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Experiencias con la red viva de WCDMA en Estocolmo, Suecia Peter Almers, Anders Birkedal, Seungtai Kim, Anders Lundqvist y Anders Milén
El proyecto de evaluación del sistema acceso múltiple por división de códigos de banda ancha (WCDMA) que Ericsson y Telia han realizado conjuntamente, ha proporcionado una experiencia valiosa en cuanto a prestaciones en vivo y funcionamiento general. Asimismo, ha sido extremadamente valioso para obtener retroalimentación y validar premisas de trabajo para el actual desarrollo en Ericsson del WCDMA comercial de tercera generación. Además, se han perfeccionado varios parámetros importantes para optimizar la capacidad y cobertura. El proyecto ha constituido asimismo una gran oportunidad para acumular los conocimientos técnicos necesarios a fin de dar soporte a proyectos comerciales futuros, y proporcionar información y know-how a las actividades de planificación de redes. Los autores describen una pequeña parte de los ensayos y experimentos realizados durante el curso del proyecto. El sistema de evaluación de Ericsson para WCDMA se configuró siguiendo un esquema de las especificaciones para dicha norma elaboradas por la Asociación de Industrias y Empresas de Radio (ARIB), que desde entonces han evolucionado hasta convertirse en el estándar internacional de WCDMA del Proyecto de alianza de la tercera generación (3GPP). Las capas inferiores del sistema son más coherentes con las especificaciones técnicas del 3GPP que las superiores, y este es el motivo por el que la capa física ha sido el centro de atención de los ensayos.
Sistema de Ericsson para la evaluación de WCDMA El sistema de evaluación de la tecnología WCDMA se ha desarrollado para satisfacer las demandas de comunicación móvil sin hilos en un entorno auténticamente multimedia, en el que la transmisión de datos por paquetes y el servicio de portadora de Internet desempeñan un importante papel. Se ha suministrado a varios operadores de telecomunicaciones de todo el mundo para ofrecerles experiencia práctica de la citada tecnología. En Ericsson, se ha usado con fines de evaluación y demostración. El sistema de evaluación se compone de varios nodos de red de radio: • El centro de conmutación móvil (MSC) ofrece una gestión simplificada del control de lla-
madas y movilidad. Su principal tarea es establecer y desconectar llamadas a estaciones móviles y desde las mismas. • El controlador de red de radio (RNC) alberga funciones para supervisar la red de radio –el nodo establece y desconecta conexiones, gestiona la transferencia intercelular (handover) y controla la potencia de transmisión–, y para gestionar los recursos de radio. En este nodo también hay localizado el codec y dispositivos combinadores de diversidad, para uso durante la transferencia intercelular. El controlador de red de radio soporta la conexión de interfaz A al centro de conmutación móvil en una red de GSM, lo cual permite realizar llamadas de voz entre GSM y una terminal de WCDMA. La itinerancia a GSM y desde éste se ha demostrado usando el sistema de evaluación. • La estructura de la estación transceptora base (BTS) permite agrupar los recursos en un “pool”. Esto proporciona la flexibilidad requerida para los servicios de conmutación de paquetes y la asignación dinámica de ancho de banda. La estación transceptora base tiene el grado de flexibilidad preciso en un sistema de evaluación; por ejemplo, se puede cambiar el número de “púas de rastrillo” (rake fingers) y las características del buscador. Esta flexibilidad también puede trasladarse a los algoritmos de red de radio, a fin de facilitar experimentos con soluciones alternativas. • El simulador de estación móvil (MS-SIM) sólo se usa con fines de ensayo, y no se ha optimizado en cuanto a tamaño o peso. En principio, se basa en las mismas tecnologías que la estación transceptora base.
El sistema de evaluación de WCDMA en Estocolmo El sistema de evaluación de WCDMA en Estocolmo estaba compuesto de un sistema de pruebas de campo o prácticas y un sistema de labo-
CUADRO A, TÉRMINOS Y ACRONIMOS 3GPP ARIB BER BTS C/I CRC DTX Eb FER GPS GSM
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Third-generation Partnership Project Association of Radio Industries and Businesses Bit error rate Base transceiver station Carrier-to-interference ratio Cyclic redundancy check Discontinuous transmission Energy per bit Frame error rate Global positioning system Global system for mobile
communication Interference energy Interference signal strength indicator Mobile switching center Mobile station simulator Radio network controller Received signal strength indicator Transmission power control (power control command) WCDMA Wideband code-division multiple access WOS WCDMA operating system Io ISSI MSC MS-SIM RNC RSSI TPC
Ericsson Review No. 4, 2000
Sistema de laboratorio
WOS
LAN de Lab. MS-SIMs BTS
RNC MSC
Instrumentos
Vista de Lab. GPS
Sistema de campo
WOS BTS 3
BTS 2 LAN de campo
BTS 1
RNC MSC PSTN
Internet
Figura 1 Exposición general del sistema para evaluar el WCDMA usado en Estocolmo.
