UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

METODOLOGÍAS, CRITERIOS Y HERRAMIENTAS PARA LA PLANIFICACIÓN DE REDES INALÁMBRICAS

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA

MARCO ANTONIO MUÑOZ VALDEBENITO

PROFESOR GUÍA: Sr. ALFONSO EHIJO BENBOW. MIEMBROS DE LA COMISIÓN: Sr. HELMUTH THIEMER W. Sr. JUAN I. ALFARO DEL PRADO.

SANTIAGO DE CHILE MAYO 2007

RESUMEN DEL INFORME FINAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR: MARCO A. MUÑOZ VALDEBENITO PROF. GUÍA: SR. ALFONSO EHIJO BENBOW.

METODOLOGÍAS, CRITERIOS Y HERRAMIENTAS PARA LA PLANIFICACIÓN DE REDES INALÁMBRICAS El gran dinamismo que caracteriza a las telecomunicaciones unido a la tendencia de requerir conectividad y acceso a servicios desde cualquier lugar, con mayores capacidades y distintos niveles de calidad de servicio, han sido los factores determinantes en el desarrollo de la tecnología WiMAX, las mejoras en WiFi y la constante evolución de la Telefonía Celular. La convergencia de tecnologías y servicios ha puesto en la palestra el gran desafío del despliegue de estas redes y su evolución. Es por este motivo que el proceso de planificación juega un rol fundamental, incorporando procesos que permitan considerar esta convergencia con el fin de encontrar las mejores formas de interfuncionamiento. Es en este contexto donde se sitúa este trabajo de título, en el cual se aborda la planificación de capacidad, cobertura y de frecuencia para las tecnologías WiMAX, WiFi, UMTS-WCDMA y GSM. Bajo esta luz de convergencia se revisa la planificación de posibles escenarios, en los cuales estas tecnologías conviven pudiendo entregar más y mejores servicios. En particular, se desarrolla una comparación entre éstas desde el punto de vista del despliegue, donde en una determinada zona se deben ofrecer ciertos servicios con diferentes cualidades. Además se dan las consideraciones generales para realizar la planificación de una red WCDMA, cuando está funcionando una GSM. Los criterios bajo los cuales se pueden planificar las redes de telecomunicaciones son múltiples y, en particular en este trabajo, se entrelazó con las variables de planificación, abordando para cada tipo de plan (cobertura, capacidad y frecuencia) diferentes criterios, donde los más recurrentes fueron los costos, la calidad de servicio y la estrategia de posicionamiento en el mercado. En la planificación de capacidad se aborda la interfaz física, presentando los parámetros y mecanismos que inciden en la disminución o aumento de la capacidad bruta de los recursos de frecuencia utilizados entre usuario y antena. La planificación de cobertura se aborda a través del proceso de Cálculo de Radioenlace y el uso de diferentes modelos de propagación. En particular, se revisan los parámetros a considerar en el cálculo del enlace para cada tecnología, además de indicar el modelo a utilizar. Para la planificación de frecuencia se presentan las principales configuraciones en cada tecnología, haciendo explicita la importancia de este plan, abordando los parámetros que permiten comparar distintos planes dentro de una misma tecnología El uso de herramientas computacionales es indispensable al momento de desplegar una red, razón por la cual se presenta una breve descripción de ellas y sus funcionalidades principales. Un punto a destacar son las proyecciones de este trabajo. Entre ellas la más evidente es llevar a una herramienta de planificación las metodologías y los planes que son abordados en este documento. Finalmente, dentro de las conclusiones obtenidas están las predicciones respecto a la futura interacción de las redes celulares actuales y de la tecnología WiFi, con las tecnologías emergentes (WiMAX y WCDMA), se reconoce que la planificación de una red inalámbrica es un proceso secuencial e iterativo. Sin embargo, se considera que una de las conclusiones más importantes corresponde al discernimiento de cuál es la tecnología que se perfila con mayores probabilidades para dominar la convergencia de servicios y redes.

“A mis Padres Noelia y Gabriel, mi hermano Nacho y a mi Pauli”

