Diseño de una red de telefonía móvil para una ruta de tren subterráneo

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

DISEÑO DE UNA RED DE TELEFONÍA MÓVIL PARA UNA RUTA

DE TREN SUBTERRÁNEO

TESIS

PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO ELECTRÓNICO

PRESENTADO POR:

LARRY HUGO ZUMAETA ZUTA

PROMOCIÓN

2008 - II

LIMA – PERÚ

Dedicatoria:

SUMARIO

En la presente tesis se describe el análisis necesario para realizar el diseño de una red de telefonía móvil que soporte las tecnologías GSM (Global System for Mobile Communication) y UMTS (Universal Mobile Telecommunicaction System) en interiores.

El escenario escogido es una ruta de tren subterráneo, el cual es un medio de transporte que se puede implantar en nuestro país y albergará miles de usuarios diariamente.

El análisis consiste en escoger la estación base adecuada, el reconocimiento de la arquitectura del lugar, la importancia de realizar mediciones de calidad de señal celular con un teléfono de ingeniería, el análisis de tráfico para determinar la capacidad de la red, el diseño del sistema radiante y el link budget de los sistemas GSM y UMTS.

También se describe la red de transporte a utilizar para conectar las estaciones base del metro subterráneo a la red central del operador.

Para brindar cobertura de telefonía móvil en las estaciones del metro se usa un sistema pasivo de antenas distribuidas, para los túneles se usa una solución con cable radiante.

Las predicciones de cobertura de las estaciones del metro se hacen con el reconocido software de simulación iBwave, para el tráfico que soporta la red y los niveles de señal en los túneles se realizan cálculos teóricos.

ÍNDICE

2.1.1 Arquitectura del sistema GSM 5 2.1.2 Estación Móvil (Mobile Station) 6 2.1.3 Subsistema de Estaciones Base (Base Station Subsystem) 8 2.1.4 Subsistema de Red de Conmutación (Network Switching Subsystem) 11

2.2 Sistema UMTS (Universal Mobile Telecommunicaction System) 13

2.2.1 Arquitectura del sistema UMTS 13

2.2.2 Equipo Usuario (User Equipment) 13

CAPÍTULO III

ANEXO D

CÁLCULO DE LA CAPACIDAD DE TRÁFICO CELULAR PARA SERVICIOS DE

DATOS USANDO LICENCIAS HSPA 132

Figura 3.8 Arquitectura de la estación de la Línea 2 del metro 41

Figura 3.16 Diagrama de proyección de cable radiante en un túnel de la Línea 2 del metro de Lima 60

Figura 3.17 Diagrama de proyección de cable radiante que muestra un corte del cable radiante en un túnel de la Línea 2 del metro de Lima 60

Figura 3.18 Diagrama de proyección dos cables radiantes en un túnel de la Línea 2 del metro de Lima 61

Figura B.2 Especificaciones técnicas de antena panel 121

Figura B.3 Especificaciones técnicas de splitter de 2, 3 y 4 vías 122

Figura B.4 Especificaciones técnicas del taper de 6, 8, 10 y 20 dB 123

Figura B.5 Especificaciones técnicas del filtro 124

Figura B.6 Especificaciones técnicas del cable coaxial 125

Figura B.7 Especificaciones técnicas del cable radiante 126

Figura B.8 Especificaciones técnicas de la carga de 10W 127

Figura C.1 Clientes que usan el software Ibwave Design 129

Figura C.2 Predicción de cobertura en la tecnología UMTS 130

Tabla 3.28 Potencias del teléfono móvil UMTS 850 MHz 79

Tabla 3.29 Distancia máxima entre BBU y RRU 79

Tabla 3.30 Anillos de Protección 80

Tabla 3.31 Conexiones de los hilos de fibra óptica – Nodo Buenos Aires 101

Tabla 3.32 Conexiones de los hilos de fibra óptica – Nodo Carmen de la Legua 101

Tabla 3.33 Conexiones de los hilos de fibra óptica – Nodo Elio 102

Tabla 3.34 Conexiones de los hilos de fibra óptica – Nodo Parque Murillo 102

Tabla 3.35 Conexiones de los hilos de fibra óptica – Nodo Manco Cápac 103

Tabla 3.36 Conexiones de los hilos de fibra óptica – Nodo Nicolás Ayllón 103

Tabla 3.37 Conexiones de los hilos de fibra óptica – Nodo Evitamiento 104

Tabla 3.38 Conexiones de los hilos de fibra óptica – Nodo La Cultura 104

Tabla 3.39 Conexiones de los hilos de fibra óptica – Nodo Prolongación Javier Prado 105 Tabla 4.1 Costos por concepto de equipamiento 106

Tabla 4.2 Costos por concepto de actividades para la implementación 107

Tabla 4.3 Gastos de mantenimiento, alquiler de espacio y energía 108

Tabla A.1 Tabla de tráfico Erlang B 117

Tabla D.1 Capacidad de tráfico celular HSDPA para la estación 134

Tabla D.2 Capacidad de tráfico celular HSUPA para la estación 134

Tabla D.3 Capacidad de tráfico celular HSDPA para el túnel 135

LISTA DE ACRONIMOS

EIRP Effective Isotropic Radiated Power

ETSI Instituto Europeo para la Estandarización de las Telecomunicaciones

EU Expansion Unit

GSM Global System for Mobile Communication

GTMU GSM Timing an Main control Unit

HLR Home Location Register

HSPA High Speed Packet Access

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

IMEI Mobile Station Equipment Identity

IMSI International Mobile Subscriber Identity

IMT2000 International Mobile Telecommunications – 2000

IP Internet Protocol

ISDN Integrated Services for Digital Network

LTE Long Term Evolution

MSIN Mobile Subscriber Identification Number

MSISDN Mobile Subscriber ISDN Number

UE User Equipment

UICC Universal Integrated Circuit Card

UL Uplink

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

UPEU Universal Power and Envairoment Interface Unit

UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

UTRP Universal Transmision Processing unit

USIM Universal Subscriber Indetity Module

VLR Visitor Location Register

VSWR Voltage Standing Wave Ratio

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

WBBP WCDMA Baseband Processing unit

LISTADO DE TÉRMINOS

Antenas indoor Antenas de menor tamaño usadas para interiores

Bit Dígito del sistema de numeración binario

Bit rate Velocidad de transmisión del bit

Body loss Atenuación ocasionada por objetos y/o personas

Chip Unidad de información del código de ensanchamiento

Chip rate Velocidad de transmisión del chip

Datasheet Hoja de especificaciones técnicas

Downlink Enlace de bajada, de la estación base al terminal

Drive test Medición de cobertura celular en exteriores

Drywall Panel de yeso presionado entre dos hojas de papel grueso

Fading loss Pérdidas de propagación ocasionada por todos los tipos de fading

Handover Cambio de celda del terminal móvil

Indoor Interiores

Intercell handover Handover de una frecuencia a otra

Interfaz aire Enlace de comunicación por radio entre el móvil y la estación base

Laptop Computadora portátil

Link budget Cálculo del enlace radio

Multipath fading Atenuación ocasionada por el multitrayecto

Outdoor Exteriores

Overhead Códigos adicionales transmitidos para el control y comprobación de

errores

Paging Canal de transporte que lleva información de la capa física

Processing Gain Indicador relativo de la relación entre todo el ancho de banda disponible y la tasa de bit de banda base

Rack Soporte metálico destinado a alojar equipamiento electrónico

Receptor Rake Receptor usado mitigar los problemas causados por el multitrayecto Red de datos Red de transporte basada en múltiples routers de alta capacidad

Site Sitio

Señales outdoor Señales celulares de la red macro

Shadow fading Atenuación ocasionada por los obstáculos

Softer handover Handover entre sectores de una misma estación base

Splitter Elemento pasivo que divide la potencia equitativamente

Survey Estudio de campo

Tap Elemento pasivo que divide la potencia no equitativamente

Tasa de información Velocidad de transmisión de la información

Timeslot Segmento de tiempo utilizado para llevar información

Uplink Enlace de subida, del terminal a la estación base

Usuario denso Usuario de telefonía móvil que consume 100 mE

Usuario de oficina Usuario de telefonía móvil que consume 50 mE Usuario extremo Usuario de telefonía móvil que consume 200 mE Usuario privado Usuario de telefonía móvil que consume 20 mE

CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes generales

El campo de las comunicaciones móviles está creciendo a nivel mundial, a finales del 2013, la tasa de penetración de los abonados móviles supera el 100% en cuatro de las seis regiones mundiales de la UIT, a la cabeza se encuentra la comunidad de Estados Independientes (CEI, conformado por 10 de las 15 exrepúblicas soviéticas) con un 170%, seguida de Europa (126%), las Américas (109%), y los Estados Árabes (105%). Asia-Pacífico tiene un tasa de 89% y África del 63% (1).

