Dimensionamiento de una red LTE para la ciudad de Santa Clara

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Dimensionamiento de una red LTE para la ciudad de Santa Clara Autor: Alexei San Miguel Fábregas Email: [email protected] Tutor: MSc. Mario Alberto González Cartas Email: [email protected]. Santa Clara 2014-2015 "Año 56 de la Revolución".

(2) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(3) i. PENSAMIENTO. Lo que caracteriza al hombre de ciencia no es la posesión del conocimiento o de verdades irrefutables, sino la investigación desinteresada e incesante de la verdad.. Karl Popper.

(4) ii. DEDICATORIA. A la memoria de mi madre, por su amor, inspiración y la fuerza que me infundió hasta su último aliento, ella hubiera querido estar físicamente presente en este momento en que obtengo mi título de Graduado de esta Casa de Altos Estudios, se lo dedico en gratitud por su bondad y como premio espiritual a todos sus desvelos por mí crecimiento..

(5) iii. AGRADECIMIENTOS. En primer lugar agradezco a mi tutor Mario Alberto González Cartas por su trabajo, dedicación, disposición, paciencia y tiempo que han hecho posibles la realización de este trabajo.. A mi papá Armando por su ejemplo y guía a través de los años.. A mí esposa, Anabel Nuñez Aranzola, por compartir conmigo el estrés de los últimos momentos.. A Leonardo Rodríguez Jiménez, por su asesoría, apoyo y sus comentarios que enriquecieron este trabajo investigativo.. A Jorge Denis Raimundo Tagle, por apoyarme cuando más lo necesitaba.. A Carlos Rodríguez, por el apoyo brindado.. Y finalmente agradezco a mi familia, a mis amigos y a todos los que de una manera u otra me han acompañado durante estos años de universidad..

(6) iv. TAREA TÉCNICA. Para la realización de este trabajo de diploma se ejecutarán las siguientes tareas: . Descripción de las tecnologías para comunicaciones móviles existentes en el mundo y la infraestructura y futuro desarrollo de estas en Cuba.. . Caracterización de la tecnología LTE.. . Elaboración de un procedimiento de trabajo para el dimensionamiento en Atoll 3.1.2 de redes LTE.. . Definición de las condiciones iniciales para el dimensionamiento de una red LTE para Santa Clara.. . Dimensionamiento de una red LTE para Santa Clara mediante el software Atoll 3.2.1.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(7) v. RESUMEN. Recientemente y en el marco del programa Conectar 2020, el gobierno cubano ha comenzado a elaborar una estrategia para el desarrollo de la Banda Ancha. Como parte de la misma se espera brindar un alto nivel de cobertura de Internet móvil en el país, comenzando por las principales ciudades y cabeceras provinciales. Bajo estas premisas la elección de LTE como tecnología a implementar en la ciudad de Santa Clara es viable. Este trabajo tiene como objetivo dimensionar una red LTE para la ciudad de Santa Clara mediante el uso del software Atoll. En el cuerpo del trabajo se describe la evolución de las comunicaciones móviles, el estado actual de estas en el país y se brindan las principales características de la tecnología LTE. Además se definen las particularidades del trabajo con el software Atoll 3.2.1 para este tipo de redes y finalmente se dimensiona una red LTE para la ciudad de Santa Clara. ..

(8) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO ....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................... iii TAREA TÉCNICA................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................ v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE .................................................. 4. 1.2. Desarrollo de las comunicaciones móviles en Cuba ................................... 6. 1.3. LTE ....................................................................................................................... 7. 1.3.1. Arquitectura de la red LTE ............................................................................ 8. 1.3.2. Tecnología de la capa física ....................................................................... 10. 1.3.3. Interfaz de radio ............................................................................................... 15. 1.3.4 1.3.5. Estructura de las tramas LTE ..................................................................... 17 QoS .................................................................................................................... 19. CAPÍTULO 2.. CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL .......................... 23. 2.1. Introducción a las RPN ....................................................................................... 23. 2.2. El software Atoll ................................................................................................... 26. 2.3. Configuración de una plantilla LTE................................................................... 27.

(9) vii 2.3.1. Configuración de una zona. ........................................................................... 29. 2.3.2. Configuración de un sitio. ............................................................................... 30. 2.3.6. Optimización. .................................................................................................... 33. 2.4. Dimensionamiento de una red de comunicaciones. ...................................... 34. 2.4.1. Proyecto de trabajo ...................................................................................... 35. 2.4.2. Ubicación de las estaciones base. ............................................................ 36. 2.4.3 2.5. Modelos de propagación. ........................................................................ 36 Conclusiones parciales. .............................................................................. 38. CAPÍTULO 3.. RED LTE PARA SANTA CLARA. ...................................................... 39. 3.1. Internet móvil en Cuba........................................................................................ 39. 3.2. Heterogeneidad de las Redes ........................................................................... 40. 3.3 3.3.1 3.3.3. Proyecto de trabajo para la red LTE de Santa Clara ................................. 41 Área de servicio. ........................................................................................... 41 Perfiles de subscriptores ................................................................................ 42. 3.3.4. Distribución de subscriptores. .................................................................... 42. 3.3.5. Perfiles de Servicio. ..................................................................................... 42. 3.3.6. Espectro permitido. ...................................................................................... 42. 3.3.7. Infraestructuras existentes. ........................................................................ 43. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 51 Conclusiones. ................................................................................................................. 51 Recomendaciones ......................................................................................................... 51 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 52.

(10) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El gran desarrollo alcanzado, en un corto intervalo de tiempo, por las redes de acceso inalámbricas ha sido un fenómeno único en el desarrollo tecnológico de la sociedad. Incluso, las predicciones más optimistas sobre la penetración de estos sistemas en el mercado y sus prestaciones ya han sido superadas por la realidad [1]. Mirando atrás, las tecnologías de acceso inalámbricas han seguido múltiples caminos convergentes en un solo objetivo: altos valores de eficiencia y desempeño en entornos de alta movilidad [2]. Así, en las últimas dos décadas, las tecnologías de acceso inalámbricas han transitado desde los sistemas de primera generación analógicos, basado en su totalidad en conmutación de circuitos, con capacidad limitada de voz y limitada movilidad, hasta los sistemas de tercera generación digitales, basado en conmutación de paquetes, con un significativo aumento de capacidad y movilidad implementaciones, todo IP (Internet Protocol) que ofrecen una gran variedad de servicios multimedia [3]. Es con esta tercera generación que se han abierto las puertas a las redes móviles de banda ancha, siendo la evolución natural de la convergencia de las potencialidades de la telefonía celular y el desarrollo que ha tenido Internet desde su aparición. El advenimiento de los sistemas de tercera generación o Internet Móvil, han hecho posible muchos nuevos servicios y aplicaciones impactando tanto en el sector público como en el sector privado. Con la evolución de las redes móviles a la tercera generación, los usuarios pueden interactuar en vivo, a través de voz y video, con sus familiares y amigos. Al mismo tiempo, los servicios de intercambio y las redes sociales han dado como resultado una multitud de textos, audios, videos, que están siendo constantemente subidos a Internet. Aún con estas posibilidades, la creciente demanda y popularidad de las aplicaciones y servicios móviles ha llamado a la comunidad científica al desarrollo de una conexión de banda ancha con mejores prestaciones, donde la conectividad pueda darse a cualquier hora en cualquier lugar [4]. Esto ha hecho que se comiencen a desarrollar propuestas.