I

Agradecimientos A las primeras personas a las cuales les debo agradecer son a mis padres Noelia y Gabriel por su constante esfuerzo además de su incondicional apoyo durante toda mi vida. Les doy gracias por sus enseñanzas y valores que me han inculcado. También le agradezco a mi hermano Nacho, quizás no porque me hubiera ayudado en forma directa, pero si por apoyar a mi madre. A lo largo de los 6 años en la Universidad la cantidad de personas que se puede conocer es tremenda, pero sin duda los compañeros de primer año son parte un grupo selecto a los cuales les agradezco ya que han sido parte de mi crecimiento. Dentro de este grupo no puedo dejar de mencionar a Germán, Igor (alias Carlos) y Alex, a los cuales les deseo lo mejor y espero seguir viéndolos. Mención aparte merecen mis amigos Jaime y Pablo a los cuales les debo mucho. A pesar de conocerlos desde primer año sólo en durante la especialidad pude conocerlos mejor, donde no sólo compartimos cátedras sino que también jornadas fuera del ambiente académico. Una persona que no puedo dejar de agradecer es a mi BT, Paulina B.A., cuyo apoyo nunca me falto desde que estuvimos juntos. Sus consejos y compañía fueron siempre un alivio, un agrado y una necesidad. Un factor importante en el desarrollo de esta memoria y al cual no puedo dejar de agradecer es a mi profesor guía, el Sr. Alfonso Ehijo, que a pesar de su escaso tiempo siempre tenía los minutos y palabras precisas para dar la luz suficiente que permitieron llegar al fin de este proceso. Pero junto con el profesor Ehijo está el Team ToIP y mis compañeros que debieron cursar junto conmigo esta travesía llamada titulación, con los cuales más de una vez compartimos temores y alegrías. Sin duda la disponibilidad de los ‘colaboradores’ del Team ante cualquier consulta fue siempre un alivio para todos los que estuvimos trabajando en la memoria, a los cuales también agradezco y en especial a Domingo Becerra por su confianza y apoyo. Siento la necesidad de agradecer a las circunstancias que me permitieron entrar a la Universidad, que es donde finalmente conocí la mayor parte de las personas citadas. Agradezco a los mismos de siempre que hablan de la libertad.

II

Índice General Agradecimientos

II

Índice General

III

Índice de Figuras

IX

Índice de Tablas

XI

Índice de Expresiones

XIII

Capítulo 1 Introducción

1

1.1. Motivación..........................................................................................................................................................2 1.2. Objetivos Generales y Específicos.................................................................................................................3 1.2.1. Objetivo General ......................................................................................................................................3 1.2.2. Objetivos Específicos...............................................................................................................................3 Capítulo 2 Antecedentes

4

2.1. Planificación.......................................................................................................................................................4 2.1.1. Planificación General de Redes ..............................................................................................................5 2.1.1.1. Planes Técnicos Fundamentales.....................................................................................................5 2.1.1.2. Planes de Desarrollo.........................................................................................................................6 2.1.1.3. Etapas de la Planificación................................................................................................................6 2.1.2. Proceso de Planificación..........................................................................................................................7 2.1.3. Planificación de Recursos [3] ..................................................................................................................9 2.1.4. El Radio Planning como un Servicio...................................................................................................10 2.2. Planificación de Cobertura ............................................................................................................................11 2.3. Planificación de Capacidad ............................................................................................................................13 2.3.1. Definición de Capacidad........................................................................................................................13 2.3.2. Diseño del Proceso.................................................................................................................................13 2.3.3. Índices de Capacidad..............................................................................................................................15 2.4. Planificación de Frecuencia ...........................................................................................................................16 2.5. Planificación de Redes Inalámbricas ............................................................................................................18 2.5.1. Dimensionamiento de la Red................................................................................................................18 2.5.2. Planificación Detallada...........................................................................................................................19 2.5.3. Optimización ...........................................................................................................................................19 2.6. Arquitecturas de Tecnologías de Telefonía Móvil [9] ...............................................................................20 III

2.6.1. Entidades del Core Network (CN) ......................................................................................................20 2.6.1.1. Entidades Comunes a los Dominios PS Y CS ...........................................................................20 2.6.1.2. Entidades en el Dominio CS.........................................................................................................21 2.6.1.3. Entidades en el Domino PS..........................................................................................................22 2.6.2. Entidades del Access Network (AN)...................................................................................................22 2.6.2.1. Base Station System (BSS).............................................................................................................22 2.6.2.2. Radio Network System (RNS)......................................................................................................23 2.6.3. El Mobile Station (MS) ..........................................................................................................................24 2.7. Arquitecturas de Redes de Datos Inalámbricas..........................................................................................25 2.7.1. Wireless Fidelity (WiFi)..........................................................................................................................25 2.7.1.1. Modo Infraestructura .....................................................................................................................25 2.7.1.2. Modo Ad-hoc ..................................................................................................................................25 2.7.2. WiMAX ....................................................................................................................................................26 2.7.2.1. Estación Base WiMAX ..................................................................................................................26 2.7.2.2. El CPE WiMAX .............................................................................................................................26 2.7.2.3. Arquitectura del Sistema [11] ........................................................................................................27 2.7.2.4. Modelo de Red en el Caso de Comunicaciones Móviles [12]..................................................28 2.8. Conceptos de Comunicaciones Inalámbricas Móviles..............................................................................29 2.8.1. Reuso de Frecuencias y Formación de Cluster ..................................................................................29 2.8.2. Atenuación por Propagación ................................................................................................................29 2.8.3. Interferencia e Interferencia Co-Canal ................................................................................................30 2.8.4. Sistemas limitados por: Rango, Interferencia y Capacidad...............................................................30 2.8.5. Sitio, Celda, Sector y TRX.....................................................................................................................31 2.8.6. Handover..................................................................................................................................................31 2.8.7. Sensibilidad y Noise Figure ...................................................................................................................31 2.9. Antecedentes Específicos ..............................................................................................................................32 2.9.1. Profesor Guía ..........................................................................................................................................32 2.9.2. Proyectos del Team ToIP......................................................................................................................32 Capítulo 3 Metodología