Por otro lado, el porcentaje del tráfico de las comunicaciones móviles en interiores ha aumentado considerablemente, en el año 2014 se tuvo que un 80% de las comunicaciones móviles fueron realizadas en interiores (2); por este antecedente los operadores de telefonía móvil están implementando soluciones indoor para dar buena cobertura en lugares de alta densidad de usuarios, como hoteles, centros empresariales, hospitales y centros comerciales.

Debido a la problemática del transporte en la capital, el Estado Peruano tiene planeado terminar de la construcción de un nuevo ramal del metro de Lima, la Línea 2, para el año 2020 (3). Está previsto que la Línea 2 del metro de Lima una el distrito de Ate Vitarte con el Callao de manera subterránea y que albergue en sus instalaciones 665 mil pasajeros diariamente (4); por tal motivo se necesita implementar una solución indoor que brinde una buena cobertura de telefonía móvil para esta gran demanda de usuarios en la Línea 2 del metro de Lima.

______________________________

(1) Extracto tomado de la publicación “El mundo en el 2013: Datos y cifras de las TIC” realizada por la UIT el 27 de Febrero del 2013.

(2) Extracto del seminario “El estándar en soluciones inalámbricas para in-building” realizado por la empresa Ibwave el 15 de Agosto del 2014 en Lima - Perú.

(3) Extracto de la publicación “Línea 2 del Metro estará lista en el 2020 y ya no en el 2019” realizada por el diario El Comercio el 18 de Marzo del 2015.

1.2 Descripción del problema

Está previsto que la Línea 2 del metro de Lima tenga 27 estaciones, las cuáles no tienen cobertura de telefonía móvil por ser subterráneas, así como también los túneles que las interconectan.

Por dicha razón se necesita implementar una red de telefonía móvil que soporte las tecnologías GSM y UMTS, la cual debe brindar una comunicación continua y de calidad a través de todas las instalaciones de la Línea 2 del metro de Lima, además la comunicación no se debe perder al entrar o salir de una estación cualesquiera del metro.

Está previsto que las instalaciones de la Línea 2 del metro de Lima posean espaciosos ductos y montantes de comunicaciones, que cada estación del metro cuente con una sala de telecomunicaciones y sus respectivos tableros de energía aterrados a su respectivos pozos a tierra.

Se considera todas las estaciones de la Línea 2 del metro de Lima de las mismas dimensiones.

Para GSM se tiene disponible la banda de 1900 MHz y para UMTS la banda de 850MHz.

En la tabla 1.1 se muestra las estaciones de la Línea 2 del Metro de Lima.

En la tabla 1.2 se muestra la longitud de los túneles en la ruta de la Línea 2 del metro de Lima.

Tabla 1.2 Longitud de los túneles de la Línea 2 del metro de Lima Elaboración propia

El primer objetivo es diseñar un sistema de telefonía móvil que garantice una buena cobertura celular en las estaciones y túneles de la Línea 2 del metro de Lima.

Considerando que el operador de telefonía celular se proyecta a tener un 40% del mercado al año 2020, el segundo objetivo es dimensionar el sistema de telefonía móvil de forma que pueda soportar la capacidad requerida por los usuarios, es decir atender diariamente a 266 mil personas.

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1 Sistema GSM

La tarea de GSM fue definir un nuevo estándar para las comunicaciones móviles en la frecuencia de 900 MHz, esto fue decidido para usar tecnología digital. En 1991, el primer sistema GSM estuvo listo para ser vendido, este mismo año se definió el primer sistema derivado del GSM, el Digital Cellular System 1800 (DCS 1800), el cual tenía las mismas características que GSM pero para una frecuencia de 1800 MHz. En Estados Unidos, DCS 1800 fue adaptado a la frecuencia 1900, dicho sistema se llamó Personal Communication System 1900 (PCS 1900). En 1992, varios países europeos tenían redes GSM en operación, y así GSM se convirtió en un éxito comercial importante para los fabricantes del este sistema, así como para los operadores de la red.

Gracias al éxito de GSM se liberó el monopolio de las telecomunicaciones en la Europa de los años noventa, lo que trajo consigo la baja de precios y el aumento del mercado de telefonía móvil, además de la implantación del estándar en diferentes partes del mundo.

2.1.1 Arquitectura del sistema GSM

datos. El HLR (Home Location Register) y el VLR (Visited Location Register) almacenan la ubicación actual de un usuario móvil.

Además existen dos bases de datos que ejecutan funciones de seguridad, el AuC (Authentication Center) almacena información de seguridad relacionadas a claves de autentificación y encriptación, el EIR (Equipment Identity Register) almacena información sobre los equipos terminales de los usuarios. La administración de la red es organizada desde una sitio central, el OMC (Operation and Maintenance Center).

Entre sus funciones están incluidas la administración de los abonados, terminales, la carga de datos, la configuración de red, el monitoreo del desempeño y mantenimiento de la red.

Figura 2.1 Arquitectura del sistema GSM

Fuente: GSM – Arquitecture, Protocols and Service - Third Edition – Cap 3 – Pag 44

2.1.2 Estación Móvil (Mobile Station)

Figura 2.2 Diagrama de bloques del GSM Mobile Station

Fuente: GSM Networks – Protocols, Terminology and Implementation – Cap 2 – Pag 14

a) Funciones de la Estación Móvil

Entre las principales funciones se tiene:

 Transmisión de voz y data.

 Sincronización de tiempo y frecuencia.

 Monitoreo de la potencia y calidad de señal de las celdas circundantes para realizar

un óptimo handover.

 Provisión de actualizaciones de ubicación.

 Equiparación de las distorsiones de trayectoria múltiple.  Mostrar un mensaje corto de hasta 160 caracteres.

b) Tarjeta SIM

Cada usuario GSM cuenta con su propia tarjeta SIM (Suscriber Identity Module), la cual puede ser insertada en cualquier MS, otorgándole así todos los privilegios de la red GSM. La tarjeta SIM puede almacenar mensajes cortos e información del abonado, dicha información contiene una libreta de números telefónicos con sus respectivos nombres cortos, para hacer más rápida y eficiente la comunicación entre abonados. El uso del SIM y por lo tanto de la totalidad del MS puede ser protegido con un número personal de identificación contra los accesos no autorizados.

c) Números de Identificación Móvil

 International Mobile Station Equipment Identity

El International Mobile Station Equipment Identity (IMEI) identifica únicamente un MS internacionalmente, además proporciona datos de su fabricante y fecha de fabricación; funciona como un tipo de número serial del MS. La información del IMEI es registrada por el operador, la cual es almacenada en el EIR. Por medio del IMEI se puede reconocer el equipo obsoleto, robado o no funcional; y puede ser negado el servicio si es requerido.

