Estrategias cognitivas de reutilización de frecuencias en redes heterogéneas

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(1)Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. Estrategias cognitivas de reutilización de frecuencias en redes heterogéneas. Autor: Lisandra Bravo Álvarez Tutores del trabajo: Dr.C. Samuel Montejo Sánchez. Ing. Marvin Feyt Leyva..

(2) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Estrategias cognitivas de reutilización de frecuencias en redes heterogéneas Autor: Lisandra Bravo Álvarez Tutores: Dr.C. Samuel Montejo Sánchez Ing. Marvin Feyt Leyva. Santa Clara 2018 "Año 60 de la Revolución".

(4) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Estrategias cognitivas de reutilización de frecuencias en redes heterogéneas Autor: Lisandra Bravo Álvarez E-mail: [email protected]. Tutor: Dr.C. Samuel Montejo Sánchez E-mail: [email protected]. Ing. Marvin Feyt Leyva E-mail: [email protected]. Consultante: MSc. Carlos Alberto Rodríguez López. Santa Clara "Año 60 de la Revolución".

(5) 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 Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(6) i. PENSAMIENTO. "Los científicos descubren el mundo tal cual es, los Ingenieros crean el mundo que nunca fue" Theodore von Kármán.

(7) ii. DEDICATORIA. A mi madre, por su entrega absoluta y por su constante preocupación. A mi novio, por ser mi apoyo en todo momento..

(8) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi madre, por su amor y por permitirme realizar todas mis metas y sueños. A mi novio, por su comprensión, por estar siempre a mi lado y ser tan especial. A mi familia, por la confianza que siempre han depositado en mí y por estar siempre pendiente de cada uno de mis pasos en mi vida de estudiante. A mi tutor Samuel, por guiarme, ayudarme y enseñarme durante estos meses con la mejor disposición en todo momento y por su confianza en mí. A mi tutor Marvin, por su ayuda y por su atención incondicional en todo momento A todos los profesores que durante estos años han contribuido a la formación de mis conocimientos, valores y principios. A todas las personas que no he mencionado pero que de una forma u otra me han extendido su mano, muchas gracias..

(9) iv. TAREA TÉCNICA.  Estudio de la literatura científica relacionada con las redes heterogéneas y la radio cognitiva.  Confección de las estrategias cognitivas a emplear en las redes heterogéneas.  Confección de los algoritmos de programación que permitan observar el comportamiento de las estrategias cognitivas en las redes heterogéneas.  Evaluación de la efectividad de las propuestas realizadas en la investigación.  Redacción del informe final del Trabajo de Diploma.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(10) v. RESUMEN. El espectro radioeléctrico es un recurso limitado, para combatir este problema se están investigando novedosas técnicas encaminadas a un mejor aprovechamiento del mismo, como son la tecnología radio cognitiva y las técnicas de reutilización de frecuencias. Al utilizar estas técnicas en redes heterogéneas compuestas por macroceldas y femtoceldas se comparte el espectro de radio frecuencias entre ambos tipos de celdas, provocando efectos indeseables de interferencia que afectan grandemente la calidad en las comunicaciones. En la presente investigación se proponen estrategias cognitivas a nivel de femtoceldas acordes a las técnicas de reutilización de frecuencias que permitan mitigar la interferencia y elevar el throughput del sistema. El desempeño de las estrategias propuestas es verificado mediante la simulación de las mismas en un entorno heterogéneo. A partir de los resultados obtenidos se constata que el uso de estrategias cognitivas a nivel de femtoceldas en cooperación con las técnicas de reutilización de frecuencias permite mitigar la interferencia y mejorar el desempeño de las redes heterogéneas..

(11) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ..............................................................................................................ivv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1. REDES MÓVILES HETEROGÉNEAS .................................................... 5. Características de las redes móviles........................................................................ 5. 1.1.1. Long Term Evolution (LTE)........................................................................... 5. 1.1.2. OFDMA .......................................................................................................... 6. 1.2. Técnicas de reutilización de frecuencias ................................................................ 7. 1.2.1. Reutilización de frecuencias fraccionarias ..................................................... 8. 1.2.2. Reutilización Total de frecuencias .................................................................. 8. 1.2.3. Reutilización Dura de frecuencias .................................................................. 9. 1.2.4. Reutilización Estricta de frecuencias ............................................................ 10. 1.2.5. Reutilización Suave de frecuencias .............................................................. 10. 1.3 1.3.1. Técnicas de asignación de recursos de radio ........................................................ 12 Round Robin (RR) ........................................................................................ 12.

(12) vii 1.3.2. Maximum Throughput (MT) ........................................................................ 13. 1.3.3. Proportional Fair (PF) ................................................................................... 14. 1.4. Radio Cognitiva .................................................................................................... 14. 1.5. Redes Heterogéneas (HetNets) ............................................................................. 15. 1.5.1 1.6. Femtoceldas .................................................................................................. 16 Conclusiones Parciales ......................................................................................... 17. CAPÍTULO 2.. MODELACIÓN. ANALÍTICA. DE. ESTRATEGIAS. DE. REUTILIZACIÓN DE FRECUENCIAS EN REDES HETEROGÉNEAS ......................... 18 2.1. Estrategias de reutilización de frecuencia basadas en HFR .................................. 18. 2.1.1. Estrategia Self ............................................................................................... 18. 2.1.2. Estrategia Neighbor ...................................................................................... 19. 2.2. Estrategias de reutilización de frecuencia basadas en FFR .................................. 20. 2.2.1. Estrategia Edge ............................................................................................. 20. 2.2.2. Estrategia Switching ..................................................................................... 20. 2.3. Estrategias de reutilización de frecuencia basadas en SFR .................................. 21. 2.3.1 2.4. Estrategia Changing ...................................................................................... 21 Ventajas y desventajas de las estrategias de reutilización de frecuencia a nivel de. femtoceldas ....................................................................................................................... 22 2.5. Conclusiones parciales .......................................................................................... 24. CAPÍTULO 3.. VALIDACIÓN. MEDIANTE. SIMULACIÓN. Y. RESULTADOS. NUMÉRICOS. .................................................................................................................. 25. 3.1. Parámetros de simulación ..................................................................................... 25. 3.2. Resultado de las estrategias propuestas ................................................................ 28. 3.2.1. Resultados de la estrategia Self .................................................................... 28. 3.2.2. Resultados de la estrategia Neighbor ............................................................ 30.

(13) viii 3.2.3. Resultados de la estrategia Edge ................................................................... 31. 3.2.4. Resultados de la estrategia Switching ........................................................... 32. 3.2.5. Resultados de la estrategia Changing ........................................................... 35. 3.3. Comparación de los resultados mas relevantes ..................................................... 36. 3.4. Conclusiones Parciales ......................................................................................... 42. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 43 Conclusiones ..................................................................................................................... 43 Recomendaciones ............................................................................................................. 44 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 45 ANEXOS .............................................................................................................................. 48 1.1. Anexo 1 Pseudocódigo de las estrategias propuestas en MATLAB .................... 48. 1.1.1. Escenario heterogéneo de dos niveles .......................................................... 48. 1.1.2. Pseudocódigo de la estrategia Self................................................................ 51. 1.1.3. Pseudocódigo de la estrategia Neighbor ....................................................... 52. 1.1.4. Pseudocódigo de la estrategia Edge .............................................................. 53. 1.1.5. Pseudocódigo de la estrategia Switching ...................................................... 56. 1.1.6. Pseudocódigo de la estrategia Changing ...................................................... 59. 1.1.7. Pseudocódigo de la estrategia All ................................................................. 62. 1.2. Anexo 2 Resultados numéricos de las estrategias propuestas .............................. 63. 1.2.1. Resultados numéricos de la estrategia Self ................................................... 63. 1.2.2. Resultados numéricos de la estrategia Neighbor .......................................... 64. 1.2.3. Resultados numéricos de la estrategia Edge ................................................. 65. 1.2.4. Resultados numéricos de la estrategia Switching ......................................... 66. 1.2.5. Resultados numéricos de la estrategia Changing .......................................... 67.