MS-SIM con WOS y GPS
ratorio (figura 1). El primero incluía emplazamientos de estación transceptora base multisector y omnidireccional. En el sistema de laboratorio, las estaciones transceptoras base se conectaban a simuladores de estaciones móviles a través de cables e instrumentación que simulaban el entorno de radio. Como parte del equipo de ensayo, todos los nodos en los sistemas de laboratorio y de campo, incluyendo el simulador de estación, se montaron con equipo de sistema de ubicación global (GPS) a fin de proporcionar una situación y registro de hora exactos de los datos del ensayo. Evidentemente, en un sistema evaluador deberá haber amplias posibilidades de medición. Los datos de mediciones acumulados por el sistema los recopiló en puntos apropiados el sistema operativo de WCDMA (WOS), que también proporcionaba el interfaz de operación y mantenimiento. Servicios y capacidad del sistema El sistema de ensayo ofrecía servicios de voz y datos, así como capacidad multillamada (tablas 1 y 2). Por consiguiente, además de hacer posible la reclamación simultánea de voz y datos, los ensayos pudieron realizarse con nuevas e interesantes aplicaciones de multimedia. Ericsson Review No. 4, 2000
TABLA 1, SERVICIOS Y CAPACIDAD DEL SISTEMA Servicio de voz: 8 kbit/s usando un codec Datos en modo circuito: 64 a 384 kbit/s Datos en modo paquete: hasta 470 kbit/s Soporte multiservicio para terminales móviles
TABLA 2, CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA Banda de frecuencias de enlace descendente Banda de frecuencias de enlace ascendente Potencia de salida máxima de BTS Ciclo de control de potencia Fase de control de potencia Frecuencia de chip Factores de dispersión
2110 a 2130 MHz 1920 a 1940 MHz 20 W por sector 0,625 ms 1 dB 4,096 Mcps 16 a 256
Para fines de ensayo, a lo largo de la evaluación se definieron y usaron los canales Perch y DPCH32. El canal Perch es un canal de radio y sincronización combinado; el DPCH32 es un canal físico dedicado a 32 kilosímbolos/s que transporta habla.
205
Ensayos de prestaciones del detector Potencia de salida constante
Ensayos de laboratorio BTS
MS-SIM
UER medido = 2%
Generador de ruido
Figura 2 Disposición del ensayo de las prestaciones de enlace ascendente dentro de la gama dinámica del receptor.
TABLA 3, MODELOS DE CANAL Canal AWGN RAY4 HA IO IP
Descripción Ruido Gaussiano blanco promediado, “canal ideal” Cuatro rayos devanescentes con igual amplitud media Entorno de ensayo con vehículo. Antena alta Entorno de ensayo interior en oficina Entorno de ensayo exterior a interior y de peatón
Configuración de los ensayos
Para simular el interfaz de radio se empleó un emulador de canal, utilizando cuatro modelos de canal (tabla 3). Con el emulador de canal fue posible simular diferentes velocidades de móvil, cambiando así la velocidad de desvanecimiento. Prestaciones del enlace ascendente dentro de la gama dinámica del receptor
Se utilizó un generador de ruidos para introducir interferencia a fin de ensayar las prestaciones del enlace ascendente dentro de la gama dinámica del receptor. La figura 2 muestra la disposición del ensayo. Se estableció la potencia del simulador de la estación móvil, variando el ruido de fondo con el generador de ruidos. El efecto del ruido se midió cuando la frecuencia de fallos de trama (FER) era del 2%. Entonces se pudo calcular la relación portadora-interferencia (C/I). Para niveles de señal de –90, -100, -110, y –120 dBm, se obtuvo FER = 2% a C/I = -20 dB usando diversidad de receptor en la estación base de radio. Sin diversidad, el valor correspondiente era –17 dB. El valor teórico de la C/I necesario para un canal DTCH32 puede calcularse como sigue: Eb – ganancia codif. – ganancia divers. =4.7–4.7–3=–3dB Io
Con una ganancia de procesado de 18 dB, la C/I debería ser –21 dB. Esto concuerda con las mediciones. El experimento confirmó que en el sistema no existían limitaciones inesperadas. Influencia en las prestaciones de las púas de rastrillo (rake fingers) disponibles.
