha completado con
éxito pruebas tecnológicas con la familia de soluciones lightRadio™, con el objetivo de
satisfacer la creciente demanda de conexiones de alta velocidad para servicios de banda
ancha móvil. En octubre del 2011, Etisalat firmó un acuerdo de innovación y colaboración
con la empresa francesa Alcatel-Lucent, para desarrollar conjuntamente una solución
eficiente e influir en el desarrollo de la tecnología. [40].
Mediante dicho proyecto de colaboración, Etisalat ayudó a una introducción
comercial de la familia de productos en el Oriente Medio y en otros mercados. Pruebas
desarrollados previamente a la demostración, mostraban que los proveedores de servicio
que desplieguen el producto lightRadio Metro Radio Outdoor (MRO) en su red LTE verían
mejoras en capacidad y prestaciones, obteniendo ahorros de coste de hasta 40%, mientras
sus usuarios obtendrían servicios de datos 4G LTE de alta calidad.
71
La demostración realizada fue la primera conexión de banda ancha móvil en la
región META (Medio Oriente, Turquía y África) utilizando la tecnología lightRadio. Fue
desarrollada sobre una red 4G LTE comercial de Etisalad. Las pruebas efectuadas durante
la demostración incluyeron:
•
Transferencia de datos ascendente y descendente, simultanea de gran caudal
(superando 103 Mbit/seg en ascendente y 40 Mbit/seg en descendente
•
Video streaming de alta definición
•
Una llamada de vídeo en directo entre un terminal de usuario conectado al
MRO, y otro a la red LTE de Alcatel-Lucent.
Según ambas compañías, se cumplieron las expectativas del despliegue de las
metroceldas en la red de Etisalat; reduciéndose el consumo energético, el espacio requerido
y los costes asociados.
Figura 4.9 Diseño de la configuración utilizada en la demostración por Alcatel-Lucent
y Etisalat [40]
72
5. CAPÍTULO 5: Conclusiones y Recomendaciones
5.1
Conclusiones
El tráfico inalámbrico de datos ha crecido de manera exponencial en los últimos
años, donde la capacidad y las velocidades demandadas han aumentado más rápido que lo
ofrecido gracias a los avances en eficiencia espectral, volviéndose necesario buscar
soluciones otras soluciones y que sean efectivas para atacar este problema.
Como nuevo paradigma de red, las redes heterogéneas están compuestas por nodos
de distintos niveles de potencia de transmisión y se pueden dividir generalmente como
macroceldas, microceldas, picoceldas y femtoceldas.
La cobertura macro celular se vuelve económicamente menos viable, debido
principalmente a sus altos costos operativos, conforme se incrementa la demanda por
servicios de banda ancha.
Sin embargo, la utilización de arquitecturas de redes
heterogéneas permite reducir significativamente los costos anuales de red, entre un 30% y
un 70%, en el servicio de voz y datos, respectivamente.
Entre los beneficios más sobresalientes que se obtienen con esta tecnología son:
reducción de costos anuales de la red, ahorro energético, mejoras en la capacidad y en la
tasa de transferencia de datos con mejoras muy significativas principalmente en el uplink.
Entre los desafíos que enfrenta está tecnología son principalmente los problemas
por interferencia que son posibles de solucionar con técnicas de calibración de potencia y
con ajustes en el control de acceso de las femtoceldas. Otros desafíos están en mejorar la
comunicación entre los nodos de las redes auto-gestionables y mejorar los procedimientos
de movilidad entre los puntos de acceso.
73
La tecnología lightRadio es una familia de tecnologías que pretende llevar los
beneficios de la implementación de redes heterogéneas a un nivel más comercial,
ofreciendo una solución que puede ser integrada a las actuales redes macro ya existentes.
5.2
Recomendaciones
Se recomienda a los operadores de telefonía móvil a cuestionarse sobre el rumbo
tecnológico que tienen planeadas para sus redes móviles y que trabajen en conjunto con los
desarrolladores de redes para buscar las mejores soluciones que permitan disminuir costos
y mejorar la calidad del servicio brindado. El mercado de las telecomunicaciones es muy
dinámico, y es importante mantener una actualización constante de las tecnologías y de
mejores prácticas o procesos.
Al ser un desarrollo muy reciente y al tener mucho auge, es posible que nuevas
características o nuevos niveles de celdas se vayan creando, además del desarrollo de
nuevas formas para dar respuesta a los desafíos que enfrenta la tecnología. Se recomienda
para un futuro trabajo similar, realizar las actualizaciones correspondientes.
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APÉNDICES
Apéndice 1 – Estandarización 3GPP (Movilidad) [1]
80
81