(14) Introducción. 1. INTRODUCCIÓN. En el año 1974 Japón lanzó la NTT conocida como la primera red comercial móvil y tres años después comenzó el desarrollo de la telefonía móvil en Estados Unidos [1]. Desde entonces ha existido un creciente desarrollo de las comunicaciones móviles, dando lugar a un incremento exponencial en la cantidad de clientes y en el tráfico del sistema. Según estimaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU: International Telecommunications Union) en el año 2005 más de 2 mil millones de personas contaban con el servicio de telefonía móvil [2]. El surgimiento de las codiciadas redes sociales y la capacidad para interactuar con terminales móviles propició que para el año 2014 el número de usuarios que accedían a los servicios móviles ascendiera al 94% de los 7 mil millones de habitantes del planeta para triplicarse con respecto a 2005 [2]. Dichas aplicaciones y servicios emergentes requieren una mayor tasa de transmisión de datos, esto constituye un gran reto tecnológico dado que el espectro de radio es un recurso limitado. Por lo que la asignación exclusiva de mayor ancho de banda a dicha tecnología no parece una solución viable. Para darle solución a este problema la comunidad científica comenzó a estudiar como una solución viable el método de reutilización de frecuencias. En [3] se realiza un estudio de las ventajas que brinda la reutilización de frecuencias para el uso eficiente de los recursos espectrales en redes LTE. Existen varios factores de reutilización de frecuencias en función de las características del sistema, pero mientras mayor sea la eficiencia en el reuso de frecuencias mayor va a ser la interferencia intercelda. De aquí la necesidad de plantear estrategias de reutilización de frecuencias fraccionarias que ayudaran a mitigar la interferencia. En [4] se hace un análisis del impacto que produce el uso de la estrategia de Reutilización Estricta de Frecuencias (FFR) en la mitigación de la interferencia intercelda y el throughput del sistema. En [5] se presenta una caracterización estadística de FFR y de la.

(15) Introducción. 2. Reutilización Suave de Frecuencias (SFR). En [6] se realiza un estudio de varias estrategias de coordinación de interferencias interceldas, destacándose la Reutilización Dura de Frecuencias (HFR) y algunas de sus ventajas. Una vez establecidas las estrategias de coordinación de interferencia interceldas se realiza la asignación de los recursos de radio. Una acertada planificación de la asignación de los recursos de radio favorece el desempeño del sistema en función de la métrica utilizada. Existen numerosas técnicas de asignación disponibles en la literatura, cada una persigue un fin determinado y tiene características propias, entre ellas se pueden destacar Round Robin, Maximum Throughput y Proportional Fair. En [7] se describe la modelación y simulación de los tres algoritmos de planificación de recursos de radio en el enlace descendente y se evalúa el throughput de cada uno para una red LTE. En [8] se presenta un marco analítico donde se optimiza los parámetros de FFR en las redes OFDMA cuando se utiliza el planificador Round Robin (RR). En [5] se realiza una caracterización estadística de la combinación de FFR/SFR utilizando Proportional Fair (PF) para optimizar varios parámetros operacionales en las redes OFDMA. Por otro lado, este crecimiento en la demanda de recursos de radio ha propiciado que el mundo evolucione de 3G (Tercera Generación) a 4G (Cuarta Generación) y se espera que para el año 2020 se lance comercialmente 5G (Quinta Generación). Esta tecnología introduce mejoras significativas en el ancho de banda además de la capacidad de tomar ventaja de las redes optimizadas heterogéneas. Una red heterogénea es aquella donde conviven junto a las macroceldas (MBS) otros tipos de celdas más pequeñas como pueden ser las picoceldas y/o femtoceldas (FBS). Estadísticas publicadas por Cisco [2] definen el 80% del tráfico móvil es generado desde interiores, distribuyéndose en un 32% desde el hogar, 20% desde el trabajo y 28% originado en establecimientos públicos. Es precisamente este el escenario donde las femtoceldas atraen la atención de la industria de las telecomunicaciones. En [9] después de realizar un estudio sobre la arquitectura cognitiva de las femtoceldas en las redes heterogéneas, se llegó a la conclusión de que la ventaja que tiene el uso de femtoceldas es la capacidad de minimizar el rango de transmisión de cada una de ellas, propiciando maximizar eficientemente el throughput del sistema. En [10] se realiza una comparación entre dos algoritmos de asignación de recursos, uno nombrado Autonomous donde las femtoceldas y las macroceldas transmiten.

(16) Introducción. 3. independientemente y otro llamado Coordinated donde las femtoceldas y las macroceldas transmiten en cooperación una con la otra. La simulación de estas mostró como resultado que el algoritmo Coordinated es superior en cuanto al desempeño del sistema, obteniendo mayores tasas de transmisión a expensas de la comunicación intercelda. La coexistencia de femtoceldas en macroceldas reveló nuevos retos al traer consigo la disyuntiva de qué sistema de femtoceldas usar. Sin embargo, aparejado a la utilización de estas modernas redes móviles se ha desarrollado una novedosa técnica encaminada a un mayor aprovechamiento del espectro de radio frecuencias como es la tecnología radio cognitiva [11], [12]. Cuando se utilizan las técnicas de reutilización de frecuencias fraccionarias en redes heterogéneas compuestas por macroceldas y femtoceldas se comparte el espectro de radio frecuencias entre ambos tipos de celdas, provocando efectos indeseables de Interferencia Interceldas (ICI, Inter Carrier Interference) y de interferencias cruzadas entre macroceldas y femtoceldas (CTI, Cross-tier interference) que afectan grandemente la calidad en las comunicaciones de una y otra. Una tecnología emergente como la Radio Cognitiva podría ser usada conjuntamente a las técnicas de reutilización de frecuencias para lograr estrategias a nivel de las FBS que mitiguen la interferencia y eleven el throughput en redes heterogéneas. En función de lo antes expuesto, surge el siguiente problema científico: ¿Cómo diseñar estrategias cognitivas a nivel de las FBS acordes a las técnicas de reutilización de frecuencias, que mitiguen la interferencia y eleven el throughput en redes heterogéneas? Esta investigación tiene como objeto de estudio: las Redes Heterogéneas Radiocognitivas y su campo de acción es las estrategias cognitivas de reutilización de frecuencias. Para dar respuesta al problema científico se establece como objetivo general de esta investigación:  Proponer estrategias cognitivas a nivel de femtoceldas acordes a las técnicas de reutilización de frecuencia que mitiguen la interferencia y eleven el throughput en redes heterogéneas. Para dar cumplimiento al objetivo general se plantean los siguientes objetivos específicos:  Estudiar las principales características de las redes heterogéneas..

(17) Introducción. 4.  Seleccionar técnicas de reutilización de frecuencias fraccionarias y de asignación de recursos de radio empleadas en las redes heterogéneas.  Proponer nuevas estrategias cognitivas para las FBS en un entorno heterogéneo.  Evaluar comparativamente las estrategias cognitivas en función del throughput y de la interferencia. Con este proyecto se pretende contribuir al despliegue de las femtoceldas en las redes heterogéneas, a un mejor desempeño del espectro radioeléctrico y ofrecer una solución viable para mitigar la interferencia y elevar el throughput del sistema. También se pretende lograr un análisis comparativo que contribuya a la selección de la estrategia cognitiva en función de los requerimientos del sistema. La tesis se estructurará en Introducción, Capitulario, Conclusiones, Bibliografía y Anexos. En la introducción se exponen la importancia, actualidad, y necesidad del tema que se aborda, así como los elementos del diseño teórico. En el capítulo I se establecen los fundamentos teóricos necesarios para abordar la problemática de la investigación. En este capítulo se describen las generalidades de las redes heterogéneas, de las técnicas de reutilización de frecuencia y de los mecanismos de asignación de recursos de radio. En el capítulo II se presenta la definición de estrategias cognitivas a nivel de femtoceldas, acordes a las técnicas de reutilización de frecuencias para mitigar la ICI y la CTI en las redes heterogéneas. En el capítulo III se recogen los resultados obtenidos de la simulación de las estrategias propuestas, orientados a evaluar el comportamiento de la interferencia y del throughput; y se evalúan comparativamente entre ellos. En las conclusiones se realiza un análisis crítico de los resultados obtenidos y se expresa las recomendaciones para futuros estudios sobre el tema. En la Bibliografía se hará un listado de las referencias bibliográficas consultadas siguiendo la norma IEEE. Por último, en los anexos se incluirán los códigos programados en MATLAB de las estrategias cognitivas propuestas, así como figuras y/o tablas de interés..