Figura 3 Degradación de la sensibilidad con respecto al canal AWGN. dB 8 rayos
6 rayos
4 rayos
6 5 4 3 2 1 0 RAY4
206
HA
IO
IP
Tipo de canal
Debido a que la cantidad máxima de púas de rastrillo receptoras seleccionadas en una estación transceptora base afecta el costo del equipo, constituye una buena idea reducir su número al mínimo. En el sistema de ensayo pudieron utilizarse ocho púas de rastrillo para cada canal. Siempre que se usó diversidad, como promedio fue posible emplear cuatro púas por canal. Se ejecutaron dos ensayos: un ensayo de sensibilidad y un ensayo para determinar los efectos del control de potencia. El primero midió la sensibilidad en el enlace ascendente, tal como se ha descrito antes, a excepción de que se alteró el número máximo de púas de rastrillo y se desconectó el control de potencia. La figura 3 muestra la degradación de la sensibilidad con respecto al canal AWGN para diferentes ajustes del número máximo de púas de rastrillo. La velocidad de desvanecimiento de señal era de 100 km/h. La disminución en sensibilidad, cuando el número de púas
de rastrillo se reducía de ocho a seis, se mantenía dentro del error de medición. No obstante, cuando el número de púas disponible se reducía aún más, por ejemplo, hasta cuatro, el canal RAY4 indicaba un descenso de 2 dB en la sensibilidad. Los otros modelos, que tenían menos rayos, básicamente quedaron sin afectar. En el segundo ensayo se usó control de potencia, en el que se marcaba como objetivo una Eb/Io de 10 dB. La potencia se seleccionó de modo que el control de la misma pudiera trabajar en su gama dinámica, es decir, sin saturación. Luego se seleccionó el número máximo de púas de rastrillo permitido, y se midió el enlace ascendente de Eb/Io. La tabla 4 muestra el resultado del segundo ensayo. La Eb/Io medida se muestra para distintos ajustes del número máximo de púas de rastrillo. La última columna muestra el número medio de púas de rastrillo realmente utilizado. Con una velocidad de desvanecimiento de señal baja, el margen de variación de los valores Eb/Io medidos era casi independiente del número de púas de rastrillo disponible. Con señales de desvanecimiento rápidas, se precisaban más púas de rastrillo. Además, vimos que el margen de variación de Eb/Io aumentaba cuando se reducía el número de púas de rastrillo disponible. El incremento era pequeño entre ocho y seis, pero mayor entre seis y cuatro. También había un ligero incremento en el valor Eb/Io medio medido. Debido a que las variaciones en el promedio y desviación influían sobre la potencia usada por canal, también quedaba influida la capacidad. Obsérvese que las lecturas (Tabla 4) rigen para un modelo de dispersión en el que la energía total estaba igualmente distribuida entre cuatro rayos. Los modelos con menos rayos muestran menos sensibilidad al número de púas de rastrillo permitido. Efectos de carga de eslabón descendente
Se realizó un ensayo para determinar el efecto mutuo de los canales Perch y DPCH32. Se desconectó el control de potencia, midiéndose la Eb/Io en combinaciones diferentes de potencia de DPCH32 y Perch. La figura 4 muestra los valores Eb/Io medidos. Los números que aparecen fuera de los paréntesis representan la potencia (en dB) del canal medido; los números que aparecen entre paréntesis representan el nivel de carga. Las líneas de trazo continuo muestran mediciones en el canal DPCH32; las líneas de trazos representan los valores correspondientes del canal Perch. El valor teórico de la Eb/Io prevista puede calcularse como sigue: Eb = G P p · canal · Pcarga Io
en donde Gp es la ganancia de procesamiento, Pchannel la potencia del canal medido, y Pload la potencia del canal de carga. La tabla 5 muestra Ericsson Review No. 4, 2000
los valores calculados y medidos. Los valores medidos confirmaron nuestras previsiones. Es decir, el valor Eb/Io medido dependía de la carga en el enlace descendente. Esta relación se ha tenido en cuenta en los algoritmos que usan mediciones de Eb/Io (control de potencia, selección de celda, etc.).
TABLA 4, Eb/Io CON RESPECTO AL NÚMERO DE PÚAS DE RASTRILLO (RAKE FINGERS)
Núm. máximo de púas de rastrillo 8 6 4 8 6 4
Ensayos de campo Las mediciones en el sistema de ensayo de campo se llevaron a cabo en una furgoneta, a una velocidad entre 50 y 60 km/h. Luego, estas mediciones se analizaron en cuanto a: • Autointerferencia de la potencia de salida de la estación transceptora base (BTS); • Desconexión de enlace ascendente; y • Mediciones de Eb/Io reales y marcadas como objetivo.
Valor medio Eb/Io 10,00 10,01 10,00 10,43 10,46 10,68
Desviación estándar Eb/Io 0,57 0,46 0,56 0,75 0,79 0,96
Valor de mediana Eb/Io 10,05 10,05 10,05 10,45 10,45 10,65
90% de Eb/Io* 1,60 1,50 1,60 2,40 2,60 3,20
Valor medio de multitrayecto 4,99 4,68 3,75 7,34 6,00 4,00
* Dispersión para el 90% de todos los datos medidos
Autointerferencia de la potencia de salida de BTS
TABLA 5, VALORES EB/IO PARA DIFERENTES CASOS DE CARGA
Cuando en la estación transceptora base correlacionamos la potencia de salida medida con el nivel de interferencia recibido obtuvimos un factor de correlación de 0,78 (indicador de intensidad de señal de interferencia, ISSI) (figura 5). Aun cuando las bandas de frecuencia de los enlaces ascendente y descendente están separadas por 190 MHz, la emisión del transmisor inter-
Eb/Io [dB]
Velocidad km/h 3 3 3 100 100 100
Potencia de Perch dB 35 35 26 26
Potencia de DPCH dB 26 15 15 26
Medido Perch Eb/Io, dB >30 >30 28 24
Medido DPCH Eb/Io, dB 17 3 12 23
Calculado DPCH Eb/Io, dB 14 3 12 23
Figura 4 Los efectos de la carga sobre Eb/Io.