33

3.1. Criterios de Planificación ...............................................................................................................................33 3.2. Planificación de Cobertura ............................................................................................................................34 3.2.1. GSM/GPRS/EDGE .............................................................................................................................35 3.2.1.1. Parámetros de los Equipos............................................................................................................35 3.2.1.2. Parámetros de Propagación...........................................................................................................35 3.2.1.3. Cálculo del Enlace Uplink .............................................................................................................36 3.2.1.4. Cálculo del Enlace Downlink .......................................................................................................36 3.2.1.5. Cálculo de la Cobertura .................................................................................................................37 3.2.2. UMTS-WCDMA.....................................................................................................................................38 3.2.2.1. Parámetros de WCDMA [17] .......................................................................................................38 3.2.2.2. Ejemplo de Cálculo del Enlace.....................................................................................................38 3.2.3. WiFi .....................................................................................................................................................41 3.2.3.1. Ejemplo de Cálculo del Enlace.....................................................................................................42 3.2.4. WiMAX ....................................................................................................................................................44 3.2.4.1. WiMAX en Enlaces Punto a Punto.............................................................................................44 3.2.4.2. WiMAX Móvil.................................................................................................................................45 3.3. Planificación de Capacidad ............................................................................................................................49 3.3.1. GSM/GPRS/EDGE .............................................................................................................................50

IV

3.3.1.1. Cálculo de Capacidad de Tráfico..................................................................................................50 3.3.1.2. GPRS/EDGE.................................................................................................................................52 3.3.1.3. Capacidad de Señalización[8] ........................................................................................................55 3.3.2. UMTS-WCDMA.....................................................................................................................................57 3.3.2.1. Factor de Carga [17] .......................................................................................................................57 3.3.2.2. Capacidad Blanda (Soft Capacity) [17] ........................................................................................60 3.3.2.3. Dimensionamiento de los RNC [22] ...........................................................................................61 3.3.3. WiFi .....................................................................................................................................................63 3.3.3.1. Primera Aproximación...................................................................................................................63 3.3.3.2. Capacidad al utilizar DCF..............................................................................................................63 3.3.4. WiMAX ....................................................................................................................................................66 3.3.4.1. Capa Física [29] ...............................................................................................................................66 3.3.4.2. Capa MAC [12] [29] - [31] .............................................................................................................72 3.4. Planificación de Frecuencia ...........................................................................................................................77 3.4.1. GSM/GPRS/EDGE .............................................................................................................................78 3.4.2. UMTS-WCDMA.....................................................................................................................................80 3.4.3. WiFi .....................................................................................................................................................81 3.4.3.1. Estándares 802.11b y 802.11g.......................................................................................................81 3.4.3.2. Estándar 802.11a.............................................................................................................................82 3.4.3.3. Traslapes...........................................................................................................................................82 3.4.4. WiMAX ....................................................................................................................................................84 3.5. Comparación entre Tecnologías ...................................................................................................................87 3.5.1. Marco de Trabajo....................................................................................................................................87 3.5.1.1. Hipótesis...........................................................................................................................................89 3.5.1.2. Servicios............................................................................................................................................89 3.5.2. Detalles de la Comparativa....................................................................................................................90 3.5.2.1. GSM-EDGE ...................................................................................................................................91 3.5.2.2. UMTS-WCDMA ............................................................................................................................91 3.5.2.3. WiFi...................................................................................................................................................92 3.5.2.4. WiMAX ............................................................................................................................................94 3.5.3. Comparativa.............................................................................................................................................95 Capítulo 4 Resultados

96

4.1. Herramientas....................................................................................................................................................96 4.1.1. Herramientas Comerciales.....................................................................................................................96 4.1.1.1. Predicplan ........................................................................................................................................96 4.1.1.2. EDX SignalPro(R) ..........................................................................................................................96 4.1.1.3. ML Designer....................................................................................................................................96 4.1.1.4. QualNet............................................................................................................................................97 4.1.1.5. NetMate............................................................................................................................................97 4.1.1.6. CAPEX Planning Tool for WiMAX ...........................................................................................97 4.1.1.7. Calcucell ...........................................................................................................................................97 4.1.2. Herramientas Gratuitas..........................................................................................................................97 4.1.2.1. OMNet++ .......................................................................................................................................97 4.1.2.2. NS 2 ..................................................................................................................................................97 4.1.2.3. GloMoSim .......................................................................................................................................98 4.1.2.4. SWANS ............................................................................................................................................98 4.1.3. Otras Herramientas ................................................................................................................................98 4.2. Co-Planificación WCDMA-GSM [22].........................................................................................................99 4.2.1. Proceso de Co-Planificación .................................................................................................................99