(18) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 5. Capítulo 1. REDES MÓVILES HETEROGÉNEAS. En los últimos años ha tomado protagonismo la banda ancha móvil, las aplicaciones de multimedia a través de Internet han reunido cada vez más atención. Estas aplicaciones emergentes, con diferentes throughputs, retrasos, tasa de pérdida de paquetes y requisitos de ancho de banda hacen énfasis en la necesidad de una red capaz de soportar esta gama de servicios. En este capítulo son abordadas las características generales de las redes heterogéneas, así como las técnicas de reutilización de frecuencias y los mecanismos de asignación de recursos de radio que se utilizan en este tipo de redes móviles. 1.1. Características de las redes móviles. A partir del desarrollo de los servicios móviles, tanto WiMAX como LTE se presentan como las principales tecnologías a dominar el futuro de las comunicaciones. En especial LTE ha alcanzado un alto desarrollo y su versión más reciente LTE-Advanced está nominada a ser la tecnología fundamental para las redes de comunicaciones de cuarta generación. 1.1.1 Long Term Evolution (LTE) En [13] se define LTE como la principal tecnología de banda ancha móvil. Se destaca que LTE proporciona una alta velocidad de transferencia de datos de hasta 100 Mbps en enlace descendente (DL) y puede operar en diferentes anchos de banda que van desde 1,4MHz hasta 20MHz. Estableciéndose como punto de partida de esta tecnología marzo de 2009 cuando se publican las especificaciones de 3GPP Release 8. En [14] se explica que el diseño LTE brinda mayores tasas de transmisión, menores retardos, mayor eficiencia de espectro, menor coste y simplicidad operativa con respecto a.

(19) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 6. las tecnologías que le anteceden. El objetivo principal de la red LTE es mejorar la velocidad de transmisión de datos para proporcionar los recursos de radio para la variedad de servicios altamente demandados, teniendo en cuenta un nivel satisfacción de Calidad de Servicio para todos los usuarios activos. Para lograr dicho objetivo el sistema LTE utiliza la tecnología de acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA que proviene de Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) en el enlace descendente. LTE – Advanced es una versión con mejores prestaciones y un uso más eficiente del espectro, y según [15] es actualmente la base del desarrollo de las redes heterogéneas. 1.1.2 OFDMA El acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) fue la elección de la Asociación 3ª Generación para el desarrollo de LTE y en adelante la solución con mayor aceptación en la industria como régimen de acceso al medio [13]. Este comportamiento estuvo dado por los beneficios resultantes a partir de su empleo como son el buen desempeño en la frecuencia selectiva de los canales de desvanecimiento, la baja complejidad de la banda base del receptor, excelentes propiedades del espectro y control sobre varios anchos de banda, adaptabilidad del enlace y programación en el dominio de la frecuencia, así como su alta compatibilidad con receptores avanzados y tecnologías de antenas [16]. OFDMA descompone un canal de atenuación de frecuencia selectiva de banda ancha en un conjunto de subcanales de banda estrecha ortogonales que, cuando se utilizan conjuntamente con una estructura de trama con intervalos de tiempo, proporcionan un conjunto de bloques de frecuencia que constituyen la unidad básica de programación [17]. En [16] define el principio de transmisión de OFDMA como el uso de subportadoras estrechas y mutuamente ortogonales. Dado que los RB son ortogonales entre sí, se evita la interferencia intercelda. Sin embargo, la reutilización de todos los bloques de frecuencia en cada celda del sistema (es decir, la reutilización universal de frecuencias), provoca el surgimiento de niveles muy altos de interferencia intercelda que son particularmente perjudiciales para los usuarios equipados (UE) situados en el borde de la celda [10]..

(20) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 1.2. 7. Técnicas de reutilización de frecuencias. Un importante método utilizado para maximizar las prestaciones de las redes inalámbricas y provechar el espectro de frecuencias es la reutilización de frecuencias. En [18] se define la reutilización de frecuencias como la división del espectro total del sistema en bloques y la asignación de estos para la transmisión de los nodos, de forma tal que los nodos que transmiten con la misma frecuencia se encuentren espaciados lo suficiente como para no interferirse mutuamente de forma significativa. De este modo se puede reutilizar el mismo segmento de frecuencias cada determinado número de nodos, garantizando la expansión del sistema. Como se expone en [18] el factor de reutilización de frecuencia es que tan seguido se puede utilizar la misma frecuencia en una red. Esto es 1/n donde n es el número de celdas que no pueden utilizar la misma frecuencia para la transmisión. A mayor eficiencia en el reuso de frecuencias, mayor es la interferencia. En la figura 1.1 se muestra un sistema compuesto por 19 macroceldas con un factor de reuso de 3.. Fig. 1.1. Sistema de 19 macroceldas con un factor de reuso de frecuencia de 3 [4].. En [18] se fundamenta que la función de la reutilización de frecuencias es la de disminuir el SINR de forma tal que se logren altas tasas de transmisión. La fórmula del SINR se muestra en la ecuación 1.1.. 𝐒𝐈𝐍𝐑 =. 𝐒 ∑𝐧𝐢=𝟎 𝐈 + 𝐑. 1.1.

(21) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 8. Donde S es la potencia de la señal en Watts, I es la sumatoria de la potencia de la señal interferente de los n móviles que transmiten de forma simultánea en ese bloque de recursos en Watts y R es la potencia de ruido en Watts. 1.2.1 Reutilización de frecuencias fraccionarias Según [3] las técnicas de reutilización de frecuencias fraccionarias son mecanismos de coordinación de interferencias interceldas utilizadas para minimizar las interferencias entre las transmisiones de las celdas vecinas. Consisten en la división del espectro electromagnético en determinadas bandas que se asignan entre los nodos evolucionados B (eNB) vecinos de forma tal que no se interfieran las transmisiones. Las bandas pueden dividir el eNB en diferentes áreas interiores o exteriores, provocando que los UE más cercanos al eNB transmitan en bandas distintas a las de los UE más alejados del eNB. En [19] se plantea que en comparación con las técnicas de reuso de frecuencias tradicionales, se logran mayores tasas de transferencia de datos con las técnicas de reuso fraccional de frecuencias. En [20] el autor clasifica las técnicas de reutilización de frecuencias fraccionarias en estáticas o dinámicas. En las estáticas las bandas de frecuencia no cambian con el tiempo y una vez definidas se mantienen de forma permanente. Las dinámicas utilizan la señalización de la interfaz X2 para cambiar los rangos de frecuencias de las bandas en las celdas vecinas de acuerdo con las necesidades de transmisión de los eNB. 1.2.2 Reutilización Total de Frecuencias En [18] se establece la reutilización total de frecuencias como la transmisión con toda la potencia necesaria en toda la banda de frecuencia de parte de todos los eNB. Esto disminuye el SINR y a la postre disminuye throughput de la celda. En la figura 1.2 se muestra el esquema de reutilización de frecuencias en cuanto a potencia y reutilización de frecuencias..