 International Mobile Subscriber Identity

Un IMSI es asignado para cada usuario GSM autorizado, esta información se almacena en la tarjeta SIM. Un MS puede solo ser operado si una SIM con un IMSI válido es insertada en un equipo con un IMEI también válido. El IMSI usa un máximo de 15 dígitos decimales y consiste de tres partes:

- Mobile Country Code (MCC), tres dígitos internacionalmente estandarizados.

- Mobile Network Code (MNC), dos dígitos para identificación única de las redes móviles con un país.

- Mobile Suscriber Identification Number (MSIN), diez dígitos como máximo, número de identificación de un abonado en su red móvil local.

 Mobile Subscriber ISDN (Integrated Services for Digital Network) Number

El número de teléfono real de un usuario móvil es llamado Mobile Subscriber ISDN Number (MSISDN). La tarjeta SIM se asigna al abonado de tal manera que una estación móvil pueda tener varios MSISDNs dependiendo de la SIM. Con este concepto GSM fue el primer sistema móvil en distinguir entre la identidad del abonado y el número para llamar. La separación entre el MSISDN y el IMSI sirve primordialmente para proteger la confidencialidad del IMSI, en contraste al MSISDN, el IMSI no necesita ser público.

 Mobile Station Roaming Number

El Mobile Station Roaming Number (MSRN) es un numero ubicación temporal dependiente del MSISDN; es asignado por el VLR local responsable de cada MS en dicha área. Las llamadas son enrutadas hacia el MS usando el MSRN.

2.1.3 Subsistema de Estaciones Base (Base Station Subsystem)

a) Estación Base Transceptora (Base Transceiver Station)

La responsabilidad primordial de una BTS es transmitir y recibir señales de radio desde un MS a través de la interfaz aire. A su vez la BTS hará llegar la información obtenida del MS hacia la BSC mediante un sistema de transmisión, el cual puede ser por medio de enlaces microondas, fibra óptica o tecnología IP. A continuación se exponen una lista de funciones que realiza la BTS:

 Realiza medidas de la señal de radio proveniente del MS.

 Establece en enlace de radio con el MS (modulación, demodulación, codificación,

decodificación, etc.).

 Transmite señales de sincronización.  Control de potencia.

 Operación y mantenimiento.

En la figura 2.3 se muestra el diagrama de bloques de una estación base.

Figura 2.3 Diagrama de bloques de una BTS con una TRX

Fuente: GSM Networks – Protocols, Terminology and Implementation – Cap 3 – Pag 20

b) Controlador de Estaciones Base (Base Station Controller)

 La BSC lleva a cabo la administración de los recursos de radio para las celdas bajo su

control.

 Asigna y solicita las frecuencias y timeslots para todos los MSs en su área.

 Maneja los intercell handovers para los MSs que se están moviendo entre las BTS de su control.

 Administra la potencia de la BTS.

 Brinda señales de sincronización en tiempo y frecuencia para la BTS.

 Calcula el tiempo de retardo de las señales recibidas por el MS en referencia al reloj

de la BTS.

 Controla los saltos de frecuencia de todas las BTS y MSs en su área.

 Controla la concentración del tráfico para reducir el número de líneas desde la BSC

hacia la MSC y BTS.

 Operación y mantenimiento para el BSS.

c) Transcoder Rate and Adaptor Unit

La misión del TRAU es comprimir y descomprimir la señal de voz entre el MS y el TRAU. Esto permite comprimir la señal de voz de 64 Kbps a 16 Kbps en caso de un canal full rate y 8 Kbps en caso de un canal halfrate. Ningún TRAU es usado para conexiones de datos.

Cuando el TRAU es instalado en el site de la MSC, un señal de voz en full rate usa solo 16 Kbps sobre el enlace de la BSC con la MSC. El TRAU también puede ser instalado entre la BTS y la BSC, esto requiere el uso de 64 Kbps de tráfico entre la BSC y la MSC, por lo tanto más uso del enlace. La variante más usada en la realidad es instalar el TRAU en el site de la MSC. Ambos sitios para el TRAU se muestran en la figura 2.4.

Figura 2.4 Sitios posibles para el TRAU en la cadena de señal

2.1.4 Subsistema de Red de Conmutación (Network Switching Subsystem)

El NSS (Network Switching Subsystem) descrito en la figura 2.5, desempeña un papel central en cada red GSM. Mientras el BSS brinda el acceso de radio para el MS, los diferentes elementos de red comprendidos en el NSS asumen la responsabilidad del completo control del sistema y las funciones de base de datos requeridas para configurar las conexiones de llamadas, para ellos usan la encriptación, autenticación y el roaming. Para poder lograr estas tareas, la NSS consta de las siguientes partes: MSC (Mobile Switching Center), HLR (Home Location Register), Authentication Center (AuC), VLR (Visitor Location Register), EIR (Equipment Indentify Register).

Figura 2.5Network Switching Subsystem

Fuente: GSM Networks – Protocols, Terminology and Implementation – Cap 4 – Pag 32

a) Centro de Conmutación Móvil (Mobile Switching Center)

El MSC es una central ISDN responsable del control de llamada: establecimiento, mantenimiento y libración de una comunicación. Una MSC puede controlar varias BSC.

Entre sus principales funciones tenemos:  Paging.

 Coordina el establecimiento de las llamadas de todos los MS en su jurisdicción.  Maneja el registro de posición.

 Realiza funciones de interconexión con diferentes redes a través del GMSC.  Administra de los handover entre BSC.

 Maneja la facturación de los abonados en su área.

 Reasigna frecuencias a las BTS en su área para satisfacer las fuertes demandas en

 Maneja la señalización entre diferentes interfaces.  Realiza la sincronización con el BSS.

 Trabaja como una puerta de enlace para los SMS.

b) Registro de Ubicación Local (Home Location Register)

El HLR es una base de datos que almacena permanentemente información relacionada de un conjunto dado de abonados, información tal como números de identificación, servicios de suscripción, permisos e información de autenticación, independientemente de la localización real de los mismos en un determinado momento.

El HLR proporciona todos los datos necesarios al GMSC, para localizar a los MS en su área MSC cuando se desea establecer las llamadas dirigidas a ellos; incluso cuando ellos hacen roaming hacia otras redes GSM. Cada usuario está registrado en un único HLR.

c) Registro de Ubicación del Visitante (Visitor Location Register)

El VLR es una base de datos local controlada por el MSC, que contiene toda la información relevante de los MS que en un momento determinado están en el área de localización controlada por dicho VLR. Realiza autentificación del MS en el MSC asociado. Memoriza los mismos datos del HLR y así evita señalizaciones entre ambos. Se conecta con otros VLR y HLR a través del sistema de señalización de red (SS7).

La diferencia entre el VLR y HLR es que al VLR se le asigna un área geográfica determinada, mientras que el HLR maneja tareas que son independientes de la ubicación del abonado.

d)Centro de Autenticación (Authentication Center)

El AuC almacena información necesaria para proteger las comunicaciones a través de la interfaz aire contra las intrusiones, a las cuales los MS son vulnerables. Además proporciona al HLR los valores como por ejemplo el RAND (Random Number) que permiten la autenticación del MS en cada MSC/VLR.

e) Registro de Identificación del Equipamiento (Equipment Indentify Register)

El EIR es una gran base de datos que almacena los números IMEI de todos los equipos móviles registrados. Maneja tres tipos de base de datos:

 Lista blanca, contiene los IMEI permitidos en la red.

 Lista negra, contiene los IMEI de los equipos terminales que han sido reportados

 Lista gris, contiene los IMEI de los equipos terminales que tienen ciertos problemas,

como por ejemplo un software defectuoso.