(11) INTRODUCCIÓN. 2. tecnológicas para ser parte de esta nueva visión, o lo que es lo mismo, entrar en la cuarta generación. Una de las tecnologías que compiten por este objetivo es LTE, la cual desde su aparición se ha ido implementando rápidamente en el mundo. En Octubre de 2012, la GSA (Global mobile Suppliers Association) publicó un informe en el cual establece que actualmente son 351 los operadores de telecomunicaciones que están invirtiendo en LTE en 104 países. Hasta la fecha existen 299 redes LTE comerciales en 93 países [5]. Recientemente y en el marco del programa “Conectar 2020”, el gobierno cubano ha comenzado a elaborar una estrategia para el desarrollo de la banda ancha en Cuba. En esta se pretende aumentar el impacto de las Telecomunicaciones en la transformación y modernización de la economía y la sociedad cubana, mediante el empleo eficaz e intensivo de las nuevas tecnologías por la población, el sector empresarial y las instituciones del estado y el gobierno, en un ámbito de seguridad razonable. Como parte de la misma se espera brindar un alto nivel de cobertura de Internet móvil en el país, comenzando por las principales ciudades [6]. Bajo estas premisas la elección de LTE como tecnología a implementar en Cuba es viable. Las razones expuestas con anterioridad y la implementación de la red LTE en el marco de la ciudad de Santa Clara establecen el problema científico de este trabajo que se propuso responder la siguiente interrogante: ¿Cómo alcanzar los objetivos de la estrategia para el desarrollo de la banda ancha en Cuba mediante la implementación de una red LTE para la ciudad de Santa Clara? Como Objetivo General se declara: Dimensionar una red LTE para la ciudad de Santa Clara mediante el uso del software Atoll. Los Objetivos Específicos para dar cumplimiento al objetivo general son: . Caracterizar la evolución de las comunicaciones móviles y el estado actual de estas en la ciudad de Santa Clara.. . Describir las características esenciales de la tecnología LTE.. . Definir los criterios y el procedimiento para el dimensionamiento de una red LTE mediante el software Atoll para la ciudad de Santa Clara.. . Implementar el procedimiento en una red de LTE para Santa Clara que cumpla con los objetivos de la estrategia para el desarrollo de la banda ancha en Cuba..

(12) INTRODUCCIÓN. 3. La importancia de este trabajo radica en dos aspectos esenciales: el procedimiento para dimensionar una red LTE mediante el software Atoll y la propuesta final de red para la ciudad de Santa Clara. El primero constituye un aporte desde el punto de vista metodológico y práctico para el dimensionamiento de este tipo de redes, mientras que el segundo aspecto sirve como una propuesta inicial para la futura implementación de una red LTE. El informe de esta investigación se encuentra estructurado en introducción, tres capítulos de desarrollo, conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas. En el Capítulo 1 se realiza un estudio de la evolución de las comunicaciones móviles, la situación de estas en Cuba, así como, los principios teóricos de una red LTE. En el estudio de la red LTE se analizan aspectos como: características básicas del sistema LTE, arquitectura completa el sistema LTE, técnicas de acceso múltiple OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) y SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) para enlace descendente y ascendente respectivamente. Además, se hace referencia al uso de la transmisión y recepción mediante MIMO (Multiple Input Multiple Output). Por último se describe lo referente a la interfaz radio del sistema LTE y el reúso de frecuencia. El procedimiento para el dimensionamiento de una red LTE con la utilización del software Atoll se exponen en el Capítulo 2. En este se brinda una descripción del software Atoll como herramienta de trabajo y en la evaluación se tienen en cuenta aspectos como: parámetros configurados, predicciones de cobertura disponible, elección de los parámetros de la red, definición de las bandas de frecuencia y estudios de capacidad. Finalmente, el Capítulo 3 brinda una caracterización del escenario de trabajo, la ciudad de Santa Clara, donde se registran las características demográficas, topográficas y se definen los objetivos a alcanzar por la red LTE. Además se realiza el dimensionamiento de una red de este tipo analizando los resultados obtenidos..

(13) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 4. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. Durante los últimos años las redes de comunicaciones móviles han ganado mucha popularidad debido al incremento que han tenido sus prestaciones de servicio y al descubrimiento de nuevas aplicaciones donde pueden ser empleadas. Actualmente los usuarios de redes de este tipo pueden trasmitir y recibir voz, datos y video, todo esto a grandes velocidades de transmisión y gran movilidad, sin necesidad de estar físicamente conectados a un determinado lugar. Con estas nuevas posibilidades se hace muy fácil la rápida incorporación de nuevos usuarios a la red. En este capítulo se presenta una breve descripción del desarrollo que han tenido las redes de comunicaciones móviles en el mundo y en especial en Cuba. A partir de esto y una vez se justifique la implementación de este tipo de redes en el territorio nacional para aumentar el acceso de la población y las instituciones a Internet, se describirán las características de las redes LTE que la hacen una opción viable para lograr los objetivos futuros de informatización y conectividad en el país.. 1.1 Evolución de las comunicaciones móviles A principios de los años 80 se dieron a conocer los en el mundo los primeros sistemas de comunicaciones móviles celulares analógicas. Cada país desarrollaba su propio sistema, los teléfonos móviles que solo funcionaban en el país en que se había comprado. Esto se debía a que la tecnología de un país no era compatible con la de otro, es por eso que se puede encontrar en la literatura el nombre de tecnologías nacionales o primera generación [7]. En 1982, un consorcio de países europeos creó el Group Spécial Mobile, para desarrollar una tecnología celular que proveyera un servicio común de telefonía móvil europea. Desde el inicio el grupo tenía la idea de que el nuevo estándar debía utilizar la tecnología.

(14) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 5. digital en lugar de la analógica de los sistemas anteriores. A su salida al mercado se hizo evidente que sería una tecnología global y no europea por lo que las siglas GSM pasaron a significar Global System for Mobile Communications. Su principal característica es la capacidad de transmitir datos además de voz a una velocidad de 9.6 kbps y es representativo de la segunda generación de las comunicaciones móviles [8]. El sistema GSM fue evolucionando y en el 2001 se implantó el sistema GPRS, a lo que se denominó como generación 2.5, más tarde el sistema GPRS evolucionó al sistema EDGE que apareció por primera vez en el año 2003. El sistema EDGE es otra tecnología desarrollada de las redes GSM, que permite velocidades de datos de hasta 384 kbps [8]. Los sistemas de tercera generación tuvieron su aparición con el sistema UMTS también llamado W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) promovido por el 3GPP. Una de las principales ventajas de UMTS sobre la segunda generación es la capacidad de soportar mayores velocidades de transmisión de datos, en concreto de 144 kbps en macroceldas grandes y 384 kbps en macroceldas pequeñas y microceldas [8]. Posteriormente apareció la tecnología HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) y HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), conocidos juntos como HSPA, como mejora de la tecnología UMTS. Consiste en un nuevo canal que mejora significativamente la capacidad máxima de transferencia de información hasta alcanzar velocidades de 14.4 Mbps. Es totalmente compatible con todas las aplicaciones en multimedia desarrolladas para UMTS. Además permite que la red sea utilizada simultáneamente por un número mayor de usuarios, HSDPA provee tres veces más capacidad que UMTS[8]. Finalmente y con vistas a acercarse a los parámetros definidos para la cuarta generación de servicios móviles el 3GPP introduce LTE en el 2009 con velocidades superiores a los 100 Mbps. Actualmente se comienza a introducir su última evolución LTE-A (Long Term Evolution-Advanced). Paralelamente a este desarrollo, la IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) creó desde el comienzo de los años 90’ grupos de trabajo para la creación de estándares capaces de determinar las características y el funcionamiento de las redes de acceso inalámbricas de banda ancha, específicamente IEEE 802.16 o WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). Siendo la principal competencia de LTE el estándar IEEE 802.16e y su última evolución la IEEE 802.16m. La Figura 1.1 muestra el desarrollo paralelo de las tecnologías 3PGG e IEEE..