(22) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 9. Fig.1.2. Reutilización total de frecuencias [18].. 1.2.3 Reutilización Dura de Frecuencias (HFR) Tal y como se plantea en [6] en la técnica de HFR se divide el espectro en determinadas sub-bandas de frecuencia que son asignadas a cada eNB, dentro de los cuales, la celda transmite solamente en la porción de la sub-banda de frecuencia asignada a ella. De esta forma se eleva considerablemente el SINR al reducir las interferencias a los usuarios del borde de las macroceldas, sin embargo, se reduce el throughput de la macrocelda al disminuir el ancho de banda disponible. En la figura 1.3 se muestra el esquema de la potencia y el ancho de banda de HFR con un factor de reutilización de frecuencia de 3.. Fig.1.3. Reutilización de frecuencias HFR3 [6]..

(23) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 10. 1.2.4 Reutilización Estricta de Frecuencias (FFR) En FFR la banda total se divide entre una banda central común para todas las macroceldas donde se aplicará reutilización total de frecuencias y una cantidad de sub-bandas N que se utilizarán en cada uno de los bordes de las macroceldas y en las que se aplicará HFR. En total se requiere dividir el espectro en N+1 sub-bandas [21].. Fig.1.4. Reutilización de frecuencias FFR3 [21].. Las sub-bandas externas solamente se asignarán a los usuarios del borde de la celda, por esta razón es necesario definir el radio umbral a partir del cual el UE será tratado como de borde por el eNB. Según [4] a pesar de no utilizarse todo el ancho de banda disponible por la celda, mejora el SINR con lo que se obtiene un throughput elevado para los usuarios del borde de la celda. En la figura 1.4 se muestra el esquema de la potencia y el ancho de banda de FFR con un factor de reutilización de frecuencia de 3. 1.2.5 Reutilización Suave de Frecuencias (SFR) En [22] se plantea que en esta técnica se utiliza todo el ancho de banda de la celda, pero esta se divide en dos sub-bandas y en cada una se transmite con un nivel de potencia diferente. En la zona central de la celda se transmite con menor potencia pues la cercanía del UE al eNB le permite optimizar la potencia de transmisión para alcanzar la velocidad requerida. En la zona externa se transmite con mayor potencia para elevar el SINR y.

(24) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 11. alcanzar así tasas de transmisión elevadas debido a las mayores pérdidas de transmisión por propagación, entre otros factores.. Fig.1.5. Reutilización de frecuencias SFR1 [23].. Según [23] SFR se puede implementar en dos variantes. En la variante 1 se trasmite en toda la banda de frecuencias pero se transmite con mayor potencia en la sub-banda designada con preferencia a los UE que se encuentran en el borde. En la figura 1.5 se muestra el esquema de la potencia y el ancho de banda de la variante 1 de SFR (SFR1) con un factor de reutilización de frecuencia de 3.. Fig.1.6. Reutilización de frecuencias SFR2 [23].. En esta variante de SFR se alcanza un buen throughput de la celda, sobre todo para los usuarios del centro. En el caso de que sólo transmitan UE con elevado SINR estos pueden.

(25) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 12. utilizar toda la banda de frecuencia y elevar su tasa de transferencia de datos. Sin embargo los usuarios del borde ven limitada su tasa de transferencia a la de la sub-banda asignada. En la variante 2 de SFR los usuarios del centro de la celda no tienen acceso a la sub-banda externa. De esta forma se mejora el SINR de los usuarios del borde a expensas de un menor ancho de banda disponible para los usuarios con mejores condiciones de transmisión. En la figura 1.6 se muestra el esquema de la potencia y el ancho de banda de la variante 2 de SFR (SFR2) con un factor de reutilización de frecuencia de 3. 1.3. Técnicas de asignación de recursos de radio. Una vez que los mecanismos de coordinación de interferencias interceldas imponen las restricciones necesarias a la potencia de transmisión y el ancho de banda a emplear por el eNB, se procede a la asignación de los recursos de radio a los UE. La asignación se realiza tomando en cuenta varios parámetros del sistema y tiene como objetivo que esta distribución cumpla con ciertos requisitos impuestos por la métrica utilizada. Existen numerosas técnicas de asignación, cada una persigue un fin determinado y tiene características propias. El mecanismo de asignación empleado tiene la capacidad de aumentar el throughput del sistema. En [24] se expone que el diseño de las técnicas de asignación de recursos se realiza tomando en consideración varios aspectos. Tanto la escalabilidad como la complejidad deben ser considerados cuidadosamente de tal forma que los mecanismos resulten eficientes, pero a su vez lo más simple posible para evitar retardo y congestión por demoras generadas por petición del servicio por otros usuarios. También se debe considerar la eficiencia espectral, pues asignar mayores recursos a los usuarios con mayores y mejores posibilidades implica un aumento de las tasas de transmisión y un mejor rendimiento del sistema, pero por otra parte trae consigo que los usuarios con terminales menos potentes experimenten un servicio deficiente. 1.3.1 Round Robin (RR) En [25] se define Round Robin (RR) como un método para seleccionar todos los elementos de un grupo de forma equitativa. RR fue creado para las redes de datos y es utilizado para.

(26) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 13. manejar colas de paquetes en computadoras. En las redes LTE se aplica mediante la división de los bloques de recursos disponibles entre la cantidad de pedidos de transmisión de los UE conformando una cola circular. Si la cantidad de RB es suficiente como para servir a los UE que demandan recursos se distribuyen entre estos equitativamente. En caso de que los recursos no sean suficientes para atender a cada una de las terminales que demanda el servicio, se formará una cola en la que los primeros en entrar serán los primeros en salir. El algoritmo se basa en la métrica descrita por [7] en la ecuación 1.2. 𝑹𝑹 = 𝑻 − 𝑻𝒔. 1.2. T es el tiempo y 𝑇𝑠 es el tiempo en que le fue asignado anteriormente la petición, como resultado la mayor prioridad se oferta a los usuarios con mayor valor numérico de la métrica. Este es un mecanismo justo desde el punto de vista de las oportunidades de transmisión, puesto que todo UE que intente transmitir datos podrá hacerlo. Sin embargo, no tiene en cuenta las condiciones del canal y asigna recursos a UE que no pueden alcanzar esquemas de modulación y codificación elevados en detrimento de los que sí tienen condiciones instantáneas superiores con las que se alcanzarían mayores velocidades de transmisión. 1.3.2 Maximum Throughput (MT) Este mecanismo se define en [26] como la asignación de recursos de radio tomando en cuenta las condiciones del canal. En el dominio de la frecuencia (FDMT) asigna el RB al UE que tenga las mejores condiciones de propagación según el indicador de calidad del canal de la sub-banda enviado por el UE al eNB. La métrica empleada se describe en la ecuación 1.3. 𝒎(𝒏, 𝒌) = 𝒎á𝒙 𝑹𝑻(𝒏, 𝒌, 𝒕). 1.3. Donde RT(n, k, t) es la razón de transmisión de datos a alcanzar por el UE en el bloque de recursos k por el usuario n en el intervalo de tiempo de transmisión t, calculada según el.

