Técnica cell zooming

La planificación de la red, el tamaño de celda y la capacidad de usuarios son generalmente fijados sobre la base del cálculo de la carga de tráfico en la hora activa. Sin embargo la naturaleza del tráfico en la red puede variar tanto por fluctuaciones espaciales como temporales e incluso puede ser diferenciado entre voz y datos siendo este último frecuentemente un generador de ráfagas debido a las características de las aplicaciones utilizadas. Como la carga de tráfico en la red depende del tiempo del día, la ubicación y otros factores, si el tamaño de la celda es fijado entonces algunas celdas siempre funcionarán bajo carga pesada o ligera. Una forma razonable para los operadores de minimizar el consumo de potencia mientras se sigue brindando una QoS satisfactoria es ajustando la potencia de transmisión de la BS. Una técnica eficaz que permite implementar lo antes explicado haciendo uso de la fluctuación espacial y temporal del tráfico a través de un período de 24 horas en una red celular es la técnica

cell zooming. Cell zooming puede ser implementado a través de tres métodos: método continuo, discreto y fuzzy (borroso) [66].

2.2.1 Método continuo.

Este método consiste en que una BS va a transmitir al nivel de potencia mínimo que le permita brindar servicio al usuario más lejano dentro la zona de cobertura, de esta forma el radio de la celda de una BS crecerá dinámicamente hasta R o decrecerá hasta 0 en ausencia de usuarios. Utilizando el modelo de propagación anteriormente descrito

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entonces Pcont, potencia de transmisión mínima de la BS utilizando el método continúo,

puede ser calculada por:

∝ (2.10)

La potencia de transmisión será proporcional a la ∝ potencia de la distancia (r) del usuario más lejano dentro la celda. El método continuo debido a que cambia la potencia dinámicamente en dependencia de la distancia del usuario permitiría alcanzar niveles más altos de eficiencia energética con respecto a otros métodos, pero su implementación trae consigo grandes desafíos prácticos por la alta movilidad de un usuario y consecuentemente rigurosos requisitos de realimentación de la localización.

2.2.2 Método discreto.

Con este método la potencia de transmisión de la BS es seleccionada solamente a través un conjunto de valores discretos permitidos. Una celda en el método discreto es divida en un número de zonas (Z) de radio r(i), donde i puede tomar valores desde 0 hasta Z. En la Figura 2.1 se muestra como una celda es dividida en dos zonas (Z=2) para poder implementar el método discreto, siendo r1 el radio de la primera zona, mientras que r2,

es el radio de la segunda zona. Suponiendo que el usuario más distante esté ubicado dentro dos niveles discretos r(i) y r(i + 1), la BS selecciona el valor de potencia a transmitir basado en el nivel discreto de radio más alto, r(i + 1), para brindar cobertura a todos los usuarios incluso a los que están en el borde de esa zona en particular.

Figura 2.1 Método discreto para dos zonas discretas.

La ventaja del método discreto está en reducir los rigurosos requisitos de realimentación de la localización que en el método anterior eran necesitados. El usuario móvil no necesita reportar la información de su localización hasta tanto no cruce al próximo nivel

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discreto. Nótese que aumentar el número de zonas discretas aumenta el ahorro de energía, pero con el costo de incrementar la complejidad de la realimentación.

Existen tres métodos diferentes para la obtención del valor del radio discreto r(i): Método por División Lineal, Método por División de Áreas Iguales y Método por División de Potencias Iguales.

Método por División Lineal (MDL)

En el método por división lineal el radio máximo de la celda (R) es divido en Z

longitudes iguales. En este método el área de cada zona (y consecuentemente el número de usuarios cubiertos) aumenta con el incremento del nivel i. El valor discreto del radio usando el MDL puede ser calculado por la ecuación:

(2.11)

La potencia de transmisión usando MDL puede ser calculada por la siguiente ecuación:

∝ (2.12)

donde r(i) es el radio de la zona discreta que tiene en su interior el usuario más alejado. Método por División de Áreas Iguales (MDAI):

En este método la celda es dividida en Z zonas discretas con igual área cada una. Como el área cubierta por cada zona es igual, la distribución de los usuarios como promedio también será la misma en cada zona. El radio r(i) del nivel (i) discreto será calculado por la ecuación:

√ (2.13)

La potencia de transmisión usando MDAI puede ser calculada por la ecuación:

∝ (2.14)

Debido a que MDAI divide la celda en áreas iguales el radio de las primeras zonas será mayor que cuando era calculado en MDL, entonces será necesaria una mayor potencia incluso cuando los usuarios no estén tan distantes de la BS.