2.2 Sistema UMTS

En 1992 la ITU identificó 230 MHz de espectro en la banda de 2 GHz para implementar un sistema de tercera generación IMT2000 (International Mobile Telecommunications – 2000), el cual fue creado para cumplir los siguientes requisitos:  Tasas de trasmisión de 2048 Kbps para interiores y ambientes de poco movimiento, y

384 Kbps en ambientes urbanos y a velocidades máximas de 120 Km/h.  Movilidad global.

 Terminales multimodo.

 El sistema de poder conectarse con otras redes.  Mayor eficiencia espectral.

UMTS es la propuesta de la ETSI (Instituto Europeo para la Estandarización de las Telecomunicaciones) para tercera generación de telefonía celular y es planteado usar WCDMA como técnica de acceso múltiple; siendo al final así este estándar el que prevaleció en el mercado desde esa fecha hasta la actualidad.

2.2.1 Arquitectura del sistema UMTS

La red UMTS se divide en tres partes, el User Equipment, la UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) y el Core Network (CN), las cuales se detallan en la figura 2.6. El UE está conformado por un equipo terminal y tarjeta inteligente (USIM), en la UTRAN tenemos al nodo B, el cual se encarga de administrar los recursos de radio, el RNC (Radio Network Controller) es el corazón de la UTRAN y administra cierta cantidad de nodos B, además es el que hace llegar los paquetes de voz y datos hacia el CN.

2.2.2 Equipo Usuario (User Equipment)

Figura 2.6 Arquitectura UMTS

Figura 2.7 Estructura interna del User Equipment Fuente: Essentials of UMTS – Cap 2 – Pag 40

El UICC envuelve el concepto del SIM usado en GSM, la terminología ha cambiado porque UMTS hace una clara distinción entre hardware y software: el UICC es el hardware de la tarjeta inteligente, mientras el USIM (Universal Subscriber Indetity Module) es un protocolo de software que corre en el UICC.

2.2.3 Red de Acceso Radio Terrestre UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access Network)

La parte más importante del sistema UMTS es el UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN), la cual tiene dos componentes: el nodo B y el Radio Network Controller (RNC), los cuales están conectados a través de la interfaz Iub. La interconexión entre RNCs se da a través de la interfaz Iur.

a) Nodo B

El Nodo es el encargado de transmitir y recibir las señales de radio a los UEs a través de la interfaz aire, entre sus principales funciones tenemos:

 Modula y demodula la señal de radio.  Codifica el canal físico CDMA.

 Controla la potencia de lazo cerrado en el modo FDD.  Encargado de administrar los softer handover.

 Encargado de reportar las mediciones de interferencia en el enlace de subida y la

información de la potencia en el enlace de bajada.

b) Controlador de la Red de Radio (Radio Network Controller)

El RNC es el nodo central en la RAN, es aquel que controla al grupo de nodos B que estén conectados a él. La RNC maneja los recursos de radio y algunas funciones de movilidad, entre sus principales funciones tenemos:

 Administra los recursos de radio.  Administra la asignación de códigos.

 Maneja herramientas de control de potencia.  Maneja los soft handover en la red.

 Posee un centro de operación y mantenimiento.  Maneja funciones de seguridad.

2.2.4 Núcleo de Red (Core Network)

El Core Network está compuesto por los siguientes elementos de red, los cuales se muestran en la figura 2.8.

Figura 2.8Core Network

Fuente: Essentials of UMTS – Cap 2 – Pag 36

 MSC (Mobile Switching Center), controla la conmutación de circuitos, maneja la voz y aplicaciones de datos en tiempo real para un UE en la red.

 SGSN (Serving GPRS Support Node), administra el tráfico conmutado de paquetes al interno de la red.

 GGSN (Gateway GPRS Support Node), administra el tráfico conmutado de paquetes que viajan al exterior de la red.

 HLR (Home Location Register), es una gran base de datos que contiene toda la información relevante acerca de la SIM de un abonado.

 VLR (Visitor Location Register), es una gran base de datos con la posición de todos UEs enganchados a la red.

 EIR (Equipment identity register), es la entidad que decide si un UE dado puede ser permitido en la red.

2.3 Tecnología WCDMA

WCDMA es una tecnología de acceso múltiple por división de código de banda ancha, capaz de soportar altas tazas de transferencias de archivos. La taza de chip de 3.84 Mcps conduce una ancho de banda de portadora de aproximadamente 5 MHz.

WCDMA soporta dos modos de operación: Frequency Division Duplex (FDD) y Time Division Duplex (TDD). En el modo FDD se utiliza un ancho de banda separado de 5 MHz tanto para enlace de subida como para el de bajada, mientras en el modo TDD solo 5 MHz son compartidos entre los enlaces de subida y bajada. Enlace de subida es la conexión del UE al nodo B, mientras el enlace de bajada es la conexión del nodo B al UE. WCDMA soporta la operación de nodos B asíncronos, de modo que, no hay necesidad de una referencia de tiempo global como un GPS. El despliegue de micros nodos B y nodos B indoor es más sencillo cuando no es necesario dicha referencia de tiempo. WCMDA posee una detección coherente de los enlaces de subida y bajada gracias al uso de los símbolos piloto, debido a esto comparándolo con el sistema CDMA, se mejora la cobertura y capacidad en el enlace de subida.

WCDMA fue diseñado para trabajar junto con GSM, por lo tanto, los handovers entre GSM y WCDMA son soportados con el fin de ser capaces de aprovechar la cobertura GSM para la introducción de WCDMA.

2.3.1 Ensanchado y Des-ensanchado (Spreading y Despreading)

Figura 2.9 Ensanchamiento y des-ensanchamiento en WCDMA

Fuente: WCDMA for UMTS – HSPA Evolution and LTE – Fourth Edition – Cap 3 – Pag 42

El concepto general de espectro ensanchado se muestra en la siguiente figura 2.10:

Figura 2.10 Espectro ensanchado Elaboración propia

En el transmisor, el primer paso es la modulación de la señal angosta, la cual ocupa una cierta banda de frecuencia, en el proceso de modulación, la señal ensanchadora es multiplicada por la de banda angosta, la cual es expandida a lo largo de una frecuencia mayor.

En el des-ensanchamiento la señal es regresada a la señal de banda angosta la cual puede ser re modulada usando cualquier esquema de demodulación digital. El espectro ensanchado trae consigo los siguientes beneficios:

 Posibilita ocultar y encriptar señales, la señal recibida solo se puede decodificar si se

conoce el código de usuario.

 Capacidad de acceso múltiple, asignándole a distintos usuarios distintos códigos, es

posible transmitir varias comunicaciones.

 Rechaza las interferencias, al realizar una correlación entre la señal recibida y el

código de usuario, se pueden corregir errores ocasionados por interferencias.

2.3.2 Multitrayecto y Receptor Rake

La propagación de las señales radio está caracterizada por múltiples reflexiones, difracciones y atenuaciones.

Estas son causadas por obstáculos naturales como edificios, montañas, autos, etc., resultando la propagación multitrayecto un ejemplo de esto, en la figura 2.11. La propagación multitrayecto trae consigo dos efectos:

Figura 2.11 Propagación multitrayecto

Fuente: “UMTS”. ISTE Ltd – 2007 – Cap 5 – Pag 103

 La energía de la señal puede llegar al receptor en dos instantes claramente distintos.

 El multitrayecto genera en ocasiones un desfase de la señal recibida, la cual puede

cancelar dicha señal, a este efecto se le conoce con el nombre de desvanecimiento rápido.

Para aprovechar las componentes multitrayecto, el sistema cuenta con un potente receptor llamado receptor Rake, el cual es capaz de recibir varias versiones de la misma señal, con distintos tiempos de llegada y combinar dichas señales en una zona de mejor calidad. El receptor Rake consta de varias ramas cuyas salidas de combinan linealmente de acuerdo a ciertos coeficientes, para dar lugar a una variable global llamada variable de decisión. Además como sucede en comunicaciones móviles, el canal es variante en el tiempo, los coeficientes del receptor deben adaptarse a sus variaciones.