(27) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 14. esquema de modulación y codificación correspondiente de acuerdo a la calidad del canal reportado. Mientras mayor sea el resultado de la métrica, mayor es la prioridad para asignarle los recursos al UE. Según [27] Maximum Throughput logra tasas de transmisión elevadas al asignar el canal al UE que tenga las mejores condiciones de propagación y esté en condiciones de alcanzar el mayor esquema de codificación y modulación de todos los UE en ese instante de tiempo. Esta situación posibilita elevar el Throughput del sistema en general, sin embargo, la calidad de servicio para los UE que se encuentran alejados del eNB o bajo condiciones de elevadas pérdidas en la propagación de la señal puede degradarse seriamente y dejarlos sin servicio en casos extremos aunque se encuentren bajo la cobertura de la celda. 1.3.3 Proportional Fair (PF) Tal y como se describe en [28] Proportional Fair tiene en cuenta la información que brinda el canal y a la vez trata de proporcionar una equidad al tener en cuenta el throughput pasado del UE. En la ecuación 1.4 se presenta la métrica del algoritmo. 𝑷𝑭 = 𝑴𝑻 × 𝑩𝑬𝑻 = 𝑹𝑻(𝒏, 𝒌, 𝒕) ×. 𝟏 𝑻(𝒏, 𝒕). 1.4. Donde RT(n, k, t) es la razón de transmisión de datos a alcanzar por el UE en el bloque de recursos k por el usuario n en el intervalo de tiempo de transmisión t, calculada según el esquema de modulación y codificación correspondiente de acuerdo a la calidad del canal reportado y T(n, t) es el throughput pasado del UE n dentro del rango de tiempo t. PF utiliza el throughput pasado del UE como un peso del throughput esperado de forma tal que los usuarios que experimentaron un menor throughput anteriormente sean servidos en el menor tiempo posible [29]. 1.4. Radio Cognitiva. Como resultado de la política de asignación fija de frecuencias, se ha producido una escasez en bandas de frecuencia disponibles. Ante esta situación se presenta como una necesidad la búsqueda de soluciones al respecto. De las alternativas que se han presentado.

(28) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 15. en las últimas dos décadas, la radio cognitiva (CR) se destaca como la solución con mayor potencial. La CR se considera una evolución de la Radio Definida por Software (SDR: SoftwareDefined Radio), de forma que se presenta como un sistema inalámbrico reconfigurable con la característica de poder cambiar cualquiera de sus parámetros dependiendo de las condiciones del entorno en el que está insertado [11], [12], definición muy similar a la expresada por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC: Federal Comunications Commission) en el año 2003. En [30] el autor define las SDR como plataformas que utilizan el software para controlar la mayoría de las funciones en un dispositivo de comunicación permitiendo múltiples modos de operación y obteniendo una alta compatibilidad y adaptabilidad entre los nodos del sistema. Para ello el sistema se basa en el uso de las Etiquetas Radio, un concepto que la CR mejoró hasta alcanzar el metalenguaje llamado lenguaje de representación de conocimiento radio (RKRL). Gran parte de los estudios actuales utilizan enfoques más específicos, y sobre esta base se desarrollan diversas técnicas adaptativas de acceso a los recursos radio para lograr la toma de decisiones de forma autónoma en cuanto a saltos de frecuencia, cambios de potencia transmitida o variaciones en los esquemas de modulación empleados [30]. 1.5. Redes Heterogéneas (HetNets). En [31] se define una red heterogénea como aquella donde conviven junto a las macroceldas otros tipos de celdas más pequeñas como pueden ser las picoceldas y/o femtoceldas. En [32] se plantea que en una red inalámbrica heterogénea pueden coexistir en una misma vecindad diferentes niveles de red que pueden diferir en términos de velocidad de datos soportada, protocolo de acceso de canal, potencia de transmisión, alcance de cobertura y soporte de movilidad y además pueden funcionar simultáneamente. En un escenario HetNet típico de dos niveles, que consiste en estaciones base macro (MBS) y en estaciones base femto (FBS), la potencia de transmisión de una MBS puede ser hasta 1000 veces mayor que la de una FBS, según datos de [33]. Por lo tanto, la interferencia co-canal o cruzada de las MBS a los usuarios femtos puede ser muy significativa. Las femtoceldas.

(29) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 16. pueden cooperar dentro de una subcapa macro, utilizando frecuencias iguales o diferentes. Sin embargo, el funcionamiento en co-canal de las femtoceldas introduce interferencia a macroceldas y viceversa, limitando la capacidad del sistema. 1.5.1 Femtoceldas A partir de las estadísticas brindadas por Cisco [2] del comportamiento del tráfico del servicio móvil indoor se impone a los proveedores el desafío de brindar una buena cobertura y un servicio de datos de alta velocidad. Para la cobertura en interiores actualmente se utilizan los sistemas de macroceldas tradicionales con transmisores al aire libre, sin embargo, estos no pueden garantizar ninguno de los aspectos anteriores. Para dar respuesta a esta problemática los operadores de servicios han recurrido a dos soluciones fundamentales, siendo estas el Sistema de Antenas Distribuido (Distributed Antena Systems, DAS) y las Picoceldas. Ambas variantes se nos presentan como opciones económicas pero solo para grandes empresas o centros comerciales. Para pequeñas negocios (Small Office Home Office, SOHO) y para el hogar estas soluciones son demasiado costosas. De esta forma comienzan a tomar protagonismo las femtoceldas desplegadas por los usuarios, minimizando la inversión necesaria para su despliegue y garantizando un área de cobertura pequeña pero eficaz. En [34] se establece una femtoceldas como una pequeña estación base (Base Station, BS) que funciona como un punto de acceso a la red móvil. Se caracteriza por el uso de bajos niveles de potencia y un enlace con el proveedor de servicios a través de DSL residencial, conexiones de banda ancha de cable, fibra óptica o tecnologías inalámbricas de última milla en redes WiMAX, LTE o LTE-A. Poseen la capacidad de auto configurarse y optimizarse para facilitar su uso además de mejorar sus posibilidades de inserción en el mercado [35]. En los últimos años las redes heterogéneas y el uso de las femtoceldas se han ido desarrollando y optimizando, trayendo consigo un crecimiento exponencial en la cantidad de usuarios. El despliegue de las femtoceldas móviles no solo se limita al hogar o la empresa sino también a los automóviles, autobuses y otras formas de transporte. Pero la instalación de muchas estaciones bases de baja potencia plantea nuevos retos en términos de gestión de interferencias y funcionamiento eficiente de la red, debido a los altos niveles.

(30) CAPÍTULO 1. Redes Móviles Heterogéneas.. 17. de interferencia intercelda que introduce en el sistema [36]. Por tanto, en este trabajo se realizará una evaluación de estrategias cognitivas basadas en el conocimiento de las técnicas de reutilización de frecuencias fraccionarias utilizadas, que puedan mitigar el impacto de la interferencia intercelda causada por el uso de las femtoceldas. 1.6. Conclusiones Parciales. La implementación de redes heterogéneas utilizando nodos de baja potencia como las femtoceldas se presenta como la principal alternativa para la continua evolución de las redes móviles. En esta dirección las investigaciones actualmente se centran en dar solución a los principales desafíos que lastran el desarrollo de las mismas. El agotamiento del espectro radioelectrónico y la interferencia intercelda generada a partir de la reutilización de frecuencias por el uso de un gran número de femtoceldas dentro de una misma macrocelda representan los principales retos a tener en cuenta. Por tanto surge la necesidad de crear nuevas estrategias cognitivas basadas en el conocimiento de las técnicas de reutilización de frecuencia fraccionaria utilizadas, que puedan mitigar el impacto de la interferencia intercelda causada por el uso de las femtoceldas..

(31) CAPÍTULO 2. Modelación Analítica de Estrategias de Reutilización de Frecuencia en redes. 18. heterogéneas.. Capítulo 2. MODELACIÓN ANALÍTICA DE ESTRATEGIAS DE REUTILIZACIÓN DE FRECUENCIA EN REDES HETEROGÉNEAS. La inminente introducción de las femtoceldas en las redes heterogéneas imponen la necesidad de estrategias cognitivas a nivel de femtoceldas que, en conjunto con las estrategias de reuso de frecuencias fraccionarias a nivel de macrocelda, ayuden a minimizar la ICI. Se hace esencial adoptar una efectiva y robusta estrategia cognitiva que pueda mitigar la interferencia co-canal y reducir considerablemente la CTI en orden de elevar el throughput general de sistema heterogéneo. Este capítulo se concentrará en la realización y evaluación de estrategias cognitivas a nivel de femtoceldas acordes a las estrategias de reuso de frecuencias fraccionarias que se esté utilizando. 2.1 2.1.1. Estrategias de reutilización de frecuencia basadas en HFR Estrategia Self. En la estrategia Self todas las femtoceldas ubicadas en una macrocelda transmitirán con la misma sub-banda establecida para dicha macrocelda, es decir, las estaciones femtos y los usuarios macros ubicados en la misma macrocelda transmitirán con la misma sub-banda de frecuencia. En la figura 2.1 se muestra la estrategia Self utilizando HFR3. En esta estrategia los usuarios femtos que transmiten con la banda de frecuencias de la macrocelda a la que pertenecen (ej. la señalada con el color rojo), no serán interferidos por las estaciones femtos que transmiten con las bandas de frecuencias de las macroceldas vecinas (azul y verde) (figura 2.1). Por otro lado, los usuarios femtos y los usuarios macros que transmiten con la misma banda de frecuencia se interfieren mutuamente..