V

4.2.1.1. Reuso de Sitios ............................................................................................................................. 100 4.2.1.2. Configuración de las Antenas .................................................................................................... 101 4.2.1.3. Distribución de Tráfico y Servicios entre los Sistemas.......................................................... 101 4.2.1.4. Cobertura y Capacidad................................................................................................................ 102 4.2.2. Planificación de la Transmisión......................................................................................................... 103 4.2.2.1. Topologías de Transmisión........................................................................................................ 103 4.2.2.2. Compartir medios de Transmisión entre Sistemas................................................................. 103 4.3. Comparación entre Tecnologías ................................................................................................................ 104 4.3.1. GSM-EDGE ........................................................................................................................................ 104 4.3.1.1. Frecuencia ..................................................................................................................................... 104 4.3.1.2. Capacidad ...................................................................................................................................... 105 4.3.1.3. Cobertura ...................................................................................................................................... 106 4.3.2. UMTS-WCDMA.................................................................................................................................. 108 4.3.2.1. Capacidad ...................................................................................................................................... 108 4.3.2.2. Cobertura ...................................................................................................................................... 109 4.3.2.3. Frecuencia ..................................................................................................................................... 110 4.3.3. WiFi .................................................................................................................................................. 111 4.3.3.1. Frecuencia ..................................................................................................................................... 111 4.3.3.2. Capacidad ...................................................................................................................................... 111 4.3.3.3. Cobertura ...................................................................................................................................... 118 4.3.4. WiMAX ................................................................................................................................................. 120 4.3.4.1. Capacidad ...................................................................................................................................... 120 4.3.4.2. Cobertura ...................................................................................................................................... 121 4.3.4.3. Frecuencia ..................................................................................................................................... 122 4.3.5. Resumen Comparativo........................................................................................................................ 123 Capítulo 5 Discusión

126

5.1. Escenarios WiMAX ..................................................................................................................................... 127 5.1.1. WiMAX como Transporte (Backhaul) ............................................................................................. 127 5.1.2. WiMAX como Wireless DSL ............................................................................................................ 129 5.2. Co-Planificación WCDMA-GSM.............................................................................................................. 130 5.3. Comparativa entre Tecnologías ................................................................................................................. 131 5.3.1. Capacidad .............................................................................................................................................. 131 5.3.2. Cobertura .............................................................................................................................................. 132 5.3.3. Frecuencia ............................................................................................................................................. 132 Capítulo 6 Conclusiones

134

Acrónimos

137

Bibliografía

142

Anexos

145

A.

Evolución de las Tecnologías de Telefonía Móvil 145 A.1 Primera Generación (1G) ...................................................................................................................... 145 A.2 Segunda Generación (2G) ..................................................................................................................... 145 A.3 Tercera Generación (3G) e IMT-2000 ................................................................................................ 146

VI

B.

Arquitecturas de Tecnologías de Telefonía Móvil [9] 147 B.1 Definiciones ............................................................................................................................................. 147 B.1.1 Core Network (CN) y Access Network (AN) ............................................................................ 147 B.1.2 Dominios Circuit Switched (CS) y Packet Switched (PS)......................................................... 147 B.1.3 IP Multimedia Subsystem (IMS) ................................................................................................... 148 B.1.4 Location Register............................................................................................................................. 148 B.1.5 Celda.................................................................................................................................................. 148 B.1.6 Área Base Station Controller (BSC) ............................................................................................. 148 B.1.7 Área Radio Network Controller (RNC) ...................................................................................... 148 B.1.8 Location Area (LA) ......................................................................................................................... 148 B.1.9 Área MSC ......................................................................................................................................... 148 B.1.10 Área VLR........................................................................................................................................ 149 B.1.11 Área SGSN..................................................................................................................................... 149 B.1.12 Área de Servicio............................................................................................................................. 149 B.2 Entidades del Core Network (CN)....................................................................................................... 149 B.2.1 Entidades Comunes a los Dominios PS Y CS ........................................................................... 149 B.2.2 Entidades en el Dominio CS ......................................................................................................... 151 B.2.3 Entidades en el Domino PS .......................................................................................................... 152 B.3 Entidades del Access Network (AN) ................................................................................................... 153 B.3.1 Base Station System (BSS) ............................................................................................................. 153 B.3.2 Radio Network System (RNS) ...................................................................................................... 154 B.4 El Mobile Station (MS)........................................................................................................................... 155

C.

Modelos de Propagación [47] 157 C.1 Modelos para Macro Celdas .................................................................................................................. 157 C.1.1 Modelos Empíricos......................................................................................................................... 158 C.1.2 Modelos Teóricos............................................................................................................................ 160 C.2 Modelos para Micro Celdas ................................................................................................................... 163

D.

Fenómenos de Propagación y Pérdidas por Penetración 165 D.1 Desvanecimiento Lento [14]................................................................................................................. 165 D.2 Modelo del Grupo COST 231 para las Pérdidas por Penetración ................................................. 166

E.