(15) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 6. Figura 1.1. Evolución de las comunicaciones móviles [9].. 1.2 Desarrollo de las comunicaciones móviles en Cuba En Cuba la empresa encargada del desarrollo de la infraestructura de las telecomunicaciones es ETECSA (Empresa de Telecomunicaciones de Cuba S.A). Esta cuenta con una red de telefonía móvil basada en GSM desde el 1 de mayo de 2001, la cual comenzaba a brindar servicios de GPRS para el año 2004. La red de acceso posee estaciones bases de tres tecnologías a lo largo de toda la isla. Las provincias desde Pinar del Río hasta Matanza (incluyendo la Isla de la Juventud) con BTS (Base Transceiver Station) de la marca Ericsson, mientras que las provincias centrales Cienfuegos, Villa Clara y Sancti Spiritus son de la marca ZTE y en el resto del país Huawei. La conectividad a los servicios de datos se ofrece a través de GPRS y EDGE. ETECSA cuenta con una cifra aproximada de 265 acuerdos de roaming internacional, donde sólo se provee conectividad a la red matriz del abonado, la cual se encarga de ofrecer los servicios de forma específica. Para mayo de 2012, ETECSA había desplegado una red de tercera generación basada HSDPA en zonas puntuales de la Isla donde existe mayor tráfico de roaming, para aumentar las velocidades que se ofrecen actualmente. Las bandas de frecuencia en uso son la de GSM900 y GSM850 en algunas locaciones para los servicios de segunda generación y la banda de 2100 MHz se utiliza para la red 3G [10]. En el marco de del programa “Conectar 2020” propuesto por la ITU (International Telecommunication Union) el Estado cubano se ha trazado una estrategia para organizar, regular y trazar las líneas para el desarrollo integral de la Banda Ancha. En consecuencia, servirá de guía a las entidades nacionales y a la población, en el desarrollo, explotación y utilización de servicios de comunicaciones. El alcance de los objetivos, lineamientos y metas de esta estrategia se enmarcan en el período del 2015 al 2020 en el marco de una.

(16) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 7. proyección hacia el año 2030. La Tabla 1.1 muestra el estado actual de Cuba respecto al resto del mundo en áreas claves del desarrollo como el acceso a Internet [6]. Tabla 1.1: Situación de la banda Ancha e Internet en Cuba respecto al mundo[6].. Ante los desafíos que ETECSA tiene por delante, una solución inalámbrica al problema podría hacer que al término del año 2020 parte de los objetivos se hayan cumplido, siendo LTE una tecnología atractiva para lograr un rápido despliegue en corto tiempo.. 1.3 LTE Al final del año 2004 se empezó en el 3GPP a discutir la evolución del sistema 3G hacia una nueva generación. Los objetivos marcados en un principio para esta nueva generación fueron los siguientes [11]: . Que el sistema estuviese basado en la conmutación de paquetes de forma que no hubiesen partes operando en conmutación de circuitos.. . Unas tasas de transferencias de datos superiores a 100 Mbps.. . Una mejor calidad del servicio. Para ello había que lograr una reducción del tiempo de latencia tanto en el plano de control como en el de usuario.. . Una estructura de red más económica (red plana basada en IP cuyos equipos son más baratos y de fácil adquisición).. Así, en marzo del 2009 hizo su aparición el sistema LTE que presenta las siguientes características [8]: . El sistema LTE proporciona velocidades máximas de transmisión pico de 100 Mbps en el enlace descendente (DL) y 50 Mbps en el ascendente (UL)..

(17) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE . 8. Da la opción de trabajar con anchos de banda variables: 1.4, 3, 5, 10, 15 y 20 MHz. El uso de una canalización u otra marcará el límite de las tasas de transmisión.. . En LTE se tienen diferentes bandas de frecuencia disponible.. . Se mejora la eficiencia espectral con respecto a los sistemas anteriores, en un factor 3 aproximadamente. Esta mejora se debe principalmente a las técnicas de acceso que utiliza el sistema LTE. Estas son OFDMA para el enlace descendente y SC-FDMA para el ascendente.. . Introducción de la tecnología MIMO para aumentar la capacidad del sistema.. . Uso de varios tipos de modulación en función del estado del canal radio, que permitirán la obtención de diferentes velocidades. Estas modulaciones son QPSK, 16QAM y 64 QAM.. . Retardos de latencia de un máximo de 10 ms.. . Arquitectura plana basada en IP.. . Compatibilidad y coexistencia con otros sistemas, sean 3GPP o no.. . Costo por bit reducido tanto para el operador como para el usuario.. 1.3.1 Arquitectura de la red LTE La arquitectura de una red LTE consta de una red de acceso, a la que se le denomina EUTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network), y una nueva arquitectura de red troncal denominada EPC (Evolved Packet Core) la cual ha de permitir la movilidad entre múltiples y heterogéneos sistemas de acceso (2G/3G, LTE, WLAN, etc.). Por lo tanto, el sistema LTE consiste en una red de acceso llamada E-UTRAN y una red troncal denominada EPC. El EPS (Evolved Packet System) es la denominación formal de la arquitectura completa del sistema LTE en las especificaciones, proporcionará conectividad IP entre el terminal del usuario y una red externa de paquetes utilizando para ello el E-UTRAN. La Figura 1.2 muestra la estructura del sistema LTE..

(18) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 9. Figura 1.2: Estructura del sistema LTE propuesto por 3GPP [8]. En esta arquitectura la calidad de servicio de transferencia de paquetes IP (como por ejemplo la velocidad de transmisión o los retardos admisibles) puede configurarse en función de las necesidades de los servicios finales, cuyo establecimiento se realiza en plataformas externas. El EPS consta de varias interfaces. La interfaz entre E-UTRAN y EPC se denomina S1 y es la encargada de proporcionar a la EPC los mecanismos que se necesitan para la gestión del acceso de los terminales móviles a través de la red de acceso E-UTRAN. Esta interfaz está formada por dos interfaces diferentes, una para dar soporte al plano de control, denominada interfaz S1-MME, y otra para el plano de usuario, denominada S1-U [12]. El plano de usuario de una interfaz se refiere a los protocolos empleados para el envío de tráfico de usuario a través de esta interfaz y el plano de control de una interfaz hace referencia a los protocolos que soportan las funciones y procedimientos necesarios para gestionar la operación de dicha interfaz, como por ejemplo la configuración de una BTS. Esta separación es una característica importante en la organización de las torres de protocolos asociadas a las interfaces de la red LTE que permite dimensionar de forma independiente los recursos de transmisión necesarios para la señalización del sistema y para el envío de tráfico de usuarios. Por otra parte, la interfaz X2, que es opcional, conecta las BTS entre sí con el objetivo de que estos intercambien mensajes de señalización para una gestión más eficiente de los recursos radio. Finalmente, otra interfaz a destacar sería la interfaz E-UTRAN Uu que.

(19) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 10. conecta los terminales de los usuarios y las BTS de E-UTRAN, denominadas eNB (evolvedNode B). En la Figura 1.3 se muestra dicha estructura.. Figura 1.3. Interfaces de la EPS [8]. En comparación con la arquitectura de la tecnología predecesora, la principal diferencia es que se ha perdido la jerarquización en la red teniendo así una arquitectura plana donde la integración de todas las funciones de la red de acceso al eNB, permite reducir el tiempo de latencia.. 1.3.2 Tecnología de la capa física En este epígrafe se definen los fundamentos más importantes del nivel físico que se implementan en el sistema LTE y que permiten alcanzar mayores niveles de capacidad y eficiencia en el uso de los recursos radio que los sistemas predecesores. En el enlace descendente se usa la técnica de acceso múltiple denominada OFDMA y para el enlace ascendente, la técnica denominada SC-FDMA. Además se puede usar la transmisión y recepción con múltiples antenas.. OFDMA La técnica de acceso múltiple OFDMA utilizada en el enlace descendente del sistema LTE ofrece la posibilidad de que los diferentes símbolos modulados sobre las subportadoras pertenezcan a usuarios distintos. Por tanto, permite alojar varias transmisiones.