Eb/Io para CH1 con CH2 presente [Señal de nivel (carga de nivel)]
30
Calculado Perch Eb/Io, dB 34 43 34 23
35(26)
35(15) 26(15) 26(26)
25
26(26)
20 26(35)
15 15(26)
10
5
15(35)
0 –120
–110
–100
–90
–80
–70
–60
–50
–40
Potencia de entrada [dBm] Ericsson Review No. 4, 2000
207
fería con la recepción. Las fugas de emisión se suprimieron en aproximadamente 120 dB. La interferencia ocasionada por las fugas afectó a la capacidad, debido a que el nivel del indicador de intensidad de señal recibida (RSSI) se mantuvo bastante constante.
dBm, dBµV 30
25
Pérdida de conexión de enlace ascendente
La figura 6 muestra la desconexión entre el simulador de estación móvil y la estación transceptora base; es decir, la diferencia entre potencia de transmisión (dBm) del simulador de estación móvil y el RSSI. La variación en el RSSI era pequeña: -119,8 a -125,3 dBm. Por tanto, el gráfico también describe las funciones principales de control de potencia de enlace ascendente. Debido a una alta correlación entre el canal de desvanecimiento a largo plazo de las bandas de frecuencia de los enlaces ascendente y descendente, las variaciones en potencia de transmisión del simulador de estación móvil eran bastante similares a las de la estación transceptora base (figura 5).
Potencia Tx [dBm], BTS
20
15
10
ISSI [dBµV]
5 0
200
400
600
800
1000
1200
Tiempo [s] Figura 5 Potencia de transmisión e interferencia recibida en la estación transceptora base, fugas de potencia entre las señales de salida y entrada.
Figura 6 La pérdida de conexión (CL) de enlace ascendente, potencia de transmisión de la estación menos RSSI +113 [dB].
Pérdida de conexión enlace ascendente [dB] 140
CL mín. = 84.8 dB CL máx. = 131.3 dB CL media = 103.8 dB
130
120
Eb/Io, mediciones de reales y marcadas como objetivo
El control de potencia de estación móvil se usa para reducir la diferencia entre la Eb/Io medida y marcada como objetivo. Nosotros medimos la Eb/Io media durante un segundo, y por una longitud media de 90 longitudes de onda como mínimo (1 s, 50 km/h, I = 0,15 m). La Eb/Io media medida fue 0,44 dB superior a la Eb/Io marcada como objetivo. La desviación estándar era S = 0,75 dB. Téngase en cuenta que las variaciones a corto plazo podían ser mucho más altas (figura 7). El número de púas de rastrillo activas indica la calidad del canal. Muchas púas de rastrillo activas significa que se produce un gran número de reflexiones. La figura 8 muestra que el valor Eb/Io marcado como objetivo incrementaba con el número de púas de rastrillo activas. Si el mismo canal se usa para un número diferente de púas de rastrillo, Eb/Io aumentará al asignarse más púas en el receptor. Es decir, cuanto mayor es el número de púas de rastrillo en el receptor (mayor complejidad de receptor) mejores son las prestaciones.
110
Ensayos de control de potencia
100
90
80 0
200
400
600
800
1000
1200
Tiempo [s]
208
Estudio general de la función de control de potencia (ensayo de campo) Para evitar interferencias de otras celdas, se redujo a un valor mínimo la potencia de salida de otras estaciones base. Durante los ensayos, la velocidad del simulador de estación móvil varió entre 50 y 80 km/h. Se activaron las funciones de control de potencia de bucle interior y exterior para el enlace ascendente y descendente. En Ericsson Review No. 4, 2000
Eb/Io medida [dB] 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4
Figura 7 La Eb/Io en relación con la Eb/Io marcada como objetivo en estación transceptora base.
3.5 3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
Eb/Io marcada como objetivo [dB]
Figura 8 Relación del número de púas de rastrillo con respecto a la Eb/Io de enlace ascendente marcada como objetivo.
el lado de la estación transceptora base se usó diversidad de antena de receptor. Se desactivó la función de transmisión discontinua (DTX) para los enlaces ascendente y descendente. El valor Eb/Io de enlace ascendente y el número de multitrayectos se midieron en la estación transceptora base, la potencia de salida de transmisión de enlace ascendente se midió en el simulador de estación móvil, y el valor Eb/Io marcado como objetivo se midió en el controlador de red de radio. Todos los datos se midieron una vez por segundo. Los parámetros se ajustaron para incrementar inmediatamente el valor Eb/Io marcado como objetivo si se detectara una trama deficiente. Sólo había una demora de trama antes de que el sistema reanudara la medición del siguiente valor de régimen de error de trama (FER). El ciclo de informe se redujo a 67 tramas, lo cual significa que el valor Eb/Io marcado como objetivo disminuía si no se habían producido errores de total de control (revelados por un control de redundancia cíclico, CRC) durante 67 tramas. La escala a la izquierda en la figura 9 muestra los valores (dB) Eb/Io medidos y marcados como objetivo, y el número de multitrayectos. La escala a la derecha muestra la potencia de transEricsson Review No. 4, 2000
Objetivo de eslabón ascendente Eb/Io [dB] 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Número de púas de rastrillo
209
dBm
dB, multitrayectos Eb/Io Eb/Io objetivo Número de multitrayectos Potencia Tx, MS
9 8
0
–10 7 –20
6 5
–30 4 3
–40
2 –50 1 0
–60 0
200
400
600
800
1000
Tiempo [s] Figura 9 La Eb/Io y la Eb/Io marcada como objetivo, potencia de transmisión de estación móvil, y número de multitrayectos.