Modelo de Propagación para WiMAX 169 E.1 Pérdidas por Propagación en Medio Suburbano ............................................................................... 169 E.2 Pérdidas por Propagación en Medio Urbano ..................................................................................... 170

F.

OFDM 172 F.1 OFDM en WiMAX................................................................................................................................. 172 F.1.1 Parámetros del Símbolo OFDM y de la Señal Transmitida [30].............................................. 173 F.2 OFDMA en WiMAX.............................................................................................................................. 175 F.2.1 SOFDMA ......................................................................................................................................... 176

G.

WCDMA [50] 177 G.1 Modos WCDMA .................................................................................................................................... 177 G.2 Bandas de Frecuencia............................................................................................................................. 178

H.

Wireless Fidelity (WiFi) [23][24] 179 H.1 802.11b .................................................................................................................................................. 180 H.2 802.11a .................................................................................................................................................. 181 H.3 802.11g .................................................................................................................................................. 182 H.3.1 Estimación de la tasa de transferencia de 802.11g .................................................................... 182

VII

I.

WiMAX [30][31][51] 184 I.1 Arquitectura Interna................................................................................................................................. 185 I.1.1 Capa Física (PHY Layer)................................................................................................................. 185 I.1.2 Capa MAC (Medium Access Control) .......................................................................................... 186 I.2 802.16e WiMAX Móvil [18].................................................................................................................... 186 I.2.1 Aplicaciones de WiMAX Móvil ..................................................................................................... 187 I.3 Clases de Servicios.................................................................................................................................... 187 I.4 Arquitectura End-to-End........................................................................................................................... 188 I.5 Requisitos del Receptor ........................................................................................................................... 189

J.

Zonas de Fresnel

190

K.

Altura Efectiva

191

L.

Herramientas 192 L.1 PredicPlan ................................................................................................................................................. 192 L.2 Calcucell .................................................................................................................................................. 193 L.3 EDX SignalPro(R)................................................................................................................................... 195

M. Planificación de Cobertura 197 M.1 GSM/GPRS/EDGE............................................................................................................................. 197 M.1.1 Parámetros de los Equipos ........................................................................................................... 197 M.1.2 Parámetros de Propagación .......................................................................................................... 198 M.1.3 Parámetro del Enlace..................................................................................................................... 199 M.2 UMTS-WCDMA .................................................................................................................................... 200 M.2.1 Parámetros de WCDMA [17]....................................................................................................... 200 N.

Capacidad de Señalización en GSM/GPRS/EDGE 202 N.1 Capacidad de Señalización [8]............................................................................................................... 202 N.1.1 Criterio de Capacidad de Señalización ........................................................................................ 202 N.1.2 Capacidad de Señalización para Voz en GSM ........................................................................... 202 N.1.3 Capacidad de Señalización en GPRS/EDGE ........................................................................... 205

O.

Comparativa de Cobertura 207 O.1 GSM-EDGE. .......................................................................................................................................... 207 O.1.1 Caso 1 ............................................................................................................................................... 207 O.1.2 Caso 2 ............................................................................................................................................... 208 O.1.3 Caso 3 ............................................................................................................................................... 209 O.2 WCDMA.................................................................................................................................................. 210 O.2.1 Caso 1 ............................................................................................................................................... 210 O.2.2 Caso 2 ............................................................................................................................................... 211 O.2.3 Caso 3 ............................................................................................................................................... 212 O.3 WiFi .................................................................................................................................................. 213 O.3.1 Caso 1 ............................................................................................................................................... 213 O.3.2 Caso 2 ............................................................................................................................................... 213 O.3.3 Caso 3 ............................................................................................................................................... 213 O.4 WiMAX .................................................................................................................................................. 214 O.4.1 Caso 1 ............................................................................................................................................... 214 O.4.2 Caso 2 ............................................................................................................................................... 214 O.4.3 Caso 3 ............................................................................................................................................... 215