(20) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 11. simultáneas correspondientes a diferentes flujos de información al viajar en subportadoras diferentes. El acceso múltiple se consigue dividiendo el canal en un conjunto de subportadoras que se reparten en grupos en función de la necesidad de cada uno de los usuarios. El sistema se realimenta con las condiciones del canal, adaptando continuamente el número de subportadoras asignadas al usuario en función de la velocidad que éste necesita y de las condiciones del canal. Si la asignación se hace rápidamente, se consigue cancelar de forma eficiente las interferencias y los desvanecimientos rápidos. En la Figura 1.4 se muestra una representación del espectro de la señal OFDMA [12].. Figura 1.4: Espectro señal OFDMA [8]. Se puede apreciar en la figura que no es necesario que las subportadoras sean contiguas, pues los símbolos de un usuario pueden estar distribuidos sobre subportadoras no contiguas. Esta técnica de acceso presenta ventajas, de las cuales se podrían considerar como principales las siguientes [8]: . Diversidad multiusuario: la asignación de subportadoras se realiza de manera dinámica. Como el canal radio es inestable, presentará desvanecimientos aleatorios en las diferentes subportadoras, se puede seleccionar para cada una el usuario que presente un mejor estado del canal. Así se consigue una mayor velocidad de transmisión y una mayor eficiencia espectral. No obstante, hay diferentes criterios para la asignación de subportadoras. Esto asignación se realiza mediante el scheduling o gestor de recursos.. . Diversidad en frecuencia: es posible asignar a un mismo usuario subportadoras no contiguas, separadas suficientemente como para que el estado del canal en las.

(21) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 12. mismas sea independiente, lo que proporciona diversidad en frecuencia para la transmisión de dicho usuario ante canales selectivos en frecuencia. . Robustez frente al multitrayecto: mediante la utilización de un prefijo cíclico, esta técnica es muy robusta frente a la interferencia intersímbolo, resultante de la propagación multitrayecto y se puede combatir la distorsión mediante técnicas de ecualización en el dominio de la frecuencia, que resultan menos complejas que las que se realizan en el dominio del tiempo.. . Flexibilidad en la banda asignada: esta técnica de acceso múltiple proporciona una forma sencilla de acomodar diferentes velocidades de transmisión a los diferentes usuarios en función de las necesidades de servicio requeridas por cada usuario, simplemente asignando más o menos subportadoras a cada usuario.. . Elevada granularidad en los recursos asignables: como se subdivide la banda total en un conjunto elevado de subportadoras de banda estrecha que se asignan dinámicamente a los usuarios, se dispone de una elevada granularidad a la hora de asignar más o menos recursos a cada uno, lo que facilita acomodar servicios con diferentes requisitos de calidad.. No obstante a las ventajas antes mencionadas, algunos de los inconvenientes de esta técnica de acceso se describen a continuación: . Poca eficiencia en el consumo de potencia: la relación entre potencia pico envolvente de la señal y la potencia media, PAPR (Peak Average Power Ratio), es muy elevada, lo que obliga a utilizar amplificadores de alta linealidad.. . Es muy sensible a los offsets de frecuencia, ruido de fase, etc.. . Aunque presenta robustez frente al multitrayecto gracias al prefijo cíclico, el uso de este genera una reducción en la velocidad de transmisión.. SC-FDMA Como ya se ha dicho, en LTE se utiliza la técnica OFDMA para el enlace descendente. Esta técnica presenta un mal PAPR, no obstante, ese problema se soluciona con amplificadores de alta linealidad aunque esto requiera el consumo de más potencia. Sin embargo, en el terminal del usuario es crítico reducir el consumo de potencia por lo que se utiliza una técnica de acceso de portadora única denominada SC-FDMA. Esta es una nueva técnica de modulación híbrida, que combina la robustez frente a la propagación multicamino y flexibilidad de ubicación de las subportadoras propia de los.

(22) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 13. sistemas OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) con menor PAPR propia de las modulaciones con portadora única. Dicha tecnología reduce el nivel de los picos de potencia en el dominio del tiempo pero aumenta la potencia radiada fuera de banda en el dominio de la frecuencia. También genera una pérdida de sensibilidad entre 2 y 3 dB en canales con desvanecimientos. Por último, cabe mencionar que esta técnica permite dos modos de mapeo de las subportadoras. Uno de ellos es el modo localizado, mostrado en la Figura 1.5, el cual hace que los usuarios tengan subportadoras contiguas. Este es el modo de operación elegido para LTE.. Figura 1.5. SC-FDMA modo localizado [8]. El otro modo es el distribuido, que tiene dos formas de operar. La primera forma de operación se caracteriza por el hecho de tener las subportadoras de un usuario equidistantes (Figura 1.6a). La otra forma de operar no permite una distribución uniforme de las subportadoras en la banda disponible (Figura 1.6b). El modo distribuido, en sus dos variantes de operación se muestra en la siguiente figura.. Figura 1.6. SC-FDMA modo distribuido [8].. MIMO El sistema MIMO utiliza múltiples antenas tanto para recibir como para transmitir. Una transmisión de datos a tasa elevada se divide en múltiples tramas más reducidas, donde cada una de ellas se modula y transmite a través de una antena diferente en un momento determinado, utilizando la misma frecuencia de canal que el resto de las antenas. Debido a reflexiones por multitrayecto la señal a la entrada de cada antena receptora es una.

(23) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 14. combinación lineal de múltiples tramas de datos transmitidas por cada una de las antenas transmisoras. Las tramas de datos se separan en el receptor usando algoritmos que se basan en estimaciones de todos los canales entre el transmisor y el receptor. Además de permitir que se multiplique la tasa de transmisión, al tener más antenas, el rango de alcance se incrementa al aprovechar la ventaja de disponer de antenas con diversidad. La teoría de la capacidad inalámbrica, extiende el límite del teorema de Shannon [13] en el caso de la utilización de esta tecnología. Este resultado teórico prueba que la capacidad de transmisión de datos y rango de alcance de los sistemas inalámbricos MIMO se puede incrementar sin usar más espectro de frecuencias. Este aumento es de carácter indefinido, simplemente utilizando más antenas en transmisión y recepción y teniendo una calidad de canal aceptable. El sistema MIMO requiere la existencia de un número de antenas idéntico a ambos lados de la transmisión, por lo que en caso de que no sea así, la mejora será proporcional al número de antenas del extremo que menos antenas tenga. En la Figura 1.7 se muestra este efecto:. Figura 1.7. Efecto del número de antenas en MIMO [8]. Donde: L: número de antenas. R: tasa de transmisión. B: ancho de banda. Eb/No: relación señal a ruido del canal..