misión de la estación móvil (dBm). El valor Eb/Io medido normalmente concordaba con el valor Eb/Io marcado como objetivo, lo cual significa que el control de potencia de bucle interior funcionaba satisfactoriamente. Tal como se esperaba, el valor Eb/Io oscilaba de 4 a 8 dB, y la variación no era significativa. En medio del gráfico, el valor Eb/Io era muy bajo, debido a que el simulador de estación móvil estaba en la visual de la estación transceptora base. Algunas veces se producían picos elevados en la potencia de transmisión, pero no había al mismo tiempo un pico alto en el valor Eb/Io marcado como objetivo, lo cual indica nuevamente que el control de potencia de bucle interior funcionaba bien en el entorno de ensayo. No existían variaciones importantes en el valor Eb/Io perseguido. En este ensayo, la gama dinámica del control de potencia de bucle exterior era de unos 5 dB. Control de calidad durante transmisión discontinua (ensayo de laboratorio) Para incrementar la capacidad en el sistema WCDMA se utilizó la transmisión discontinua. Cuando no había datos a transmitir, se suspendía la transmisión de los datos de usuario por el interfaz aire, disminuyendo así la interferencia en la celda o incrementándose la capacidad del interfaz aire. Por ejemplo, durante el servicio de 210
voz, un interlocutor típico está silencioso durante el 60% del tiempo; por tanto, con transmisión discontinua podemos incrementar la capacidad de voz. Aun cuando se suspendiera la transmisión de datos de usuario, siempre se transmitía una cierta información de control, tal como bits piloto y órdenes de control de potencia (TPC). Sin embargo, si la función de transmisión discontinua no se había sistematizado adecuadamente, esto podía causar problemas de control de calidad en el controlador de la red de radio. En un ensayo de laboratorio, la función de control de calidad reducía el valor Eb/Io de 2 a 3 dB cuando la transmisión discontinua estaba activada durante servicio de voz, disminuyendo así la potencia de salida de la estación móvil. Este efecto podía generar comportamiento de transiente al reanudarse el habla. De forma similar, podía ser dificultoso establecer nuevos enlaces de radio para una transferencia intercelular condicionada cuando se reducía el valor Eb/Io marcado como objetivo. La calidad de la señal a la nueva estación base era inadecuada cuando las pérdidas de trayecto excedían a las de la celda que entonces prestaba servicio. Luego se ordenaba al canal de enlace ascendente hacia la estación transceptora base que generara solamente sincronización aceptable. En consecuencia, una BTS candidata de transferencia intercelular con unas pérdidas de trayecto mayores tenía dificultades en sincronizar con la estación móvil, lo cual incrementaba las posibilidades de pérdida de llamada. Durante una transferencia intercelular condicionada también existía la posibilidad de que el control de potencia de bucle exterior (o control de calidad) fuera problemático debido a que la conexión de radio con las pérdidas de trayecto más altas podía asumir el control de potencia. Si se ha establecido transferencia intercelular condicionada, el control de potencia de bucle exterior genera un valor Eb/Io marcado como objetivo que es suficiente para obtener el valor Eb/Io bajo en la pata más débil. Por tanto, los niveles de potencia transmitidos durante transferencia intercelular condicionada pueden incrementarse a valores no deseables en proporción con la diferencia en pérdidas de trayecto entre las patas. Esto se debe a que el control de potencia de bucle exterior en el controlador de red de radio usaba la siguiente información de calidad: • Régimen de error de trama medido en los datos del usuario; y • Estado de sincronización en el enlace de radio. Durante la transmisión discontinua, el régimen de error de trama sólo podía estimarse a partir de unas pocas tramas que transportaban datos de ruido de fondo (ruido de confort). Por tanto, la información de estado de sincronización en el canal más débil (las pérdidas de trayecto más altas) se utilizó para control de potencia de bucle Ericsson Review No. 4, 2000