VIII

Índice de Figuras Figura 2-1: Diagrama con la relación entre clases de planificación y tipos de planes. [1].........................................5 Figura 2-2: Relación entre los Planes Técnicos Fundamentales. [2].............................................................................6 Figura 2-3: Relación entre las distintas etapas de elaboración de los planes. [1] ........................................................7 Figura 2-4: Etapas de la planificación................................................................................................................................9 Figura 2-5: Esquema de la metodología para el diseño del proceso.[3].................................................................... 14 Figura 2-6: Proceso de planificación de frecuencia. [8] ............................................................................................... 16 Figura 2-7: Fases de la planificación de una red inalámbrica. [6]............................................................................... 18 Figura 2-8: Diagrama de la arquitectura GSM. ............................................................................................................. 21 Figura 2-9: Diagrama de la arquitectura GSM-GPRS.................................................................................................. 22 Figura 2-10: Diagrama del RNS de UMTS.................................................................................................................... 23 Figura 2-11: Esquemas de los MS de GSM (a) y de UMTS (b). ................................................................................ 24 Figura 2-12: Diagrama de una red WiFi en modo infrastructure. ................................................................................. 25 Figura 2-13: Diagrama de una red WiFi en modo ad-hoc............................................................................................. 26 Figura 2-14: Diagrama de referencia de un sistema de Internet inalámbrica fija de banda ancha. [11]............... 27 Figura 2-15: Formación de Clusters de 6 celdas............................................................................................................. 29 Figura 2-16: Un sitio con 3 sectores o celdas................................................................................................................ 31 Figura 3-1: Diagrama de flujo de la planificación de cobertura, frecuencia y capacidad. ...................................... 33 Figura 3-2: Diagrama del proceso de planificación de cobertura. ............................................................................. 34 Figura 3-3: Esquema de un enlace entre un AP y un usuario..................................................................................... 41 Figura 3-4: Diagrama explicativo de las zonas de Fresnel. ......................................................................................... 44 Figura 3-5: Diagrama de flujo del proceso de planificación de capacidad. .............................................................. 49 Figura 3-6: Ejemplo de posible uso de canales para los sistemas GSM, GPRS y EDGE.[22] ............................. 53 Figura 3-7: Ejemplo con el procedimiento de señalización, modelado con un sistema de colas. [8] .................. 56 Figura 3-8: Componentes básicos de un frame WiFi. ................................................................................................... 63 Figura 3-9: Estructura del símbolo OFDM en el dominio del tiempo.[30] ............................................................. 67 Figura 3-10: Formato del PDU MAC.[29] .................................................................................................................... 73 Figura 3-11: Diagrama con el proceso de planificación de frecuencias.................................................................... 77 Figura 3-12: Distancia de reuso en un cluster de 7 celdas. ......................................................................................... 78 Figura 3-13: Esquema de la diferencia de reuso de frecuencia entre WCDMA y el sistema GSM...................... 80 Figura 3-14: Los 11 canales de 802.11b/g utilizados en Chile y EE.UU. [23] ........................................................ 81 Figura 3-15: Canales utilizados en el estándar 802.11a. [23]....................................................................................... 82 Figura 3-16: Ejemplo de traslape horizontal. ................................................................................................................ 83 Figura 3-17: Ejemplo de traslape vertical. ..................................................................................................................... 83 Figura 3-18: Diagrama representativo de separación de subcanales en una celda. ................................................. 84 Figura 3-19: Ejemplos de uso de canales utilizando antenas de 90 grados. ............................................................. 85 Figura 3-20: Ejemplos de posibles despliegues utilizando antenas de 60 grados.................................................... 85 Figura 3-21: Vista satelital de la comuna de Vitacura, con una delimitación aproximada ..................................... 88 Figura 3-22: Cantidad de casas por Km2. ...................................................................................................................... 88 Figura 4-1: Proceso de planificación de una red WCDMA reutilizando una red GSM....................................... 100 Figura 4-2: Posible configuración de antenas GSM y WCDMA (con diversidad)................................................ 101 Figura 4-3: Diagrama con los posibles handovers entre la red GSM y la WCDMA................................................ 102 Figura 4-4: Ejemplos de cluster 7/21........................................................................................................................... 104 Figura 4-5: Cobertura del área en estudio utilizando celdas de 210 metros de diámetro. ................................... 107 Figura 4-6: Cobertura del área en estudio utilizando celdas de 250 metros de diámetro. ................................... 109 Figura 4-7: Ejemplo de un posible despliegue de los 6 pares de frecuencia disponible....................................... 110 IX