(24) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 15. Se puede concluir al apreciar la anterior que para una Eb/No fijada, con un número mayor de antenas se obtienen mayores tasas de transmisión.. 1.3.3 Interfaz de radio La capa física de la interfaz radio del sistema LTE se basa en la utilización de técnicas de acceso múltiple OFDMA en el enlace descendente y SC-FDMA en el enlace ascendente como ya se ha mencionado. En ambos casos, la separación entre subportadoras es fija e igual a 15 KHz. En la Tabla 1.2 se muestra el número de subportadoras en función de la canalización del sistema LTE [12]: Tabla 1.2: Relación subportadoras – canalización del sistema LTE Canalización (MHz). 1.4. 3. 5. 10. 15. 20. Subportadoras. 73. 181. 301. 601. 901. 1201. La capa física del sistema LTE está diseñada para que opere en las bandas altas de UHF (Ultra High Frequency), es decir, por encima de los 450 MHz y hasta los 3.5 GHz. El estándar define más de 40 posibles bandas de operación para trabajar en modo FDD (Frequency Division Duplex) o TDD (Time Division Duplex) [12]. TDD utiliza una sola banda de frecuencia para transmitir y recibir. Esto se logra mediante la asignación de ranuras de tiempo alternas para transmitir y recibir, tal como se muestra en la Figura 1.8.. Figura 1.8. Ranuras de tiempo para trasmitir y recibir en TDD [14]. FDD requiere dos canales de comunicación separados. En los sistemas inalámbricos necesitan dos bandas separadas de frecuencia o canales como se muestra en la Figura 1.9. Una cantidad suficiente de banda de guarda separa las dos bandas de modo que el transmisor y el receptor no interfieran uno con el otro..

(25) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 16. Figura 1.9. Separación de canales en FDD[14]. A continuación, la Tabla 1.3 muestra las posibles bandas de operación para los sistemas LTE. Tabla 1.3. Bandas de operación LTE [15].. Los posibles esquemas de modulación tanto para el enlace descendente como para el ascendente son QPSK, 16-QAM y 64-QAM, dependiendo de la capacidad del terminal móvil. En LTE se denomina PRB (Physical Resource Block), al mínimo elemento de información que puede ser asignado por el eNB a un terminal móvil. Un PRB ocupa 180 kHz de banda equivalente a 12 subportadoras equiespaciadas 15 kHz entre ellas y en él se transmiten 6.

(26) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 17. o 7 símbolos OFDMA, dependiendo de la longitud del prefijo cíclico. La duración de un PRB es de 0.5 ms, es decir la duración de un slot o ranura de tiempo. La Figura 1.10 esquematiza el concepto del PRB [8].. Figura 1.10 Concepto del PRB [8]. Basado en todos estos elementos se puede calcular la velocidad de transmisión pico para una celda. Esos valores de tabulan en la Tabla 1.4 y dan una idea de la capacidad real de una eBN. Tabla 1.4: Velocidades pico en función de la canalización del sistema LTE Canalización (MHz). 1.4. 3. 5. 10. 15. 20. Velocidadpico (Mbps). ≈6. ≈15. ≈25. ≈50. ≈75. ≈100. ≈12,8. ≈21. ≈42,5. ≈63,7. ≈85. Velocidad. (15%. de ≈5,1. losrecursosdestinados a control y señalización). 1.3.4 Estructura de las tramas LTE En el dominio del tiempo los recursos físicos del sistema LTE se estructuran siguiendo dos tipos de estructuras de trama, de tipo 1 (SF1) y de tipo 2 (SF2). A continuación se nombran las características de la SF1 y se adjunta una representación gráfica de esta en la Figura 1.11:.

(27) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 18. . La estructura es igual tanto para el enlace ascendente como descendente.. . Soporta tanto half como full FDD.. . La estructura esta optimizada para coexistir con el sistema UMTS.. . En cada Time Slot se trasmiten 6 ó 7 símbolos OFDM (7 símbolos si el prefijo cíclico tiene una duración de 4.7 μs, salvo el primero que es de 5.2 μs, y 6 símbolos si el prefijo cíclico dura 16.67 μs, que se utiliza en celdas muy grandes).. . Los usuarios se ubican en determinadas subportadoras por un intervalo de tiempo preestablecido.. Figura 1.11: Estructura de trama SF1 [8].. Las características fundamentales de la trama de tipo 2 (SF2) son: . Tiene una estructura mucho más flexible que la SF1.. . Está pensada para TDD.. . Contiene subtramas de transmisión DL y UL así como subtramas especiales que contienen los bits piloto de DL y UL y periodos de guarda entre transmisión y recepción.. . Tiene 7 combinaciones diferentes de ubicación de las diferentes subtramas. Las subtramas 0 y 5 son siempre para transmisión DL y la subtrama 1 es siempre de tipo especial como se indica en la Figura 1.12..

(28) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 19. Figura 1.12. Configuraciones de la trama SF2 [8].. 1.3.5 QoS QoS (Quality of Service) es un concepto en el que los requisitos de servicio de algunas aplicaciones de usuarios son más críticas que otras, lo que requiere un manejo preferencial del correspondiente tráfico. El objetivo de la calidad de servicio es proporcionar prestaciones de servicios preferencial a las aplicaciones que lo necesiten, garantizando suficiente ancho de banda, el control de la latencia y la reducción de la pérdida de datos. Mediante el uso de los mecanismos de QoS de red, administradores u operadores pueden utilizar los recursos existentes de manera eficiente y garantizar el nivel requerido de un servicio sin sobredimensionar sus redes. Para garantizar QoS, en LTE los servicios se dividen en 9 identificadores de clases de servicios tal como se muestra en la Figura 1.13. Para cada uno de estos se define un valor de prioridad en la red, con vistas a una mejor gestión de los recursos..

(29) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 20. Figura 1.13: Identificadores de clases de Servicio [9].. 1.3.6 Scheduler Bajo el sistema LTE, una red opera con servicios de scheduling centralizados en la eBN, donde el scheduler de la misma es el responsable de los parámetros físicos de transmisión para una conexión mediante el reporte de calidad del canal enviado por la UE (User Equipment). Es entonces cuando tomando en cuenta los parámetros de QoS de los flujos de servicios y los reportes de calidad, el scheduler ajusta la razón de datos y la latencia para el enlace DL (Download) y UL (Upload) de una determinada MS [16]. Aunque hay implementaciones propietarias, en la literatura se reportan tres schedulers bien definidos, que son [17]: . Round Robin: que garantiza un tiempo igual de transmisión a todos los usuarios, independiente de la condición de radio. No es muy eficiente porque si el usuario no tiene la mejor condición de radio se le asignan recursos de todas formas. Este tipo de scheduler es apropiado para sistemas rurales con zonas despejadas.. . Proportional Fair: asigna un tiempo proporcional a la condición de radio instantánea, generando un valor de prioridad sobre los usuarios. Es apropiado para ambientes urbanos de alta densidad de población porque mantiene un número alto de usuarios con la menor razón de transmisión.. . Max CINR (Max Carrier- Interference and Noise Ratio): se le sirve al usuario la mejor condición de radio instantánea, siendo injusto porque los UE más cercanos a la eBN tendrán mayor tiempo de transmisión y mayor razón de datos..

(30) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 21. 1.3.7 Reúso de frecuencia El método de acceso de LTE proporciona ortogonalidad entre los usuarios de una misma celda, tanto en el enlace ascendente como descendente. En general, y por ese motivo, las prestaciones de LTE en términos de eficiencia espectral y tasas de transmisión de pico están más limitadas por las interferencias provenientes de celdas vecinas en comparación con lo que sucedía en las tecnologías de tercera generación. Por lo tanto, cualquier técnica que permita reducir las interferencias entre celdas se traducirá en una mejora en las prestaciones del sistema LTE en términos de calidad de servicio que se pueda ofrecer a usuarios en los límites o bordes de las celdas. La coordinación de interferencias entre celdas es una técnica integrada en el grupo de funciones del Schedule, mediante la cual se controla el nivel de interferencia que reciben los usuarios en los bordes de las celdas para mejorar parámetros de calidad de servicio, en particular, su tasa de transmisión. Esta técnica implicará aplicar ciertas restricciones en las funciones de scheduling en el dominio de la frecuencia, tanto en el enlace ascendente como descendente, configurando el equivalente a esquemas de reúso en frecuencia distintos para el interior y el exterior de las celdas [18]. La Figura 1.14 muestra los posibles esquemas de reúso de frecuencias en LTE:. Figura 1.14. Posibles esquemas de reúso de frecuencias en LTE [19]..