(32) CAPÍTULO 2. Modelación Analítica de Estrategias de Reutilización de Frecuencia en redes. 19. heterogéneas.. Fig.2.1. Estrategia Self usando HFR3.. 2.1.2 Estrategia Neighbor. Fig.2.2. Estrategia Neighbor usando HFR3.. En la estrategia Neighbor, al contrario de la estrategia Self, se le asignarán a las femtoceldas ubicadas en una macrocelda las bandas de frecuencias establecidas para las macroceldas vecinas, tal como se muestra en la figura 2.2. En esta estrategia, los usuarios macros y los usuarios femtos ubicados en la misma macrocelda no se van a interferir mutuamente, por lo.

(33) CAPÍTULO 2. Modelación Analítica de Estrategias de Reutilización de Frecuencia en redes. 20. heterogéneas.. que el throughput de la macrocelda se elevará con respecto al de la estrategia Self. En Neighbor, las estaciones femtos que se encuentran en la macrocelda que transmite con la banda de frecuencia representada con color rojo, transmitirán con las bandas de frecuencias identificadas de color azul y verde (figura 2.2), por tanto la interferencia percibida será menor al encontrarse las fuentes interferentes más alejadas. 2.2 Estrategias de reutilización de frecuencia basadas en FFR 2.2.1 Estrategia Edge En la estrategia Edge se aprovecha la característica de FFR de separar las sub-bandas externas de las macroceldas de la sub-banda común central, separando de esta forma las estaciones femtos que se encuentran en el borde de la macrocelda de aquellas estaciones femtos que se encuentran en el centro de la macrocelda. Esta estrategia solo se aplica a aquellas estaciones femtos que se encuentren en el borde de las macroceldas, y se les asignan para la transmisión las dos sub-bandas de frecuencias externas que no está utilizando el borde de la macrocelda donde se encuentran, como se muestra en la figura 2.3. De esta forma, las estaciones femtos que se encuentran en el borde la macrocelda que transmite con la sub-banda externa roja, transmitirán con las sub-bandas externas azul y verde (figura 2.3), elevando el throughput de los usuarios femtos que se encuentran en el borde de la macrocelda y disminuyendo la interferencia recibida por los usuarios macros de borde. 2.2.2 Estrategia Switching En la estrategia Switching las femtoceldas ubicadas en el centro de las macroceldas transmitirán con las tres sub-bandas de frecuencias externas, teniendo una mayor opción para seleccionar el sub-canal de transmisión, lo que permite que la interferencia co-canal sea mitigada. Por otro lado, las femtoceldas ubicadas en el borde de las macroceldas transmitirán con la banda de frecuencias centrales, como se muestra en la figura 2.4. En esta estrategia los usuarios femtos y los usuarios macros ubicados en la misma zona de la macrocelda no se interfieren mutuamente, mitigando la interferencia percibida por los usuarios y elevando el throughput de los mismos..

(34) CAPÍTULO 2. Modelación Analítica de Estrategias de Reutilización de Frecuencia en redes. 21. heterogéneas.. Fig.2.3. Estratégia Edge usando FFR3.. Fig.2.4. Estrategia Switching usando FFR3.. 2.3 Estrategias de reutilización de frecuencia basadas en SFR 2.3.1 Estrategia Changing La estrategia Changing tiene un comportamiento similar a la estrategia Switching, ya que ambas utilizan las sub-bandas de frecuencias de borde para diferenciar la banda de.

(35) CAPÍTULO 2. Modelación Analítica de Estrategias de Reutilización de Frecuencia en redes. 22. heterogéneas.. transmisión de las femtoceldas y de los usuarios macros que se encuentran en una misma zona de la macrocelda. En la estrategia Changing, las estaciones femtos que se encuentran en el centro de una macrocelda tienen la opción de transmitir con una de las tres sub-bandas de frecuencias de borde, minimizando la interferencia co-canal y elevando el throughput de los usuarios femtos. La estrategia Changing se muestra en la figura 2.5 utilizando SFR3. Las femtoceldas ubicadas en la zona borde de la macrocelda tendrán la opción de transmitir con una de las dos sub-bandas de frecuencias externas que no se le asignaron a dicha macrocelda, de esta forma los usuarios macros que se encuentren en el borde de la macrocelda tendrán un nivel de interferencia menor proveniente de las estaciones femtos. En esta estrategia las estaciones ubicadas en la zona central de la macrocelda transmitirán con una potencia menor a la establecida en la zona borde, lo que consecuentemente disminuirá la interferencia de los usuarios centrales y elevará el throughput del sistema.. Fig.2.5. Estrategia Changing usando SFR3.. 2.4 Ventajas y desventajas de las estrategias de reutilización de frecuencia a nivel de femtoceldas La estrategia de reúso de frecuencia HFR no hace diferencia entre los usuarios ubicados en el centro y en el borde una macrocelda, es decir, que todos los usuarios transmiten con la.

(36) CAPÍTULO 2. Modelación Analítica de Estrategias de Reutilización de Frecuencia en redes. 23. heterogéneas.. misma banda de frecuencia, por esta razón, la estrategia Neighbor establece una ventaja al asignar a las estaciones femtos sub-bandas de frecuencias distintas a las establecidas para los usuarios macros, mitigando considerablemente la interferencia co-canal y reduciendo la CTI, lo que consecuentemente eleva el throughput del sistema. Además, en Neighbor al igual que en Self, se hace un uso eficiente de todo el espectro de frecuencia. La estrategia Self tiene como desventaja con respecto a Neighbor que la interferencia cocanal intracelda es elevada debido a que los usuarios macros y femtos de una misma macrocelda transmiten con la misma banda de frecuencia, afectando el throughput del sistema. En contraposición, Neighbor tiene como desventaja con respecto a Self que los usuarios, tanto femtos como macros, que se encuentran cercanos al límite de la macrocelda perciben un nivel mayor de interferencia provocado por otros usuarios que estén utilizando la misma banda de frecuencia en las macroceldas vecinas. Cuando se utiliza la técnica de reúso de frecuencia FFR, la estrategia Edge favorece a los usuarios que se encuentran en la zona borde de las macroceldas, ya que la sub-banda de frecuencia de transmisión establecida para las femtoceldas es diferente a la de los usuarios macros, esto minimiza la interferencia co-canal y reduce la CTI en el borde de las macroceldas, elevando el throughput de los usuarios. A diferencia de Edge, Switching tiene mejores prestaciones para aquellos usuarios ubicados en las zonas centrales de las macroceldas. En Switching las estaciones femtos centrales transmitirán con las tres sub-bandas de frecuencias externas, permitiéndoles tener una mayor opción para seleccionar el sub-canal de transmisión, reduciendo de esta forma la interferencia co-canal intracelda, así como la CTI y elevando el throughput de los usuarios centrales. Otra ventaja importante de Switching es que los usuarios macros ubicados en el borde de la macrocelda no podrán interferir con ninguno de los usuarios de borde de las macroceldas vecinas, como resultado de esto, los usuarios macros de borde recibirán un nivel aceptable de señal que consecuentemente reducirá la probabilidad de que la SINR instantánea de los usuarios equipados sea menor que el umbral del SINR esperado y aumentará la capacidad del sistema. La desventaja que presenta esta estrategia con respecto a otras estrategias, está dada por las estaciones femtos centrales que transmiten con la.