El funcionamiento del receptor Rake se puede interpretar de dos maneras conceptuales distintas:

 Como un sistema de diversidad por combinación, en el que las réplicas multitrayecto

producidas por el canal son separadas en componentes, cada una de ellas formada por un grupo de ecos con retardos parecidos. Realmente la separación entre las componentes no es total, sino que existe cierto grado de interferencia, determinado por la auto correlación de la secuencia código utilizada.

 Como un filtro adaptado a la forma de onda recibida.

Según el primer enfoque, el receptor detecta cada una de las componentes multitrayecto y lleva a cabo una combinación óptima (MRC, Maximal Ratio Combining) de las mismas. El resultado es una relación señal/(interferencia + ruido) o SIR (Signal to

Por tanto según este enfoque se suman las potencias de las componentes multitrayecto detectadas, sin considerar ninguna de ellas como interferencia.

La utilización de una u otra interpretación es equivalente a la selección de un criterio para la determinación de los coeficientes del receptor Rake. En el primer caso estos se eligen independientemente, mientras que en el segundo deben seleccionarse conjuntamente para reproducir la respuesta al impulso del canal. En la práctica ambos métodos pueden considerarse equivalentes.

2.3.3 Control de potencia

El rápido control de potencia es tal vez el aspecto más importante en WCDMA, in particular en el uplink. Sin este control una simple sobre potencia de un móvil podría bloquear una celda. La figura 2.12 representa el problema y la solución en la forma del control de potencia de lazo cerrado.

Figura 2.12 Control de potencia de lazo cerrado en WCDMA Fuente: http://www.telecomsource.net

de la célula sufra una pérdida de trayecto, es decir con un nivel por debajo del MS2, el cual está cerca de la estación base. Si no hubiera un mecanismo controlado por potencia para el MS1 y MS2 para el mismo nivel de la estación base, es decir ambos móviles transmitieran a la misma potencia, la señal del móvil que estuviera más cerca de la estación base interferiría en gran medida al móvil MS1 y a otros que se encuentren lejos de dicha estación base.

Este problema es llamado near-far (cerca-lejos) en WCDMA, la óptima estrategia en el sentido de maximizar la capacidad es igualar la potencia recibida por bit de todos los móviles a cada momento.

En un control de potencia de lazo cerrado para el uplink, la estación base realiza una estimación frecuente del SIR (Signal-to-Interference) recibido y el SIR ideal deseado. Si la medición del SIR es mayor que el SIR ideal deseado, la estación base dispondrá al móvil menor potencia, si está debajo dispondrá para el móvil mayor potencia.

Este comando de medición es ejecutado a una tasa de 1500 veces por segundo (1.5 KHz) para cada móvil y así operar más rápido que cualquier cambio significativo de pérdida de trayecto que pudiese ocurrir.

Así el control de potencia de lazo cerrado prevendrá cualquier desequilibrio de potencia entre todas las señales de subida que reciba la estación base.

La misma técnica de control de potencia para lazo cerrado es también usada para el downlink, pero aquí la motivación es diferente, en el downlink no existe el problema near-far debido al escenario de uno a muchos, es decir una celda de la estación base entrega señal a varios móviles.

Esto es, sin embargo deseable para proporcionar una cantidad marginal de potencia adicional para los móviles al límite de la celda, ya que ellos padecen de una interferencia debido a las otras celdas cercanas.

También en el downlink un método de mejora de las señal débiles causadas por el desvanecimiento, potencia adicional es necesaria a bajas velocidades cuando otros métodos basados en corrección de error intercalados y códigos de corrección de error no trabajan efectivamente.

2.3.4 Softer y Soft Handovers

del receptor Rake, muy similar a la recepción multitrayecto, excepto que los fingers (sub receptor del Rake) necesitarán generar su respectivo código para cada sector para la apropiada operación de despreading (des-ensanchamiento). En la figura 2.13 se puede apreciar el softer handover.

Figura 2.13Softer Handover

Fuente: WCDMA for UMTS – HSPA Evolution and LTE – Fourth Edition – Cap 3 – Pag 50

En la dirección de subida un proceso similar tiene lugar en la estación base, el código de canal del móvil es recibido en cada sector, ruteado así en la misma banda base del receptor Rake. Durante el softer handover solo un bucle de control potencia por conexión es activado.

Durante el soft handover, un móvil se encuentra entre el área de cobertura de dos sectores pertenecientes a diferentes estaciones base. De la misma manera que para un softer handover, ambos canales (señales) son recibidas y procesadas por el móvil en el receptor Rake.

externo de control de potencia sea usado para seleccionar el mejor marco entre dos posibles candidatos dentro de la RNC.

El softer handover se muestra en la figura 2.14.

Figura 2.14Soft Handover

Fuente: WCDMA for UMTS – HSPA Evolution and LTE – Fourth Edition – Cap 3 – Pag 51

2.4 Sistema de antenas distribuídas (DAS)

2.4.1 Sistema de antenas distruidas pasivo

El sistema de antenas distribuidas pasivo es relativamente fácil de planificar, lo principal que se necesita para hacer un sistema de estos es calcular la pérdida máxima de cada antena en el sistema y hacer el link budget para las áreas particulares que cada antena cubre.

Se necesita adaptar el diseño del DAS pasivo a las limitaciones del edificio con respecto a las restricciones de donde y como lo pesados cables coaxiales pueden ser instalados.

de los cables y el tipo de modo que se pueda calcular la pérdida que tendrá la señal emitida de la estación base a cada antena.

La solución de problemas es un inconveniente con el sistema pasivo. Se necesita usar un medidor de potencia conectado a puntos específicos en el DAS pasivo en orden de revelar alguna falla, en caso el sistema la tenga. A continuación se exponen las ventajas y desventajas del sistema pasivo de antenas distribuidas.

Ventajas:

 Es sencillo pero consume tiempo en diseñar.

 Componentes de distintas fábricas son compatibles.  Pueden ser instalados en ambientes difíciles.

Desventajas:

 No hay vigilancia de errores en el sistema, la estación base no da alarma de VSWR,

incluso con los errores de cierre de la estación base debido a la alta pérdida de retorno.

 No es flexible a los upgrades.

 Es dificil equilibrar link budget para todas las antenas y no se obtiene un uniforme nivel de cobertura.

 Requiere de un cuarto de comunicaciones dedicado para el soporte del equipamiento.

2.4.2 Componentes pasivos

a) Cable coaxial

El cable coaxial es ampliamente usado en los sistemas distribuidos de antenas, especialmente en sistemas pasivos, se les clasifica por el ancho del cable, mientras más anchos sean, menor pérdida presentan.

La tabla 2.1 detalla las pérdidas de los cables.

Tabla 2.1 Pérdida de potencia del cable coaxial por cada 100 metros

b) Splitter

Es usado para dividir una línea coaxial en dos o más líneas y viceversa. Es importante usar todos los puertos del splitter, si no se llegara a utilizar algún puerto se debe colocar una carga en este.

La pérdida en cada puerto del splitter se calcula de la siguiente manera: Splitters loss = 10log(# de puertos) + pérdida de inserción

La pérdida de inserción en los splitters es típicamente 0.1 dB. En la figura 2.15 se muestra la distribución de potencias en un splitter de 3 vías.

Figura 2.15 Distribución de potencia tipica de un splitter de 3 vias

Fuente: Indoor Radio Planning – A Practical Guide for GSM, DCS, UMTS & HSPA – Cap4 – Pag 97

c) Tap splitter

Al igual que el splitter de dos vías, los taps se usan para dividir una línea coaxial en dos vías, la diferencia es que la potencia no es dividida de igual forma entre sus puertos.