(31) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 22. 1.4 Conclusiones parciales En el ámbito nacional actual se hace necesario, para satisfacer las necesidades de conexión de Banda Ancha de la sociedad, la implementación en corto tiempo de nuevas tecnologías que permitan el aumento en la cantidad de usuarios y un servicio acorde a la capacidad adquisitiva de la población. La descripción realizada en este capítulo de la tecnología LTE muestra por qué resulta tan atractiva para los operadores y su posible implementación en el país. Además, la caracterización de esta tecnología servirá de base teórica para el desarrollo de este trabajo..

(32) CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS REDES LTE. 23. CAPÍTULO 2. CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. El diseño de una red de comunicaciones móviles involucra toda una serie de cuestiones tales como la elección de la banda de frecuencias, los tipos de antenas y los equipos de radiocomunicación, el cálculo del balance de potencias, la estimación de los niveles de ruido e interferencia y el conocimiento de las distintas modalidades y fenómenos de propagación radioeléctricas, entre otras cuestiones. Realizar este proceso de forma manual es algo engorroso por lo que la utilización de aplicaciones informáticas de simulación, con cartografías digitales del terreno constituye una potente herramienta de ayuda en la planificación. En las aplicaciones modernas, todas las herramientas requeridas están normalmente integradas en un solo paquete que se denomina RPN (Radio Planning Network). Si el mismo está formado correctamente, el usuario final, en este caso el diseñador de la red, ignorará que está usando varias herramientas cuando realiza el diseño de una red [1]. En el presente capítulo se caracterizará las herramientas RPN y se configurará este software (Atoll 3.2), para dimensionar una red LTE. Además se presentara un esquema que permita comprender el proceso de dimensionamiento a través de una herramienta RPN.. 2.1 Introducción a las RPN Una herramienta RPN es un software de planificación de redes que juega un papel importante en el trabajo diario de los operadores de redes. Cuando los requisitos comerciales por demanda de servicio están basados en planes comerciales, la tarea de los planificadores de redes es cumplir los objetivos con la menor inversión posible. Para lograr esto es necesario encontrar un punto medio óptimo entre calidad, capacidad y.

(33) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 24. cobertura para todos estos servicios a desplegar. Así las herramientas RPN son uno de los principales soportes para conseguir esta optimización [1]. Una herramienta de este tipo presenta los siguientes componentes: . Mapa Digital:. El requisito más importante de una herramienta RPN es el mapa geográfico del área de planificación. El mapa es necesario para las predicciones de cobertura y modelado de tráfico, cuyos datos serán posteriormente usados en la fase de cálculo y en utilidades de análisis. Un mapa de RPN debe incluir al menos datos topográficos (altura del terreno), de forma (tipo de terreno) y ubicación de los edificios y datos de altura, en forma de mapas raster. Además, es importante que incluya datos vectoriales de edificios para la localización digital de estos en el mapa. . Proyecto:. Un proyecto es una combinación de varios objetos que forman un paquete entendible por el planificador de red. Está generalmente definido por los siguientes elementos: 1. Mapa digital 2. Propiedades del mapa. 3. Área a planificar 4. Tecnología de acceso elegida 5. Parámetros de entrada para cálculos 6. Modelos de antenas. Un proyecto es creado y definido antes de que empiecen las actividades de dimensionamiento. Este incluirá todas las configuraciones y parámetros de los elementos de la red. En la práctica contendrá todos los eNB y celdas que serán finalmente desplegadas en la red real. Una herramienta RNP deberá ser capaz de crear, definir, guardar y recuperar diversos proyectos, de esta forma, distintas versiones de una misma área podrá ser comparada en términos criterios de calidad, capacidad y cobertura etc. . Editor de Antenas. En herramientas RPN, la Antena es un concepto lógico que incluye modelos de radiación de antena y parámetros como ganancia y banda de frecuencia. Una vez que la antena está definida, puede ser entonces asignada y usada por las celdas y predicciones de cobertura. La definición de una antena comienza importando los modelos de radiación.

(34) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 25. hacia la aplicación RPN. Los vendedores de antenas proporcionan a los operadores los modelos por medio de hojas de datos. Mediante estos datos, se dispone dentro de la herramienta de una base de datos con todas las características de las antenas. . Editor del modelo de Propagación. Una herramienta RPN debe ofrecer la posibilidad de modificar los modelos de propagación con el fin de adecuarse a las condiciones del área en cuestión. Esta personalización del modelo está basada en medidas de campo que provee en datos de la potencia de la señal en cada coordenada. También debe soportar diferentes características del área a planificar y los entornos de propagación, por lo tanto, debe soportar varios modelos de propagación. . Tipos Emplazamientos/Celdas. Una herramienta RPN debe tener la función de definir y manejar la configuración general del hardware y la configuración de parámetros por defecto, establecidos en los elementos de la red como son los emplazamientos y las celdas, así como la posibilidad de modificar las eNB, ya que los modelos originales se modifican a menudo con las actualizaciones del hardware. El diagrama de flujo que describe el funcionamiento de cualquier herramienta RNP se muestra en la figura 2.1.. Figura 2.1: Diagrama de flujo de una herramienta RPN [1]..

(35) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 26. 2.2 El software Atoll Atoll es un software RPN desarrollado por la empresa Forsk y se presenta con un entorno de planificación de radio basado en ventanas, fácil de usar, que da soporte a operadores de telecomunicaciones inalámbricos durante todo el tiempo de vida de la red. Desde el diseño inicial, hasta la fase de optimización y durante las distintas aplicaciones. Más que una herramienta de ingeniería, Atoll es un sistema de información técnico, abierto, escalable. y. flexible. que. puede. integrarse. fácilmente. en. otro. sistema. de. telecomunicaciones, aumentando la productividad y disminuyendo los tiempos de desarrollo [20]. Atoll está formado por un módulo principal, al que se le pueden ir añadiendo módulos de las diferentes tecnologías. En cada plantilla se proporciona una estructura adecuados a la tecnología en la que se basan, las diferentes tecnologías que Atoll tiene disponible, dependiendo de la configuración instalada en el equipo, son [20]: . GMS/GPRS/EDGE: Esta plantilla se utiliza para modelar y planificar tecnologías de segunda generación basadas en TDMA (Time Division Multiple Access).. . CDMA2000: Esta plantilla se utiliza para modelar tecnologías de tercera generación basadas en CDMA2000.. . UMTS/HSPA: Esta plantilla se usa para modelar sistemas de tercera generación de telecomunicaciones móviles basados en W-CDMA. Aunque W-CDMA es similar en la implementación a CDMA (Code Division Multiple Access), las dos tecnologías son incompatibles.. . CDMAONE: Esta plantilla se utiliza para modelar sistemas de segunda generación basados en CDMA.. . Microwave Radio Links: Permite modelar enlaces de radio, como parte de una red de telecomunicaciones para cualquier plantilla..  . TD-SCDMA: Plantilla para simular TD-SCDMA: Plantilla para simular TD-SCDMA (Time Division Synchronous CDMA) es un sistema de telecomunicaciones móviles de tercera generación.. . Wi-Fi: Esta plantilla permite el modelado de redes basadas en la familia de especificaciones IEEE 802.11..