(37) CAPÍTULO 2. Modelación Analítica de Estrategias de Reutilización de Frecuencia en redes. 24. heterogéneas.. misma sub-banda de frecuencias externas establecida para el borde de la macrocelda donde se encuentran, recibiendo niveles de CTI más altos a medida que se acercan más al radio umbral que separa el centro del borde de las macroceldas. Igual sucede para las estaciones femtos de borde, a medida que estén más cerca del radio umbral sentirán mayor interferencia proveniente de la estación macro central, por esta razón es sumamente importante definir el radio umbral en esta estrategia. Cuando se utiliza la estrategia de reúso de frecuencia SFR, Changing brinda las mismas ventajas que Switching a los usuarios que se encuentran en el centro de la macrocelda, por tanto, estos usuarios tendrán bajos niveles de interferencia y un elevado throughput. Además los usuarios femtos ubicados en el borde de la macrocelda percibirán un bajo nivel de interferencia co-canal y de CTI ya que transmitirán con sus-bandas de frecuencias distintas a las establecidas en el borde de las macroceldas. Al igual que Self y Neighbor, esta estrategia hace un uso eficiente del espectro de frecuencia, pero debido a que las subbandas de frecuencias externas se encuentran repartidas a lo largo del espectro de frecuencia (figura 2.5) se crean niveles de interferencia co-canal y CTI que pueden llegar a ser significativas para el sistema. Cada estrategia tiene ventajas y desventajas entre sí, el uso de cada una de ellas depende de las características de la red, de la estrategia de reutilización de frecuencia que se esté utilizando y de qué zona o tipo de usuario se quiere beneficiar en el sistema heterogéneo. Por esta razón, es necesario evaluarlas cuantitativamente y comprobar su correcto desempeño. 2.5 Conclusiones Parciales Las estrategias propuestas están orientadas a mitigar la interferencia, con el objetivo de elevar el desempeño general del sistema heterogéneo. La utilización de cada una de ellas depende de la técnica de reutilización de frecuencia fraccionaria que se esté utilizando y de qué zona de la macrocelda o tipo de usuario se quiere beneficiar..

(38) CAPÍTULO 3. Validación mediante simulación y resultados numéricos.. 25. Capítulo 3. VALIDACIÓN MEDIANTE SIMULACIÓN Y RESULTADOS NUMÉRICOS. En este capítulo se muestran los resultados de la evaluación de las estrategias de reutilización de frecuencia propuestas en el capítulo anterior. En el mismo se valida el análisis teórico mediante simulaciones realizadas a partir de algoritmos programados en la herramienta MATLAB. Se analizan los valores obtenidos de la interferencia y del throughput de los usuarios macros y femtos para cada una de las estrategias y se realiza un análisis comparativo en función de los resultados más relevantes y de estos con la estrategia All, la cual se caracteriza por un reúso de frecuencia 1. El impacto en los parámetros de interferencia y de throughput se estima mediante el cálculo del valor medio (equivalente) de dichos parámetros. Los algoritmos empleados en las simulaciones son mostrados en los anexos de este trabajo. Los resultados obtenidos en el capítulo y su discusión están orientados a analizar el comportamiento de la interferencia y del throughput en función de la variación de algunos parámetros de las redes heterogéneas, como son, las pérdidas por penetración de muros (W), el número de femtoceldas (Nf), el radio umbral (Rth) que separa la zona central de la zona borde de las macroceldas y la potencia de transmisión de las estaciones bases. 3.1. Parámetros de simulación. Se evalúa el desempeño de las diferentes estrategias en un escenario heterogéneo utilizando la herramienta matemática MATLAB2015, en función del throughput, la interferencia cocanal y la CTI. El sistema heterogéneo que se va a simular está compuesto por 19 macroceldas con un factor de reuso de 3 (figura 1.1) y femtoceldas que se encuentran.

(39) CAPÍTULO 3. Validación mediante simulación y resultados numéricos.. 26. uniformemente distribuidas en cada una de las macroceldas. Se asumió para la simulación que las femtoceldas operan en modo indoor. Los usuarios macros y femtos están aleatoriamente distribuidos en el área (лR2) de la macrocelda con sub-canales disponibles desde las bandas de frecuencias designadas para cada estrategia. El radio de los usuarios esta modelado por la ecuación 3.1. 𝑹𝒎 = 𝑹𝒇 = √𝒓𝟐 + (𝑹𝟐 − 𝒓𝟐 ). 3.1. Donde R y r son los radios máximos y mínimos de las macroceldas respectivamente. El canal de bajada (downlink) está sujeto a las pérdidas por propagación. Las pérdidas de propagación que caracterizan el enlace entre las estaciones bases macro/femto y los usuarios macros pueden ser modeladas por la ecuación 3.2. 𝑳𝑩 (𝒅) = 𝑲 + 𝟏𝟎𝜶 𝐥𝐨𝐠 𝟏𝟎 (𝒅). 3.2. Donde K y α son la constante y el exponente de las pérdidas por propagación, respectivamente; d es la distancia en metros de un usuario macro o femto respecto a la estación base de la macrocelda central de la topología de estudio utilizada. Las pérdidas per propagación pueden identificarse como LBm para los usuarios macros y como LBf para los usuarios femtos. Como se considera que las femtoceldas operan en modo indoor, se tiene en cuenta las pérdidas por penetración (W) al calcular las pérdidas por propagación de un usuario femto, como se muestra en la ecuación 3.3. En la tabla 3.1 se muestran los principales parámetros de las pérdidas por propagación. 𝑳𝑩𝒇 (𝒅) = 𝑲𝒇 + 𝑾 + 𝟏𝟎𝜶 𝐥𝐨𝐠 𝟏𝟎 (𝒅). 3.3. La SINR instantánea de un usuario x ubicado en la macrocelda central puede ser expresada por la ecuación 3.4. 𝑺𝑰𝑵𝑹𝒙 =. 𝑷𝑩 𝑳𝑩 (𝒅)|𝒉|𝟐⁄ 𝑵𝒐 ∆𝒇 + 𝑰𝒙. 3.4. Donde PB es la potencia de transmisión de la estación base, esta se divide en Pm y Pf para las estaciones bases macros y femtos respectivamente. La respuesta de frecuencia resultante.

(40) CAPÍTULO 3. Validación mediante simulación y resultados numéricos.. 27. del desvanecimiento de pequeña escala está dada por │h│. No es la densidad espectral de potencia de ruido e Ix es la Interferencia percibida por un usuario x, la cual es modelada por la ecuación 3.5. 𝑰𝒙 = ∑𝒏𝒊=𝟏 𝑷𝒎 𝑳𝑩 (𝒅) |𝑯|𝟐 + ∑𝒏𝒊=𝟏 𝑷𝒇 𝑳𝑩 (𝒅) |𝑯|𝟐. Enlace de bajada. 3.5. Constante. Exponente. Pérdidas. de LB (K). α. penetración (W). Estación macro – usuario macro. 15.3. 3.76. 0. Estación femto – usuario macro. 15.3 + W. 3.76. 10. Estación macro – usuario femto. 15.3 + W. 3.76. 10. por. Tabla 3.1. Parámetros de las pérdidas por propagación.. La interferencia puede separarse en Im para los usuarios macros y en If para los usuarios femtos. Una vez calculada las pérdidas por propagación y la interferencia percibida por un usuario, se puede modelar la tasa de transmisión normalizada respecto al ancho de banda de un usuario macro y femto ubicado en la macrocelda central, por la ecuación 3.6 y 3.7, respectivamente. Las constantes y parámetros a simular se muestran en la tabla 3.2. 𝑹𝒎 = 𝐥𝐨𝐠 𝟐 [𝟏 + ((𝑷𝒎 − 𝑳𝑩𝒎 )/𝑰𝒎 )]. 3.6. 𝑹𝒇 = 𝐥𝐨𝐠 𝟐 [𝟏 + ((𝑷𝒇 − 𝑳𝑩𝒇 )/𝑰𝒇 )]. 3.7. Radio de la macrocelda. 500m. Mínima distancia entre un usuario y la estación macro. 35m. Radio de la femtocelda. 20m. Mínima distancia entre un usuario y la estación femto. 0.2m.