En la figura 2.16 muestra una distribución típica de tapers en un DAS.

Figura 2.16 Configuracion tipica de tapers en un DAS.

d) Atenuador

Atenúa la señal RF en el valor del atenuador, es usado para controlar la potencia del site indoor y evitar así que se propaguen en demasía al exterior. Los valores estándares son de 1, 2, 3, 6, 10, 12, 18, 20, 30 y 40dB.

e) Circulador

El circulador es un componente no reciproco con baja pérdida de inserción (0.5 dB) en la dirección delantera (puertos 1-2, 2-3, 3-1) y una alta pérdida de inserción (mayor a 23 dB) en la dirección reversa (puertos 2-1, 3-2, 1-3). El detalle en la figura 2.17.

Figura 2.17 Circulador

Fuente: Indoor Radio Planning – A Practical Guide for GSM, DCS, UMTS & HSPA – Cap4 – Pag 99

f) Combinador de 3dB

Es usado para combinar dos fuentes de señal, al mismo tiempo el combinador divide las dos señales combinadas en dos puertos de salida. En ambos puertos saldrá la mitad de la potencia de ambas señales. El detalle en la figura 2.18.

Figura 2.18 Combinador de 3dB

g) Carga

Es usada como terminación de las líneas de transmisión, comúnmente usadas en uno de los puertos de un circulador, también usadas para dejar un reserva de potencia para una futura ampliación del sistema DAS.

h) Filtros

Para diseñar soluciones indoor hay básicamente dos tipos de filtros, el duplexor y el diplexor o triplexor. En la figura 2.19 un ejemplo de tipos de filtros.

Figura 2.19 Diplexor, triplexor, duplexor

Fuente: Indoor Radio Planning – A Practical Guide for GSM, DCS, UMTS & HSPA – Cap4 – Pag 103

El duplexor es usado para separar una señal combinada de TX/RX en dos separadas líneas de TX y RX. El diplexer separa o combinar dos bandas de frecuencia, por ejemplo en las entradas ingresan las señales separadas para luego juntarse en una sola línea de transmisión. El triplexor aplica lo mismo solo que para tres señales RF.

2.4.3 Sistema de antenas distribuidas activo

En la figura 2.20 un ejemplo del uso de un DAS activo.

Figura 2.20 Ejemplo de un sistema activo para edificios

Fuente: Indoor Radio Planning – A Practical Guide for GSM, DCS, UMTS & HSPA – Cap4 – Pag 109

2.4.4 Componentes activos

a) Unidad Maestra

La MU es el cerebro del sistema, genera y controla la calibración interna de las señales en el sistema con amplificadores internos y ajusta las ganancias y niveles de los diferentes puertos en orden de compensar la diferencia producida por las pérdidas de cable entre todas las unidades. La unidad maestra también monitorea el rendimiento del DAS, en un caso de mal funcionamiento la MU es capaz de enviar un señal de alarma a la estación base y permite al operador saber exactamente en qué parte del DAS está el problema para ser solucionado rápidamente.

b) Unidad de Expansión

Las EU son típicamente distribuidas a través de un edificio o campus lejanos a la unidad maestra.

La EU convierte las señales ópticas de la MU en señales eléctricas y distribuirlas así a las unidades remotas (RU). Idealmente las EU también pueden alimentar con corriente DC a las RUs a través del cable de señal existente.

c) Unidad Remota

La unidad remota es siempre instalada muy cerca a la antena para reducir al máximo las pérdidas ocasionadas por los cables coaxiales. La RU convierte la señal proveniente de la EU en señales de radio de bajada y las señales de subida provenientes de los móviles en señales eléctricas para ser enviadas a la EU. La RU es conectada a la EU con un cable coaxial delgado o cables CAT5 haciendo que su instalación sea más fácil y rápida que los rígido cables coaxiales usados en el DAS pasivo.

2.4.5 Soluciones con cable radiante

El cable radiante es típicamente basado en un cable coaxial tradicional con un conductor interior (1), un dieléctrico (2), un blindaje externo (3), ranuras espaciadas sobre el blindaje (4) y una envoltura externa (5), el cual se puede apreciar en la figura 2.21.

Figura 2.21 Cable radiante

El cable puede ser diseñado considerando las pérdidas de acoplamiento a ciertas distancias, perdidas por inserción o anchos de banda de frecuencias. El cable actúa como una larga antena o como varias pequeñas antenas, las ranuras radiarán y capturaran señal a lo largo de la longitud del cable.

a) Parámetros clave de los cables radiantes

La instalación de una solución con cable radiante se ve al inicio simple y fácil de entender, pero la instalación y diseño de soluciones con cable radiante es un desafío. Los parámetros más importantes a tener en cuenta en una solución con cables radiantes son las siguientes:

Rango de frecuencia, se debe estar seguro de que el cable esté preparado para el rango de frecuencias que se va a utilizar.

Pérdidas longitudinales, dichas pérdidas se incrementan con la distancia y varían con las frecuencias.

Pérdidas de acoplamiento, estas son las pérdidas entre el cable y los equipos terminales, especificados a una distancia y probabilidad dada, típicamente 2 o 6 metros. Las especificaciones de acoplamiento tienen un gran margen de variancia, típicamente +/- 10 dB. Asegurarse de incluir este margen en el link budget.

Pérdida del sistema, es la suma de las pérdidas longitudinales y de acoplamiento, esta información es muchas veces proporcionada en los datasheets.

Especificaciones mecánicas, tener en cuenta dichas especificaciones tales como el tamaño, radio de curvatura, resistencia al fuego entre otras. Dichos cables deben cumplir con los estándares del país o de los que solicite el operador.

b) Desafíos en la instalación de cables radiantes

Aterramiento, la instalación de cables radiantes dentro de túneles de tren deben tener un buen sistema de puesta a tierra debido a que el sistema de rieles del tren induce fuertemente al cable radiante, por esto el aterramiento es muy importante.

Seguir las instrucciones, es muy importante instalar el cable radiante exactamente como especifica el vendedor del cable, no dejar el extremo más lejano a la fuente del cable radiante abierto, debe terminar en una antena o en una carga.

Usar las grapas adecuadas, para que las pérdidas de acoplamiento no aumenten drásticamente.

Limpiar el cable frecuentemente, si el cable se encuentra muy sucio aumenta dramáticamente las pérdidas del sistema, afectando así el rendimiento de la red.

CAPÍTULO III

PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN

3.1 Descripción de la solución

Se requiere brindar cobertura a las 27 estaciones subterráneas de la Línea 2 del Metro de Lima, además de los túneles que las interconectan, para este fin se necesita instalar unidades de radio frecuencia en cada una de las estaciones y túneles.

Las unidades de radio se conectan a sus nodos centrales a través de fibra óptica monomodo, hay 9 puntos concentradores en toda la ruta del metro para estos nodos centrales.

En la figura 3.1 se describe lo explicado en el párrafo anterior.

En cada punto concentrador se implementa un switch de capa 3, el cual transporta el tráfico de los nodos que se conecten a él a la red de datos del operador de telefonía celular, además estos equipos brindan una protección en anillo con los otros puntos concentradores.

En la figura 3.2 se describe lo explicado en el párrafo anterior.

Figura 3.2 Topología de la red de transporte Elaboración propia

3.2 Estación base a implementar

Para esta solución se utiliza equipos marca Huawei, este fabricante divide su estación base en dos partes, un nodo central llamado BBU (Base Band Unit) y una unidad remota llamada RRU (Radio Remote Unit), cabe resaltar que una BBU soporta hasta 6 RRUs. Para el diseño del DAS se considera que las frecuencias del operador de telefonía celular son de 850 MHz para UMTS y 1900 MHz para GSM. A continuación se expone sus principales características para los sistemas GSM y UMTS.