(36) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL . 27. LTE: Esta plantilla se puede utilizar para modelar redes basadas en las especificaciones propuestas por el 3GPP para cuarta generación. Esta plantilla ha sido desarrollada en colaboración con los fabricantes de equipos líderes en el mercado.. . WIMAX: Esta plantilla ha sido desarrollada en cooperación con los proveedores de equipos WIMAX. Actualmente Atoll soporta los estándares IEEE 802.16d y 802.16e.. Mediante la implementación de esta herramienta de planificación se puede disponer de base de datos topográficos de gran resolución y acceder a ellos para obtener perfiles de terreno y datos que se utilizarán para realizar los cálculos de propagación. Además se pueden emplear métodos de predicción de propagación radioeléctrica más elaborados. Por último, facilita la planificación al poder comprobar distintas posibilidades de configuración de red (variar emplazamientos, potencias, orientación de antenas, etc.), simplificando el proceso de dimensionamiento y optimización.. 2.3 Configuración de una plantilla LTE El primer paso para configurar una plantilla, una vez elegida la tecnología a implementar, es importar los mapas de trabajo. Para ello se importan los mapas de la siguiente forma File/ Import. En la Figura 2.2 se tiene un ejemplo de un mapa de trabajo.. Figura 2.2: Mapa de trabajo..

(37) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 28. Como se puede apreciar este mapa de trabajo es una superposición de varios tipos de mapas, con vistas a lograr una representación real de la red que se desee simular, LTE en este caso. A continuación se describe algunos de los mapas más usados en herramientas RPN: . DTM: El DTM (Digital Terrain Model) describe la elevación del suelo sobre el nivel del mar. Se puede mostrar el DTM por valor único, valores discretos o intervalo de valores. . Clutter Heights: Describen la altitud del clutter. sobre el DTM con una altitud. definida por pixel. . Mapas Ortho: Son archivos de datos geográficos que representan el entorno físico actual, por ejemplo, mapas de carretera o imágenes de satélites.. . Mapas Vectors: Identifica ríos, carreteras, líneas de ferrocarril entre otros. Ya incorporado el mapa solo queda comenzar a trabajar el espacio de trabajo, el cual está definido en esta plantilla, para las ventanas de Parameters, Geo, Network y Events como muestra la Figura 2.3.. Figura 2.3: Ventanas de trabajo..

(38) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 29. En la ventana Geo además de los mapas que se puedan incorporar a la plantilla, se permite la creación de diversas zonas y de mapas de tráfico. Por otra parte la ventana Parameters permite la incorporación de los parámetros de servicios (tipo de servicios, perfiles de usuario, etc), los parámetros de la red de radio (bandas de frecuencia, plantillas de las estaciones bases y el equipo receptor, etc), diferentes módulos para la red (antenas, alimentadores, etc) y los diferentes modelos de propagación. En cuanto a la ventana Network, esta permite el trabajo con la red implementada o sea en ella se crean y listan los sitios, los transmisores y se realizan los diferentes estudios de la red. Por último la ventana Events muestra los eventos realizados en un momento dado por la acción de algún estudio de la red.. 2.3.1 Configuración de una zona. Importado el mapa, se procede a identificar en el mapa los diferentes centros o locaciones que formaran parte de la red LTE. Para esto se crea una zona computacional. Esta zona define las áreas a las cuales se les realizara los análisis de cobertura y otros cálculos generando los reportes correspondientes. Estas se crean tal y como se muestra en la Figura 2.4.. Figura 2.4: Creación de una zona computacional.

(39) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 30. 2.3.2 Configuración de un sitio. Un sitio se define en el software Atoll por la ubicación donde estará el emplazamiento y las características de mismo. La figura 2.5 muestra cómo crear un sitio nuevo siempre y cuando se tengan las coordenadas. Otra forma de hacerlo es ubicar directamente en el mapa la eNB, apareciendo automáticamente el sitio.. Figura 2.5: Creación de un Sitio. Al crear un nuevo sitio en Atoll aparecen tres pestañas. En la primera se muestra la altura en metros y la posición en coordenadas geográficas, la segunda permite configurar los elementos físicos como tipo de soporte y altura del mismo y por ultimo una tercera pestaña LTE para configurar el throughput de las interfaces S1.. 2.3.3 Configuración de una eNB El siguiente paso en el configuración de la red, es ir incorporando las diferentes estaciones bases a cada uno de los emplazamientos. Para esto Atoll ya define un conjunto de plantillas de estaciones bases, lo que simplifica el proceso pues se ahorra tiempo, por ejemplo, que ir ubicando uno a uno los transmisores para obtener una estación base de 3 sectores. Al estudiar los elementos de una plantilla es importante destacar aspectos como la banda de frecuencia, el tipo de duplexación empleado, el medio donde opera la red, así como el. ancho de banda del canal, la potencia de. transmisión, los sectores y el tipo de la antena que se utilice..

(40) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 31. La forma de hacerlo es sencilla y se ofrece en la figura 2.6 a continuación: Parameters/ Radio Network Settings/ Station Templates/ New.. Figura 2.6: Creación de una plantilla eNB. 2.3.4 Tipos de predicciones. Una vez definidos los elementos y parámetros de la red se pasara a realizar los estudios a la misma. Para ello el software nos ofrece una variedad de estudios de cobertura. Estos estudios se basan en matrices de pérdidas (que Atoll calcula), en el modelo de propagación, el área de cálculo definida, las condiciones de cobertura y la resolución de los cálculos. A continuación el software muestra los resultados como una representación gráfica de los pixeles que satisfacen la condición de cobertura. Para implementar un estudio de cobertura se va a la carpeta Predictions de la ventana Network y se accede al campo New Predictions. A continuación se muestra la tabla 2.1 con la descripción de las predicciones más importantes que brinda Atoll..

(41) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 32. Tabla 2.1: Predicciones disponibles en Atoll. 2.3.5 Estudio de capacidad de la red. En el proceso de dimensionamiento de una red LTE se necesita del estudio de la capacidad del sistema, teniendo en cuenta distribuciones reales de usuarios y la demanda de servicios generados. Para esto Atoll en cada simulación genera una determinada distribución de usuarios que se correspondes con instantáneas de la red. De los resultados de dichas simulaciones se puede obtener la demanda de tráfico asociada, los recursos demandados por cada usuario, la carga que tendrá cada celda, etc. El algoritmo que utiliza el software para la generación de las distribuciones de usuarios es el de Monte Carlo, donde se requieren mapas de tráfico. Por lo tanto antes de simular hay que definir los mapas de tráfico a utilizar..

(42) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 33. Para ello se sigue la ruta Geo/ Traffic Maps/ New Map/ User Profile Environment. Una vez hecho esto aparece una barra de herramientas, donde se selecciona el entorno en el que se vaya a basar. La Figura 2.7 muestra el procedimiento. Finalmente se dibuja el polígono que nos definirá el mapa de tráfico. De esta forma se crean los mapas de tráfico asociados a cada entorno.. Figura 2.7: Selección del entorno para crear el mapa de tráfico. Una vez realizado esto se va a Netwok/ Simulations/ New y se realiza el estudio de tráfico.. 2.3.6 Optimización. La nueva versión del software Atoll sobre la cual se trabaja incluye herramientas para la asignación automática de recursos y la optimización de las redes a dimensionar facilitándole así el trabajo al usuario. A continuación se lista dichas herramientas . Automatic Neighbour Allocation: Permite definir para un trasmisor la lista de transmisores vecinos.. . Automatic Frequency Planning: Realiza una asignación automática de canales a emplearse en la red.. . Automatic Cell Planning: Permite realizar una optimización de las características de una red reconfigurando las celdas. Esto se realiza variando la dirección e inclinación de las antenas hasta encontrar la solución óptima o cambiando aspectos más significativos como el tipo de antena, la potencia de transmisión, etc..