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Método por División de Potencias Iguales (MDPI):

En este método, la celda se divide en zonas discretas con incrementos iguales de potencia de transmisión para cada zona. De la ecuación de propagación (2.8) y tomando en consideración que la potencia de transmisión para la zona i será igual a: el radio del nivel discreto i se puede calcular:

∝ (2.16)

La potencia transmitida por la BS usando MDPI se calcula por la ecuación:

∝ (2.17)

En este método, el radio de la primera comparado con el de los otros dos métodos zona es mayor, por lo que hay un aumento en el nivel de consumo de energía en comparación con los otros métodos cuando hay bajo tráfico en la primera zona discreta.

2.2.3 Método fuzzy.

Este método es una extensión del método discreto, en el método fuzzy la celda es divida en Z zonas discretas de forma similar al método discreto y el valor del radio discreto es calculado igual que en el método discreto en una de sus tres variantes, la diferencia del método fuzzy se encuentra que es introducido un algoritmo para que la BS no cambie la potencia de transmisión al nivel superior que le corresponde cuando el usuario se mueve a una zona superior pero solo se ha alejado una pequeña distancia (dfuzzy) del borde de la

zona en que se encontraba anteriormente.

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La región dentro la cual el usuario más distante puede encontrarse sin que la BS conmute la potencia de transmisión a la zona superior se llama zona fuzzy mientras que la relación en porciento entre dfuzzy y r(i) se nombra rango fuzzy [66]. En la Figura 2.2 se

muestra como una celda es dividida en dos zonas discretas en el método fuzzy, la zona rayada exterior a cada zona discreta pertenece a la región fuzzy.

El método fuzzy más explícitamente funciona de la siguiente forma, suponiendo que el usuario más distante esté ubicado dentro dos niveles discretos r(i) y r(i + 1), si el usuario aún se encuentra en la zona fuzzy (i) de la zona i entonces la BS selecciona el valor de potencia a transmitir basado en el nivel discreto r(i), de lo contrario la BS seleccionará el valor de potencia correspondiente al nivel de radio r(i + 1). Este método se comporta mejor que el método discreto ya que en determinados momentos le permitirá a la BS transmitir a un nivel discreto menor en lugar de cambiar al siguiente nivel superior. La SINR recibida, sin embargo, en la zona fuzzy es ligeramente menor que el valor deseado por lo que tiene que ser compensado mediante el uso de técnicas de corrección de errores más potentes.

La potencia transmitida por la BS utilizando el método fuzzy puede ser calculada por la ecuación:

∝ (2.18)

donde r(i) es el radio discreto que debe ser seleccionado entre r(i) o r(i + 1), en dependencia si el usuario más lejano está dentro zona fuzzy (i) o si se encuentra fuera de esta.

A pesar de que la técnica cell zooming soluciona el problema de transmitir a altos niveles de potencia innecesariamente otros desafíos involucrados con el aumento de la capacidad de la red y la tasa de transferencia de datos se avecinan. Existe una necesidad de mejorar la densidad a nivel de nodos (BS) con el fin de mejorar la capacidad de la red. En un despliegue escaso en BS, 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 y las macroceldas de alta potencia terminan representando altos costos operativos. Por otro lado, la eficiencia espectral en enlaces punto a punto en

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redes celulares está llegando a su límite teórico en un momento donde el crecimiento del tráfico se incrementa en una manera vertiginosa.

Muchos de los desafíos involucrados con la capacidad de la red y la tasa de transferencia de datos, pueden ser solucionados a través de una nueva topología de red gracias al empleo de estaciones base de menor potencia de transmisión que se complementan a la red macrocelular.