3.2.1 Unidad de Banda Base (BBU3900) Las funciones de la BBU son las siguientes:

 Administrador de toda la estación base de manera centralizada, incluyendo la

 Provee interfaces físicas para la interconexión de la estación base con la red de

transporte.

 Proporciona puertos de comunicación con los módulos de radio frecuencia.

En la figura 3.3 se muestra una BBU3900.

Figura 3.3 BBU3900

Fuente: http://enterprise.huawei.com

La BBU puede ser configurada con los siguientes tableros:

 GSM Timing an Main control Unit (GTMU), realiza funciones de operación y mantenimiento, provee una referencia de tiempo al sistema, además provee 4 puertos E1, un puerto Fast Ethernet (FE) eléctrico, un puerto FE óptico y 6 puertos de comuncación con los módulos de radio frecuencia.

 WCDMA Main Processing Transmission unit (WMPT), realiza funciones de operación y mantenimiento, provee una referencia de tiempo al sistema, además provee 4 puertos E1, un puerto FE eléctrico, un puerto FE óptico.

 WCDMA Baseband Processing unit (WBBP), provee 6 puertos de comunicación con lo módulos de radio frecuencia, procesa las señales de banda base de los enlaces de subida y bajada.

 Universal Power and Envairoment Interface Unit (UPEU), convierte a – 48 V DC or + 24 V DC la potencia de entrada.

 Universal Transmision Processing unit (UTRP), provee las interfaces adicionales para la tranmisión.

La BBU se puede configurar en dos modos, single mode y dual mode, a continuación, en las figuras 3.4, 3.5 y 3.6 se muestra las configuraciones para los sistemas GSM y UMTS.

Figura 3.4 Configuración de tablero para GSM (single mode) Fuente: Documento BBU3900 Description – Huawei Technologies

Figura 3.5 Configuración de tablero para UMTS (single mode) Fuente: Documento BBU3900 Description – Huawei Technologies

Figura 3.6 Configuración de tablero para GSM y UMTS (dual mode) Fuente: Documento BBU3900 Description – Huawei Technologies

En la tabla 3.1 se muestran las especificaciones técnicas de capacidad.

Tabla 3.1 Número máximo de RRUs por BBU

Elaboración propia, basado en documento BBU3900 Description – Huawei Technologies

Configuración Modo Número de RRUs

Single GSM Soporta como máximo 6 RRUs Single UMTS Soporta como máximo 6 RRUs

En la tabla 3.2 se muestran las especificaciones técnicas de transmisión.

Tabla 3.2 Especificaciones técnicas de transmisión de la BBU3900

Elaboración propia, basado en documento BBU3900 Description – Huawei Technologies

Modo

GTMU 4 E1s/T1s, 1 FE puerto eléctrico, 1 FE puerto óptico UTRPb4 8 E1s/T1s

WMPT 4 E1s/T1s, 1 FE puerto eléctrico, 1 FE puerto óptico UTRP2 2 FE/GE puerto óptico

En la tabla 3.3 se muestran otras especificaciones técnicas BBU3900.

Tabla 3.3 Especificaciones técnicas de la BBU3900

Elaboración propia, basado en documento BBU3900 Description – Huawei Technologies

Item Especificaciones

Voltaje de entrada -48 V DC, rango de voltaje: -38.4 V DC a -57 V DC

Dimensión 86 mm x 442 mm x 310 mm

Peso < 12 Kg

Temperatura de operación Entre -20 a 55 grados centigrados Humedad relativa Entre 5% a 95% de humedad relativa

3.2.2 Unidad Remota de Radio (RRU3908)

La RRU realiza la modulación, demodulación, procesamiento de la información, combinación y división de las señales de banda base y de radio frecuencia. En la figura 3.7 se muestran los dos tipos de RRU.

Figura 3.7 RRU3908

En la tabla 3.4 se muestra el rango de frecuencia para la RRU3908 V1.

Tabla 3.4 Rango de frecuencias para la RRU3908 V1

Elaboración propia, basado en documento RRU3908 Description – Huawei Technologies

Banda de

En la tabla 3.5 se muestra el rango de frecuencia para la RRU3908 V1.

Tabla 3.5 Rango de frecuencias para la RRU3908 V2.

Elaboración propia, basado en documento RRU3908 Description – Huawei Technologies.

Banda de

Tabla 3.6 Otras especificaciones técnicas de capacidad.

Elaboración propia, basado en documento RRU3908 Description – Huawei Technologies.

En la tabla 3.7 se muestra las especificaciones técnicas de potencia de la RRU3908.

Tabla 3.7 Especificaciones técnicas de potencia.

Elaboración propia, basado en documento RRU3908 Description – Huawei Technologies.

Number of

En la tabla 3.8 se muestran otras especificaciones técnicas de la RRU3908.

Tabla 3.8 Especificaciones técnicas

Elaboración propia, basado en documento RRU3908 Description – Huawei Technologies

3.3 Análisis de la arquitectura del sitio y las condiciones iniciales de cobertura celular

3.3.1 Análisis de la arquitectura del sitio

El primer paso para diseñar una red de telefonía móvil Indoor es hacer un reconocimiento detallado de la estructura de la edificación, en el cual se debe reconocer las montantes de comunicaciones, los ductos disponibles para pasar el cableado necesario, lugares tentativos donde se puede colocar las antenas, ubicar la sala de comunicaciones o un espacio apropiado para colocar los equipos de telecomunicaciones, reconocer la sala de tableros eléctricos y el sistema de aterramiento del lugar.

Otro punto importante para realizar un buen diseño Indoor es reconocer en su mayoría las dimensiones y materiales estructurales de la edificación, como por ejemplo paredes de concreto, drywall o madera, ventanales de vidrio entre otros; así como también el espesor de los mismos.

Esto ayuda al momento de diseñar la red de telefonía móvil con el software de simulación, dado que los diversos materiales que contiene una edificación poseen diversas pérdidas de transmisión, pérdidas por difracción, pérdidas por reflexión entre otras características eléctricas.

Para el diseño de la estación del metro se tiene una estación tipo la cual posee un área aproximada de 3000 m2, presenta 4 entradas y 2 niveles, en el primer nivel se encuentran las zonas de espera para abordar los trenes y las vías del tren, en el segundo nivel un mezanine donde hay algunas pequeñas tiendas y transita la gente; sus paredes son en su mayoría de concreto, pero también presentan algunas divisiones de drywall y madera pesada, además de un ventanal de vidrio.

Las estaciones cuentan con una amplia sala de comunicaciones en la parte baja de la estación, con el espacio suficiente para albergar los equipos generadores de señal 2G/3G, además a pocos metros de dicha sala se encuentra una sala de tableros eléctricos, de donde se puede obtener energía eléctrica para alimentar al rectificador central, el que a su vez alimenta a los equipos de telecomunicaciones.

Además los túneles del metro presentan un amplia canalización subterránea que permite el paso de la fibra óptica, tambien posee ambientes con tableros eléctricos.

La estructura de la estación se muestra en la figura 3.8.

Figura 3.8 Arquitectura de la estación de la Línea 2 del metro Fuente: Software Ibwave Design

Tabla 3.9 Propiedades eléctricas de los materiales

Elaboración propia, basado en la base de datos del software Ibwave

850 MHz 1900 MHz 2100 MHz 850 MHz 1900 MHz 2100 MHz Concreto

liviano 0.02 0.05 0.06 2.81 6 6.64 22 15.02 2 1

Concreto

mediano 0.03 0.07 0.08 5.85 11.04 12.08 19 7.51 6 1

Concreto

pesado 0.04 0.09 0.1 9.27 17.72 19.41 16 6.01 9 1

Madera

pesada 0.02 0.04 0.04 2.29 4.68 5.15 22 13.63 2.3 1

esto permite visualizar con que intensidad estan llegando las señales de la red outdoor y tomar así las precausiones del caso antes de realizar el diseño del sistema radiante.