exterior. Cuando sólo se enviaban unas pocas tramas de habla, el control de potencia de bucle exterior reducía el valor Eb/Io marcado como objetivo hasta que se producían problemas de sincronización. Para corregirlo, incrementábamos el número de tramas de ruido de confort durante transmisión discontinua, o usábamos otra lectura del control de potencia de fuera de bucle (en lugar de los errores de total de control en los datos de usuario); por ejemplo, durante el periodo de silencio, podíamos leer el régimen de error de bits piloto (BER). Prestaciones de control de potencia rápido con dispersión de tiempo extensiva (ensayo de laboratorio) El control de potencia puede ser inestable cuando el receptor de rastrillo no resuelve todos los trayectos múltiples. Intentando incrementar la potencia para compensar el menor valor Eb/Io, el control de potencia rápido también aumentaba la potencia de la reflexión que producía interferencias e intensificaba la potencia de transmisión. Por ejemplo, cuando se situaba una reflexión fuera de la ventana de buscador del receptor de rastrillo, éste no podía aprovecharse de dicho componente multitrayecto demorado. El control de potencia intentaba compensar el bajo valor Eb/Io causado por reflexión no detectada, incrementando la potencia de transmisión del simulador de estación móvil (en el enlace ascendente). El incremento en potencia de transmisión aumentaba la potencia de la reflexión y la interferencia. La finalidad del ensayo, realizado en el sistema de laboratorio, era investigar el efecto del comportamiento divergente del control de potencia. Usamos un canal DPCH32 con un factor de dispersión de 32. El bucle de control de potencia rápido se activaba con el valor Eb/Io marcado como objetivo, seleccionado arbitrariamente a 15 dB. La potencia de salida máxima del simulador de estación móvil se seleccionó a 20 dBm, o 100 mW. Las mediciones empezaron sin reflexión. La reflexión tardía se añadió al cabo de unos 30 segundos, siendo borrada al cabo de 30 segundos más. La primera prueba usó una potencia de reflexión 3 dB más potente que el trayecto directo. En la segunda prueba la potencia de reflexión era 5 dB más intensa. En la figura 11 vemos que el control de potencia rápido tenía problemas en recuperar el valor Eb/Io inicial. La potencia de reflexión se incrementó en 2 dB (en comparación con la figura 10), lo cual provocó un aumento de unos 13 dB en la potencia de transmisión. Una potencia de transmisión incrementada aumenta la energía de bit (Eb) y la energía de reflexión (Iref): Eb = Eb Iref +N Io
Por tanto, en teoría, la posibilidad de restablecer Eb/Io incrementando la potencia de transEricsson Review No. 4, 2000
Potencia Tx [dBm], Eb/Io [dB] 20 18 16 14
Eb/Io [dB]
12 10 8 6 Potencia Tx [dBm]
4 2 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Tiempo [s] Figura 10 Para un canal DPCH32: la Eb/Io en la estación transceptora base, potencia de transmisión media desde el simulador de estación móvil; con y sin una reflexión el 3 dB más intensa que el trayecto directo. Figura 11 Para un canal DPCH32: la Eb/Io en la estación transceptora base, potencia de transmisión media desde el simulador de estación móvil; con y sin una reflexión el 5 dB más intensa que el trayecto directo.
Potencia Tx [dBm], Eb/Io [dB] 20 18 16 14
Eb/Io [dB]
12 10 8 6 Potencia Tx [dBm]
4 2 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Tiempo [s]
211
TABLA 6, RESULTADOS DE ENSAYO DE GANANCIA DE TRANSFERENCIA INTERCELULAR CONDICIONADA 3 km/h
Rayleigh individual
Promedio [dBm]
Mínimo [dBm]
Máximo [dBm]
Desv. estándar [dBm]
Mediana [dBm]
BTS1
–5,5
–16,5
19,5
6
–6,5
BTS2
–5,1
–16
20
6
–6,5
BTS1&2
–8,5
–18
14
3,6
–9
Ganancia [dB]
3,0 a 3,4
Rician individual BTS1
9,3
1
20
3,9
8
BTS2
9,5
0,5
20
4,2
8,5
BTS1&2
6,9
0,5
18,5
2,7
6,5
Ganancia [dB]
2,4 a 2,6
Antena alta BTS1
9,9
0
20
4,3
9
BTS2
9,7
–1,5
20
4,2
9
BTS1&2
7,2
–1
18,5
3,2
7
Ganancia [dB]
2,5 a 2,7
100 km/h
Rayleigh individual
Promedio [dBm]
Mínimo [dBm]
Máximo [dBm]
Desv. estándar [dBm]
Mediana [dBm]
BTS1
–5,8
–12
3
2,6
–6
BTS2
–5,5
–12,5
6,5
2,6
–5,5
BTS1&2
–8,5
–14
–1,5
1,9
–8,5
Ganancia [dB]
2,7 a 3,0
Rician individual BTS1
15,1
9,5
19,5
1,7
15
BTS2
14,8
17,5
19,5
1,8
15
BTS1&2
12,8
7
17,5
1,7
13
Ganancia [dB]
2,0 a 2,2
Antena alta
212
BTS1
10,8
4
18
2,5
11
BTS2
10,2
4
18,5
2,5
10
BTS1&2
7,7
2,5
14,5
1,9
7,5
Ganancia [dB]
2,5 a 3,1
Ericsson Review No. 4, 2000
misión de la estación móvil depende de la relación entre la energía de reflexión (Iref) y la densidad de potencia de ruido (N). Si la relación es inferior a uno, el control de potencia rápido podrá restablecer el valor Eb/Io marcado como objetivo, en otro caso fallará. Aun cuando un nivel de interferencia de una potencia 5 dB superior al trayecto directo parece ser alto a regímenes de datos más elevados, estos niveles quedaron reducidos por los factores de dispersión más bajos. Dado un factor de dispersión de 4 en lugar de 32, los límites de interferencia eran 9 dB inferiores. Este efecto (figura 11) se hace evidente cuando la potencia de reflexión es 4 dB inferior al trayecto directo (figura 8). Otras estaciones móviles en la celda experimentaron una mayor interferencia e intentaron compensarla aumentando su potencia de transmisión. Si este efecto no se compensa cuando se diseñan los algoritmos de sistema y tamaños de ventana de buscador, un solo usuario podría incrementar el nivel de interferencia en toda la celda.