Figura 4-8: Disposición de los canales WiFi para minimizar interferencia. ........................................................... 111 Figura 4-9: Cobertura del área en estudio utilizando celdas de 100 metros de diámetro. ................................... 119 Figura 4-10: Diagrama a escala del despliegue de celdas necesarias para cubrir el área en estudio.................... 121 Figura 4-11: Posible implementación de los canales de frecuencia en el despliegue de la red............................ 122 Figura 5-1: WiMAX como backhaul. ............................................................................................................................. 127 Figura 5-2: Escenario WiMAX-WiFi............................................................................................................................ 128 Figura 5-3: WiMAX utilizado en zonas rurales........................................................................................................... 129 Figura B-1: Diagrama de la arquitectura GSM............................................................................................................ 150 Figura B-2: Diagrama de la arquitectura GSM-GPRS............................................................................................... 153 Figura B-3: Diagrama del RNS de UMTS. .................................................................................................................. 154 Figura B-4: Esquemas de los MS de GSM (a) y de UMTS (b)................................................................................. 155 Figura B-5: Diagrama de la arquitectura híbrida UMTS-GSM.[9]........................................................................... 156 Figura C-1: Parámetros utilizados en el modelo C231 W-I. ..................................................................................... 161 Figura C-2: Ángulo ϕ de incidencia entre la onda, desde la estación base y el camino. ..................................... 162 Figura D-1: Propagación por difracción y reflexión. ................................................................................................. 165 Figura D-2: Parámetros usados en el modelo COST 231 para pérdidas por penetración con LOS. ................ 166 Figura D-3: Propagación de la señal con NLOS, y la BTS está por sobre la edificación. ................................... 167 Figura D-4: Propagación de la señal con NLOS, y la BTS está por debajo la edificación. ................................. 167 Figura E-1: Comparación de modelos de propagación para entorno suburbano (Dallas). [19] ......................... 170 Figura F-1: Subportadoras ortogonales permiten traslape de sus espectros sin interferencias........................... 172 Figura F-2: Diagrama con las subportadoras de OFDM. ......................................................................................... 173 Figura F-3: Estructura del símbolo OFDM en el dominio del tiempo[30]............................................................ 173 Figura F-4: Diagrama con la subcanalización utilizada en OFDMA. ..................................................................... 175 Figura H-1: Red LAN inalámbrica. .............................................................................................................................. 179 Figura H-2: Canales de la banda de los 2.4 [GHz].[23] ............................................................................................. 180 Figura H-3: Canales sin traslape de la banda 5 [GHz]. [23]...................................................................................... 182 Figura H-4: Comportamiento de la tasa de datos con la distancia. ......................................................................... 183 Figura I-1: Posibles escenarios de WiMAX................................................................................................................. 184 Figura I-2: Modelo de Referencia de Red (NRM) WiMAX. [18] ............................................................................ 189 Figura J-1: Diagrama explicativo de las zonas de Fresnel. ........................................................................................ 190 Figura K-1: Diagramas con la situación original y la equivalente al calcular la altura efectiva de la antena...... 191 Figura L-1: Pantalla donde es posible apreciar las características de la cobertura de una estación base. .......... 192 Figura L-2: Pantallas del programa Calcucell donde se puede obtener las pérdidas por propagación para las diferentes tecnologías (a) y donde se puede realizar los cálculos relacionados al tráfico..................................... 193 Figura L-3: Pantallas del programa Calcucell en donde se puede calcular las pérdidas producidas en el cable (a) y el comportamiento de la ganancia de la antena de acuerdo a la distancia (b)..................................................... 194 Figura L-4: Pantalla del programa Calcucell donde permite realizar conversión de unidades............................ 194 Figura L-5: Pantalla donde se muestra los sitios y el BER que se obtiene en una determinada área................. 195 Figura L-6: Pantalla donde se configuran las opciones de un sitio.......................................................................... 196 Figura L-7: Pantalla en donde se muestran las características de un enlace........................................................... 196 Figura N-1: Ejemplo con el procedimiento de señalización, modelado con un sistema de colas.[8] ................ 203 Figura N-2: Evolución de la probabilidad de bloqueo debido al canal SDCCH. [8]............................................ 204 Figura N-3: Probabilidad de bloqueo para el uso compartido del canal CCCH. [8] ............................................ 206 Figura O-1: Diagrama a escala del despliegue de las celdas en el Caso 1. .............................................................. 207 Figura O-2: Diagrama a escala del despliegue de las celdas en el Caso 2. .............................................................. 208 Figura O-3: Diagrama a escala con el despliegue de celdas en el Caso 3. .............................................................. 209 Figura O-4: Diagrama a escala del despliegue de las celdas en el Caso 1. .............................................................. 210 Figura O-5: Diagrama a escala del despliegue de las celdas en el Caso 2. .............................................................. 211 Figura O-6: Diagrama a escala con el despliegue de celdas en el Caso 3. .............................................................. 212 Figura O-7: Diagrama a escala del despliegue de celdas en el Caso 1..................................................................... 214 Figura O-8: Diagrama con el despliegue de celdas en el Caso 2.............................................................................. 215 Figura O-9: Diagrama con el despliegue de celdas para el Caso 3. ......................................................................... 215