Cuando la señal es fuerte en ciertas zonas del sitio indoor a implementar, se debe diseñar el sistema radiante de tal manera que en esas zonas la cobertura de la estación base indoor sea muy buena, esto quiere decir que las potencias de las antenas que alumbren dichas zonas deben ser mas fuertes que el resto. En el escenario de la presente tesis, por tratarse de ser un ruta de tren subterráneo, las señales externas son mínimas, por lo que no afectarán la calidad de señal del sistema.

3.4 Análisis de tráfico celular

Uno de los mas importantes parametros de diseño en un red de telefonía móvil es el número de canales de voz que se tienen disponibles.

El tráfico de voz es crítico en tiempo real, muchos servicios de datos pueden tráfico celular del sistema GSM/UMTS en base a los servicios de voz.

3.4.1 Erlang

El Erlang es una unidad de medición de tráfico en telecomuniaciones, es el continuo uso de un canal de voz. Un Erlang es usado para describir el volumen de tráfico total en un hora para un celda especifica.

Si tenemos por ejemplo 20 usuarios, los cuáles hacen 60 llamadas en una hora y cada llamada realizada por ellos tuvo un promedio de duración de 4 minutos, el cálculo del tráfico total en Erlangs sería:

Para realizar los cálculos de capacidad es necesario el uso de la tabla de Erlang B, la cúal es usada para calcular el número de canales requeridos para una determinada carga en Erlangs y un determinado grado de servicio.

En toda red celular, cada usuario tiene un perfil de tráfico específico, en la tabla 3.10 se muestra los perfiles de usuario en Erlangs por cada tipo de usuario, el cuál es un valor promedio que a sido obtenido luego de un análisis de post implementación en varias redes y la cual es utilizada por varios libros para realizar los cálculos de tráfico celular.

Tabla 3.10 Tráfico en Erlangs de un usuario típico

Fuente: Indoor Radio Planning – A Practical Guide for GSM, DCS, UMTS & HSPA – Cap6 – Pag 225

3.4.2 Consideraciones para el diseño de la red de telefonía móvil

Para la Línea 2 del metro de Lima, se ha considerado trenes de 6 vagones, cada vagón soporta como máximo 200 personas, por lo que en total el tren puede transportar como máximo 1200 personas.

La longitud del túnel mas largo del metro es de 1600 metros, la velocidad promedio de los trenes es de 37.5 Km/h, esto implica que un tren se demora alrededor de 2.7 minutos en recorrer el túnel mas grande del sistema; además se sabe que la frecuencia en hora de los trenes en hora punta es de 3 minutos y el tiempo de espera entre paraderos es de 20 segundos.

De lo expuesto líneas arriba no hay la posibilidad que dos trenes que viajen en un mismo sentido esten juntos en un túnel cualesquiera de la Línea 2 del metro de Lima, ya que sacando los cálculos para el túnel de mayor longitud, el tiempo en que se demora el tren en recorrer el túnel es menor a la frecuencia de trenes en hora punta.

El peor escenario de capacidad en un túnel es el que se encuentren dos trenes en circulación en un mismo túnel, cada uno viajando en diferente sentido, lo cual implica tener en ese instante un máximo de 2400 personas.

Actualmente en el Perú se cuenta con cuatro operadores de telefonía móvil, se asume que esta red será para uno de estos operadores y que este operador se proyecta a tener el 40% de usuarios en el mercado para el 2020.

Ahora se recuerda que se tiene dos tecnologías a implementar en la red de metro subterráneo, GSM y UMTS; de acuerdo a la tendencia que se tiene en Lima los usuarios 3G aumentan cada vez mas, por lo que se asume que el 40% de los usuarios son de GSM y el 60% serán de UMTS para el año 2020.

Además se considera solo servicios de voz para GSM, mientras que para UMTS se considera servicios de voz y datos.

Con respecto a los tipos de usuario, se considera 6% de usuarios extremos, 14% de usuarios densos, 30% de usuarios de oficina y 50% de usuarios privados. Estos porcentajes son obtenidos de la hora pico de una red de telefonía móvil real, los cuales conosco de mi experiencia trabajando en una operadora de telefonía móvil.

3.4.3 Cálculo de la capacidad de tráfico celular para el sistema GSM

a) Capacidad de tráfico celular para el túnel

De las consideraciones a tomar para el cálculo de la capacidad de la red de telefonía móvil, se tiene que el número de usuarios para el peor caso en un túnel es:

Al separarlo por tipo de usuario tenemos 23 usuarios extremos, 54 usuarios densos, 115 usuarios de oficina y 192 usuarios privados, el tráfico en Erlangs dá como resultado para estos usuarios:

Para el cálculo de capacidad de tráfico de la red de telefonía móvil se elije un GOS del 1%, usando la tabla de Erlang B (anexo A) para los 19.6E dá como resultado, que es necesario contar con 30 canales para cursar el tráfico de voz.

En GSM por lo general una TRX soporta 7 canales de tráfico, por lo que se necesita por lo menos 5 TRX para darle buena capacidad al túnel. La RRU2G soporta hasta 6 TRX, esto significa que es solo necesario una RRU2G para cumplir la exigencia de tráfico de voz en el túnel.

b) Capacidad de tráfico celular para la estación de la Línea 2 del metro El número de usuarios para el peor escenario en una estación es:

Al separarlo por tipo de usuario se tiene 29 usuarios extremos, 67 usuarios densos, 144 usuarios de oficina y 240 usuarios privados, el tráfico en Erlangs dá como resultado para estos usuarios:

Usando la tabla de Erlang B con un GOS del 1% se necesita 35 canales para cursar un tráfico de 24.5E. En GSM por lo general una TRX soporta 7 canales de tráfico (5), por lo que se necesita por lo menos 5 TRX para darle buena capacidad al túnel en servicio de voz. La RRU2G soporta hasta 5 TRX, esto significa que como mínimo es necesario una RRU2G para cumplir la exigencia de tráfico en la estación.

Para cubrir con la demanda de tráfico en la estación se propone implementar dos RRU2G a 4TRX cada una, esto hace un total de 8TRX (56 canales de tráfico). Usando la tabla de Erlang B se obtiene que el tráfico máximo soportado por la red de telefonía móvil en la estación es de 43.32 E

Para el túnel se considera una RRU a 6 TRX (42 canales de tráfico), lo que equivale a un tráfico máximo de 30.77 E.

3.4.4 Cálculo de la capacidad de tráfico celular para el sistema UMTS

A diferencia que para GSM, calcular la capacidad para UMTS es mas complejo por lo que se toma los siguientes supuestos:

 Todos los usuarios bajo el área de cobertura de una TRX estan igualmente

distribuidos de modo que todos los usuarios esten a la misma distancia de la antena.  El nivel de potencia que los teléfonos móviles usan es el mismo y asi la interferencia

que ellos causan tiene el mismo nivel.

 Los usuarios bajo una TRX usan el mismo bit rate banda base.

Bajo estas circustancias un valor llamado “Processing Gain (Gp)” puede ser definido. Processing Gain es un indicador relativo de la relación entre todo el ancho de banda disponible (BRF) y la taza de bit de banda base (Binformation).

_____________________________

La potencia (P) requerida para transferir información en un canal es la multiplicación de la energía usada por bit y la tasa de información de la banda base.

Además es conocido que el ruido en un canal (Nchannel) usando parcialmente el ancho

de banda total (BRF) puede ser expresado como:

suposiciones previas antes indicadas, significa que hay X-1 usuarios causando interferancia a un usuario. Esto tambien indica la relación señal a ruido y puede ser

Igualando las dos ecuaciones de S/N se tiene:

⁄ _⁄

Despejando el número de usuarios (X) se obtiene:

⁄