Ensayos de transferencia intercelular condicionada En la transferencia intercelular condicionada, el simulador de estación móvil se conectó a más de una estación transceptora base al mismo tiempo. La estructura de señal de WCDMA se adapta bien a la implementación de la transferencia intercelular condicionada. En el enlace ascendente, dos o más estaciones transceptoras base podían recibir la misma señal. En el descendente, el simulador de estación móvil podía combinar con coherencia las señales de distintas estaciones transceptoras base, debido a que se consideraba que las señales eran componentes multitrayecto adicionales. Esto proporcionaba la ventaja complementaria de macrodiversidad. No obstante, en el enlace descendente la transferencia intercelular condicionada creaba más interferencia en el sistema a causa de que la estación transceptora base transmitía otra señal al simulador de estación móvil. Ganancia de transferencia intercelular condicionada (ensayo de laboratorio) En el sistema de laboratorio se ensayó la ganancia de transferencia intercelular condicionada. Para incluir el efecto del control de potencia, la ganancia de transferencia intercelular condicionada se definió como la reducción en la potencia de transmisión del simulador de estación móvil cuando se está realizando una transferencia intercelular condicionada. La misma atenuación se usó en dos canales sin correlacionar (estación transceptora base núm. 1, BTS1, y estación transceptora base núm. 2, BTS2). La potencia de transmisión media del simulador de estación móvil se midió: Ericsson Review No. 4, 2000
• Sólo para BTS1 activa; • Para BTS1 y BTS2 (BTS1&2) activas (transferencia intercelular condicionada); y • Sólo para BTS2 activa (tabla 6). Cuanto mayor era el desvanecimiento, mayor era la ganancia de transferencia intercelular condicionada que podía obtenerse. Esta relación se comprobó comparando el canal caracterizado por el desvanecimiento más pronunciado (Rayleigh individual) con el caracterizado por el desvanecimiento menos pronunciado (canal Rician). Se transmitieron órdenes de control de potencia (TPC) cada 0,625 ms, y la potencia se reguló a pasos de 1 dB. El control de potencia no fue plenamente capaz de abordar el canal de desvanecimiento rápido. En canales de alta velocidad (variaciones más rápidas), el efecto incluso era más pronunciado, dando como resultado una ganancia de transferencia intercelular condicionada inferior a la de las velocidades más lentas. El efecto es evidente si comparamos el entorno de 100 km/h con el de 3 km/h (ver la tabla de desviación estándar 6). La ganancia de transferencia intercelular condicionada era inferior cuando la potencia de transmisión no podía mantener el ritmo con el correspondiente canal de desvanecimiento. Un control de potencia lento también originaba un incremento en la potencia de transmisión media, a fin de compensar los picos de desvanecimiento perdidos. Un incremento en la potencia de transmisión media incrementaba el nivel de interferencia en el sistema. En el canal de antena alto (un modelo de canal de GSM con seis trayectos de desvanecimiento de Rayleigh) el receptor de rastrillo usaba diversidad en las reflexiones de Rayleigh, reduciendo así el desvanecimiento detectado por el receptor, lo cual daba como resultado una ganancia más baja (en comparación con sólo un trayecto de desvanecimiento de Rayleigh). Offset de transferencia intercelular (ensayo de campo) El parámetro de offset de transferencia intercelular pudo usarse en el algoritmo de valoración de transferencia intercelular para desplazar el límite de celda de un sector. El offset de transferencia intercelular se empleó para evitar puntos problemáticos en límites de celda. Esto se valoró en el sistema de ensayos de campo. La figura 12 muestra el tiempo medio durante el cual una conexión de transferencia intercelular se encontraba en diferentes sectores en función de los ajustes de transferencia intercelular. BTS1, BTS2, sector 1, y BTS2 sector 2 se refieren a los tres sectores designados en el ensayo (un emplazamiento de estación transceptora base omnidireccional y un emplazamiento de estación transceptora base multisector). Asimismo, el tiempo de conexión de transferencia intercelular constituye una magnitud de lo satis213
Tiempo de derivación de transferencia intercelular medio [%] 120
BTS2 sector 2
BTS1 sector 1
100 80 60 BTS1 40 20 0 –5,+5
Figura 12 Tiempo de conexión de transferencia intercelular (handover) medio.