(41) CAPÍTULO 3. Validación mediante simulación y resultados numéricos.. Potencia de transmisión de la estación macro. 46 dBm. Potencia de transmisión de la estación femto. 20 dBm. Ancho de banda Total. 20 MHz. Cantidad de usuarios (n). 1000. Cantidad de femtoceldas (Nf). 100. Cantidad de sub-canales (f). 600. Mecanismo de asignación de recursos. Round Robin. 28. Tabla 3.2. Parámetros para la simulación.. 3.2. Resultados de las estrategias propuestas. 3.2.1 Resultados de la estrategia Self. Fig.3.1. Interferencia de un usuario femto en la estrategia Self, para distintos valores de pérdidas por penetración de muros (W)..

(42) CAPÍTULO 3. Validación mediante simulación y resultados numéricos.. 29. En la figura 3.1 se muestra la interferencia de un usuario femto en función del número de femtoceldas por área de macrocelda para distintos valores de pérdidas por penetración (W). A medida que aumentan las pérdidas por penetración la interferencia percibida por los usuarios femtos va a ser menor debido a que la potencia de transmisión de la estación base macro va a afectar con menos intensidad. La interferencia percibida por los usuarios femtos para los distintos valores de W permanece prácticamente constante con el aumento del número de femtoceldas ya que la potencia de transmisión de las estaciones femtos es lo suficientemente pequeña como para que no exista interferencia entre ellas mismas.. Fig.3.2. Razón de Transmisión normalizada con respecto al ancho de banda en la estrategia Self, para distintos valores de pérdidas por penetración (W).. En la Figura 3.2 se muestra el throughput de los usuarios macros y femtos en función del número de femtoceldas (Nf) de la estrategia Self para distintos valores de pérdidas por penetración (W). Tanto para los usuarios femtos como para los usuarios macros el throughput se eleva a medida que aumenta las perdidas por W. El throughput de los usuarios femtos se mantiene constante con el aumento de femtoceldas, mientras que el throughput de los usuarios macros decrece con el aumento de Nf debido a que aumenta la.

(43) CAPÍTULO 3. Validación mediante simulación y resultados numéricos.. 30. interferencia provocada por las estaciones femtos a los usuarios macros. El throughput de los usuarios femtos es superior al throughput de los usuarios macros debido a que la distancia de los usuarios femtos a sus estaciones bases es menor que la de los usuarios macros. 3.2.2 Resultados de la estrategia Neighbor. Fig.3.3. Interferencia de un usuario femto en la estrategia Neighbor para distintos valores de pérdidas por penetración (W).. En la figura 3.3 se muestra la interferencia de los usuarios femtos ubicados en la macrocelda central de la estrategia Neighbor en función del número de femtoceldas (Nf), para distintos valores de pérdidas por penetración (W). A diferencia de la estrategia Self, en esta estrategia las estaciones femtos y los usuarios macros ubicados en una misma macrocelda utilizan diferentes bandas de frecuencias de transmisión, por esa razón, las pérdidas por propagación tiene mayor efecto sobre la interferencia, notándose más la disminución de la interferencia a medida que aumenta W, ya que los usuarios femtos indoor tienen un fuerte beneficio de la señal que proviene de las femtoceldas y una débil interferencia de otros usuarios macros o femtos..

(44) CAPÍTULO 3. Validación mediante simulación y resultados numéricos.. 31. En la figura 3.4 se muestra el throughput de los usuarios macros y femtos de la estrategia Neighbor en función del número de femtoceldas (Nf) para distintos valores de pérdidas por penetración (W). El throughput de los usuarios femtos y de los usuarios macros en esta estrategia tiene un comportamiento muy similar al de la estrategia Self, la diferencia consiste en que el throughput de los usuarios femtos y macros es superior al throughput de la estrategia Self debido a que las estaciones femtos ubicadas en la macrocelda central transmiten con una banda de frecuencia diferente a la de los usuarios macros.. Fig.3.4. Razón de transmisión normaliza respecto al ancho de banda en la estrategia Neighbor para distintos valores de pérdidas por penetración (W).. 3.2.3 Resultados de la estrategia Edge En la figura 3.5 se muestra la media de la interferencia percibida por los usuarios macros y los usuarios femtos en la estrategia Edge en función del radio umbral (Rth). Esta es una estrategia en donde se favorece a aquellos usuarios ya sean femtos o macros, que se encuentran en la zona borde de la macrocelda, por esta razón se puede apreciar un aumento de la interferencia percibida por los usuarios a medida que aumenta el radio umbral, ya que con el aumento de Rth crece la zona central y disminuye la cantidad de usuarios que son.

(45) CAPÍTULO 3. Validación mediante simulación y resultados numéricos.. 32. tratados como usuarios de borde. A pesar de esto, la interferencia percibida por los usuarios femtos es menor en comparación con otras estrategias, lo que permite un elevado throughput para estos usuarios, tal y como se observa en la figura 3.6. El throughput de los usuarios macros se ve afectado por la interferencia percibida en la zona central de la macrocelda, donde los usuarios macros y las estaciones femtos utilizan la misma banda de frecuencias de transmisión.. Fig.3.5. Interferencia equivalente de los usuarios macros y femtos en la estrategia Edge. W=10dB y Nf=100.. 3.2.4 Resultados de la estrategia Switching En la figura 3.7 se muestra la interferencia equivalente de los usuarios macros y femtos de la estrategia Switching en función del radio umbral (Rth). La interferencia equivalente percibida por los usuarios macros tiene un comportamiento similar a la de la estrategia Edge debido a que ambas estrategias pertenecen a la misma técnica de reutilización de frecuencias (FFR), donde los usuarios macros son atendidos de la misma manera. A diferencia de la estrategia Edge, en esta estrategia la interferencia equivalente percibida por los usuarios femtos disminuye notablemente a medida que aumenta Rth, ya que los usuarios.

(46) CAPÍTULO 3. Validación mediante simulación y resultados numéricos.. 33. que más se favorecen son los ubicados en la zona central de la macrocelda porque tienen mayor opción para seleccionar el sub-canal de transmisión.. Fig.3.6. Razón de transmisión normaliza con respecto al ancho de banda para la estrategia Edge. W=10dB y Nf=100.. En la figura 3.8 se muestra el throughput equivalente de los usuarios macros, el throughput de un usuario femto ubicado en la zona central y en la zona borde de la macrocelda central y el throughput equivalente de los usuarios femtos en función del radio umbral (Rth). Como una consecuencia de la interferencia percibida por los usuarios macros, mostrada en la figura 3.7, se puede apreciar una leve disminución del throughput equivalente de los usuarios macros. En esta estrategia, a los usuarios femtos ubicados en la zona centro y en la zona borde de la macrocelda se le asignan para su transmisión diferentes bandas de frecuencias y recursos de radio, por lo que el comportamiento del throughput es diferente para cada uno. Cuando el radio umbral está cerca de 350 metros se logra un equilibrio en el throughput de ambos tipos de usuarios femtos lo que consecuentemente eleva el rendimiento general del sistema heterogéneo..

(47) CAPÍTULO 3. Validación mediante simulación y resultados numéricos.. Fig.3.7. Interferencia equivalente de los usuarios macros y femtos en la estrategia Switching. W=10dB y Nf=100.. Fig.3.8 Razón de transmisión normaliza con respecto al ancho de banda para la estrategia Switching. W=10dB y Nf=100.. 34.