(43) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 34. 2.4 Dimensionamiento de una red de comunicaciones. El dimensionamiento de una red constituye el primer paso para el diseño de una red de comunicaciones móviles. En esta fase se estima el número máximo de eNB en concordancia con los objetivos de diseño de la red y las características esenciales de la tecnología. En general el dimensionamiento de una red teórico va a estar definido por dos estudios básicos, el de cobertura y el de capacidad. Una vez obtenido los resultados de cada uno de estos estudios, se comparan eligiéndose como propuesta el estudio que más eNB dé como resultado. Aun así, dado que en las redes de radiocomunicaciones los requerimientos en cuanto al espectro de frecuencia son limitados, es de vital importancia incorporar un estudio de interferencia ya que sus resultados pueden influir en la elección de un nuevo plan de frecuencias. Todo este procedimiento manejado desde el ámbito teórico puede ser extremadamente engorroso y lento por lo que el uso de herramientas informáticas es una solución acertada para el correcto dimensionamiento de una red de comunicaciones móviles. La figura 2.8 muestra la secuencia de pasos que describen el dimensionamiento de una red LTE mediante la utilización del software Atoll.. Figura 2.8: Dimensionamiento de una red de radiocomunicaciones..

(44) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 35. El procedimiento desarrollado muestra que a partir de las condiciones iniciales se procede a la ubicación de las estaciones base. Aquí se puede suponer o no la existencia de infraestructura de tecnologías móviles anteriores o diferentes. Con vistas a disminuir los costos, para esta infraestructura se reutiliza la red que existente y a partir de ahí se canaliza la nueva red. Mediante la utilización de las herramientas software mostradas en el epígrafe 2.3.6, este proceso de canalización se hace de forma automática después de definir la banda de frecuencia en la que opera la red. A continuación se abordan algunos aspectos importantes a tener en cuenta a la hora de definir las condiciones iniciales.. 2.4.1 Proyecto de trabajo El proyecto de trabajo, tiene gran importancia pues puede generar incidencias en el dimensionamiento de la red, además de influir directamente en el aspecto económico. A continuación se muestra una lista con la información más común en un proyecto de este tipo [5]: . Área(s) de servicio: Definida en forma de polígono, incluye el tamaño en Km2 y los detalles de los perfiles del terreno (urbano, suburbano, rural, altura promedio de los edificios etc.).. . Tipo de cobertura: Definida teniendo en cuenta la movilidad de los terminales (fijos, nómadas o móviles) y el entorno donde operan (interiores o exteriores).. . Perfiles de subscriptores: Define los diferentes tipos de subscriptores (residenciales, pequeños negocios y empresas).. . Distribución de subscriptores: Número de subscriptores por perfil, por área de servicio y por año de implementación, acorde al plan de escalabilidad de la red.. . Perfiles de servicios: Contienen las características distintivas de un servicio: codecs VoIP (Voice over IP), razones pico de información, factores de contención, etc.).. . Espectro permitido: Definido por las regulaciones locales, permite proponer esquemas de canalización y duplexación.. . Infraestructura existente: Definida por los sitios y el equipamiento que pueda reusarse..

(45) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 36. . Datos cartográficos: Mapas de alta resolución del terreno.. . Indicadores fundamentales de funcionamiento: Definida principalmente por los objetivos de cobertura y servicio en términos de porcentajes del área de servicio. 2.4.2 Ubicación de las estaciones eNB. La elección de las ubicaciones para la instalación de las estaciones bases deben cumplir los siguientes requisitos [17]: . Lograr los objetivos propuestos en materia de cobertura.. . El lugar debe contar con las siguientes condiciones para poder realizar el montaje de una estación: Sitio preferentemente alto, con suelo firme que permita la instalación de mástiles o torres auto-soportadas, área libre de vegetación elevada, clima tranquilo, etc.. . Estar ubicada cerca de una instalación de cables de fibra óptica o con línea de vista a otra estación superior para el transporte de la comunicación.. . Tener una vía de acceso cerca, al menos a una distancia prudencial que permita su instalación y posterior operación técnica.. . Estar ubicada cerca de instalaciones de energía eléctrica para su alimentación.. . No tener cerca fuentes de interferencias radioeléctricas.. Una buena opción en la elección de la ubicación de las eNB de LTE, con vistas a reducir los costos que conlleva la construcción de nuevos emplazamientos, es la utilización de los mismos emplazamientos empleados por la telefonía móvil.. 2.4.3 Modelos de propagación. Uno de los mayores desafíos en el modelado de un sistema de radiocomunicaciones, para un entorno dado, es la elección de un modelo de propagación que acertadamente represente las condiciones de transmisión que afectan el rendimiento del sistema [21]. En estos modelos el objetivo es hallar la media de las pérdidas de propagación, lo cual se puede realizar usando métodos analíticos aplicando la física fundamental que existe detrás de la radiopropagación empleando métodos empíricos basados en curvas estadísticas que toman en cuenta mediciones en el terreno. A continuación se muestra en la Tabla 2.2 una lista de los modelos comúnmente usados para modelar en comportamiento de las redes de radiocomunicaciones..

(46) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 37. Tabla 2.2: Modelos de propagación [22].. 2.4.4 Características del equipamiento. Antes de iniciar cualquier proceso de dimensionamiento es importante conocer las características del equipamiento pues estos tienen especial incidencia a la hora de realizar los estudios de cobertura. La tabla 2.3 muestra los requerimientos de transmisión/recepción de un sistema LTE tanto para una UE como para la eNB. Es importante destacar que estos valores dependen de la banda de trabajo, el ancho de banda de operación y el esquema de modulación Tabla 2.3: Características de equipamiento..

(47) CAPITULO 2 CONFIGURACIÓN DE UNA RED LTE EN ATOLL. 38. 2.5 Conclusiones parciales. Al término de este capítulo se tiene como resultado un procedimiento sencillo para el dimensionamiento de una red LTE. Este procedimiento no solo se puede emplear en el dimensionamiento ese tipo de redes sino que se puede extrapolar a otro tipo de tecnologías de comunicaciones móviles. Además el propio capitulo sirve como herramienta para la adquisición de un nivel básico en el trabajo con el software Atoll 3.2.1 para el diseño de redes LTE..

(48) CAPITULO 3 RED LTE PARA SANTA CLARA. CAPÍTULO 3.. RED LTE PARA SANTA CLARA.. La provincia de Villa Clara se encuentra ubicada en la región central de Cuba, entre los 22°16’, 23°09’ latitud norte y los 80°02’, 80°25’ longitud oeste. Esta provincia ocupa el séptimo lugar en cuanto a extensión en el país y el relieve se caracteriza por las montañas de la cordillera de Guamuaya, la llanura de Manacas y las alturas de Santa Clara. La cabecera provincial radica en la ciudad de Santa Clara cuyo municipio tiene una población de 240543 para el censo del 2013. En todo proceso de desarrollo, la implementación de las nuevas tecnologías comienza, en la mayoría de los casos, por las ciudades más importantes pues estas contienen los principales focos poblacionales, financieros e industriales de un país. Teniendo esto en cuenta y sumándole la idea de la incorporación de una red LTE a la ciudad de Santa Clara que permita el servicio de acceso móvil a Internet, en este capítulo se presentara el dimensionamiento de una red de este tipo empleando el software Atoll.. 3.1 Internet móvil en Cuba La creciente atención del Estado cubano hacia la implementación de políticas integrales para el perfeccionamiento de la informatización de la sociedad ha traído consigo la acertada idea de implementar una infraestructura de Banda Ancha. Dentro de las ideas de futura implementación se encuentra la incorporación de tecnologías que permitan el acceso móvil a Internet, aunque no se especifique una en concreto. Como primer paso para. la. implementación. de. estas. políticas,. el. MINCOM. (Ministerio. de. las. Comunicaciones), desarrollo el informe ¨Estrategia Nacional para el desarrollo de la infraestructura de conectividad de Banda Ancha en Cuba¨ donde se definen las directrices del desarrollo futuro del país y se realizó un diagnóstico que reveló la existencia de una baja densidad de BTS para implementar los servicios, aspecto a tener en cuenta en.