–4,+4
–3,+3
–2,+2
–1,+1
–0,+0
factoriamente que el parámetro de offset de transferencia intercelular puede controlar los límites de celda. El tiempo medio de conexión de transferencia intercelular de BTS2 sector 1 era proporcional al parámetro de offset de transferencia intercelular, mientras que el de BTS2 sector 2 tenía una gama dinámica mucho más pequeña. Esto se debe a que la antena de BTS2 sector 2 abarcaba la ruta de ensayo, mientras que la de BTS2 sector 1 señalaba a una dirección diferente. La señal de BTS2 sector 2, por tanto, era muy potente en la estación móvil (en comparación con la de BTS2 sector 1), indicando que la gama de valores del parámetro era demasiado pequeña. Sin embargo, debido a que nuestro propósito era controlar el límite de celda, las señales en el límite de la misma deberían ser relativamente débiles, pareciéndose a las de BTS2 sector 1. Esto, finalmente, indica que el parámetro de offset de transferencia intercelular tenía un valor lo suficientemente amplio. Deriva de potencia durante la transferencia intercelular condicionada (prueba de laboratorio) Durante las pruebas de laboratorio, se comprobó que la potencia de transmisión de las esta214
+1,–1
+2,–2
+3,–3
+4,–4
+5,–5
Offset de transferencia intercelular para BTS1 sector 1 y sector 2
ciones base experimentaba involuntariamente una deriva, haciendo que la estación móvil aumentara su potencia de transmisión más de lo deseado. Este fenómeno se convirtió en aún más significativo cuando la diferencia en pérdidas de trayecto entre dos estaciones base incrementó durante la transferencia intercelular condicionada. Si la diferencia era significativa, había una cierta variación en la potencia de transmisión de la estación móvil durante la transferencia intercelular condicionada. Se utilizó un atenuador variable para variar las pérdidas de trayecto entre dos estaciones transceptoras base en las conexiones de enlace ascendente y descendente, entre las estaciones transceptoras base y un simulador de estación móvil. Durante la transferencia intercelular condicionada, se emplearon atenuadores variables para cambiar las pérdidas de trayecto entre 0,1 y 4 dB. En el enlace ascendente se usó una gama dinámica grande de 80 dB. La gama del enlace descendente era de 20 dB. La potencia de transmisión máxima en el simulador de estación móvil era de 29 dBm; en la estación transceptora base, 35 dBm. La potencia de transmisión mínima en el simulador de estación móvil era de -50 dBm; en la estación transceptora base, 15 Ericsson Review No. 4, 2000
Potencia Tx [dBm] 29
27
Potencia Tx BTS2
25
23
21
19 Potencia Tx BTS1
17 0
2
4
6
8
10
12
14
Tiempo [s]
dBm. El control de potencia de bucle interior y exterior se activaron en el enlace ascendente y descendente, pero la función de transmisión discontinua se desactivó. Tal como se muestra en la figura 13, la potencia de transmisión de BTS2 frecuentemente era muy superior a la potencia de transmisión de BTS1. A veces, la diferencia en potencia de transmisión entre BTS1 y BTS2 era superior a la diferencia en pérdidas de trayecto (unos 3,5 dB) entre las estaciones base. Esto significa que la potencia de transmisión de la estación móvil la regulaba BTS2, cuyo enlace ascendente era inferior y enviaba órdenes de control de potencia que provocaban que la estación móvil aumentara su potencia. Esta elevada potencia de transmisión podía producir un valor Eb/Io innecesariamente alto en el enlace ascendente. La potencia de transmisión de BTS2 era demasiado elevada a causa de órdenes de control de potencia erróneas en el enlace ascendente. Cuando las pérdidas de trayecto entre BTS1 y BTS2 llegaron a ser sustanciales, el estado del enlace ascendente de BTS2 era bastante defectuoso, originando que muchas órdenes se interpretaran incorrectamente. En consecuencia, en el diseño del sistema se ha introducido un algoritmo que reduce este efecto. Ericsson Review No. 4, 2000
Figura 13 Ilustración de deriva de potencia durante transferencia intercelular condicionada.
Conclusión Los ensayos descritos en este artículo son una muestra de los efectuados conjuntamente por Ericsson y Telia en Estocolmo con el sistema de valoración de WCDMA. Ericsson ha ejecutado ensayos similares en varios países junto con otros operadores. Las empresas que han participado en ellos han adquirido una experiencia práctica muy valiosa de esa tecnología. Se evaluaron en entornos de radio reales varias características importantes del sistema, derivando ello en la creación de algoritmos optimizados para el diseño de los productos de WCDMA comerciales que están desarrollándose actualmente en Ericsson. Las prestaciones del sistema observadas también se utilizaron para crear directrices a fin de establecer parámetros en un sistema real. Los efectos se traducirán en mejor capacidad, y mejor cobertura, prestaciones y fiabilidad en los sistemas reales de uso comercial que se instalen en un futuro próximo. Hemos mostrado que la tecnología WCDMA se mantiene a la altura de las previsiones del sector. Gracias a los ensayos efectuados con el procedimiento de valoración de WCDMA, hemos podido identificar y corregir problemas imprevistos, y con ello perfeccionar el diseño del sistema para productos comerciales.
AGRADECIMIENTO Los autores desean dar las gracias al personal del proyecto de evaluación de WCDMA de Telia, Swisscom, Centro Studie e Laboratori Telecomunicazioni (CSELT) y KPN Research por sus contribuciones.
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