X

Índice de Tablas Tabla 2-1: Entidades relacionadas con la movilidad en la tecnología WiMAX....................................................... 28 Tabla 3-1: Valores dados para los parámetros del MS................................................................................................. 38 Tabla 3-2: Valores dados para los parámetros de la estación móvil.......................................................................... 38 Tabla 3-3: Cálculo del radioenlace para un servicio de voz dentro de un auto. ...................................................... 39 Tabla 3-4: Parámetros de la red WiMAX Móvil.[18] ................................................................................................... 45 Tabla 3-5: Parámetros de OFDM. [18] .......................................................................................................................... 46 Tabla 3-6: Cálculo del radioenlace descendente (DL) para WiMAX móvil. [18] .................................................... 46 Tabla 3-7: Cálculo del radioenlace ascendente (UL) para WiMAX móvil. [18]....................................................... 47 Tabla 3-8: Cobertura en los enlace UL y DL con el modelo Erceg-Greenstein ..................................................... 48 Tabla 3-9: Relación entre el número de TRXs y el tráfico en Erlangs...................................................................... 51 Tabla 3-10: Promedio de TS disponibles para GPRS.................................................................................................. 54 Tabla 3-11: Parámetros usados en el cálculo del ηUL. .................................................................................................. 58 Tabla 3-12: Parámetros usados en el cálculo del ηDL. .................................................................................................. 60 Tabla 3-13: Wmin y Wmax según el estándar IEEE 802.11.[26].................................................................................... 65 Tabla 3-14: Capacidad de la subportadora depende de la modulación..................................................................... 66 Tabla 3-15: Requisitos de codificación por modulación, extracto tabla 215 de [30]. ............................................. 69 Tabla 3-16: Canales disponibles según ubicación......................................................................................................... 81 Tabla 3-17: Características de las sub-bandas de los 5 [GHz].................................................................................... 82 Tabla 3-18: Datos de la comuna de Vitacura. ............................................................................................................... 87 Tabla 3-19: Ejemplo de cálculo del parámetro p. ......................................................................................................... 93 Tabla 3-20: Valores de los parámetros de la interfaz OFDMA. ................................................................................ 94 Tabla 3-21: Características de OFDMA versión móvil. .............................................................................................. 94 Tabla 4-1: Desglose de los tipos de usuario por celda............................................................................................... 105 Tabla 4-2: Número de usuarios por celda en las 3 horas peak.................................................................................. 105 Tabla 4-3: Tráficos peak generados de acuerdo a cada servicio. .............................................................................. 105 Tabla 4-4: Tráfico disponible de acuerdo al esquema de codificación. .................................................................. 106 Tabla 4-5: Desglose de los usuarios de cada celda según tipo.................................................................................. 108 Tabla 4-6: Números de usuario por celda en las horas peak..................................................................................... 108 Tabla 4-7: Factores de carga del enlace DL (ηDL) para cada hora peak .................................................................. 108 Tabla 4-8: Tráficos peak generados de acuerdo a cada servicio en cada celda....................................................... 109 Tabla 4-9: Número de usuarios en las 3 horas peak por celda.................................................................................. 111 Tabla 4-10: Tráficos peak generados de acuerdo a cada servicio en cada celda..................................................... 112 Tabla 4-11: Disponibilidad de servicio en función de la distancia .......................................................................... 112 Tabla 4-12: Relación entre la capacidad demandada y el Nº de CPEs.................................................................... 113 Tabla 4-13: Parámetros utilizados en WiMAX fijo. ................................................................................................... 113 Tabla 4-14: Velocidades soportadas por una celda basada en WiMAX fijo. ......................................................... 113 Tabla 4-15: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 19.06 [Mbps] en el Caso 1. ......................... 114 Tabla 4-16: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 28.60 [Mbps] en el Caso 1. ......................... 114 Tabla 4-17: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 19.06 [Mbps] en el Caso 1. ......................... 115 Tabla 4-18: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 28.60 [Mbps] en el Caso 1. ......................... 115 Tabla 4-19: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 19.06 [Mbps] en el Caso 2. ......................... 116 Tabla 4-20: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 28,60 [Mbps] en el Caso 2. ......................... 116 Tabla 4-21: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 19.06 [Mbps] en el Caso 3. ......................... 117 Tabla 4-22: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 28.60 [Mbps] en el Caso 3. ......................... 117 Tabla 4-23: Número de celdas en función del nº de sitios por CPE (A) y de CPEs por celda (B).................... 118 XI

Tabla 4-24: Desglose de los tipos de usuario por celda............................................................................................. 118 Tabla 4-25: Capacidad en Mbps de un canal de 10 [MHz] dependiendo de la cantidad de subportadoras...... 120 Tabla 4-26: Número de usuarios por celda en las 3 horas peak. .............................................................................. 120 Tabla 4-27: Tráficos peak por celda generados de acuerdo a cada servicio............................................................ 120 Tabla 4-28: Comparación en el escenario FTP 92 [Kbps] y Video Streaming 384 [Kbps].................................... 123 Tabla 4-29: Comparación en el escenario FTP 28 [Kbps] y Video Streaming 28.8 [Kbps]................................... 123 Tabla 4-30: Comparación en el escenario FTP 92 [Kbps] y Video Streaming 28.8 [Kbps]................................... 124 Tabla 4-31: Comparación en el escenario FTP 64 [Kbps] y Video Streaming 128 [Kbps].................................... 124 Tabla 4-32: Parámetros técnicos. .................................................................................................................................. 125 Tabla C-1: Tipos de celdas y sus características.......................................................................................................... 157 Tabla C-2: Rangos de validez del modelo Hata.......................................................................................................... 159 Tabla C-3: Valores para el factor de corrección Cm del modelo COST 231 Hata.[21]......................................... 160 Tabla C-4: Rangos de validez del modelo COST 231 Hata...................................................................................... 160 Tabla C-5: Rangos de validez del modelo COST 231 Walfisch-Ikegami. .............................................................. 163 Tabla D-1: Valores recomendados para el modelo de penetración indoor con LOS............................................. 167 Tabla E-1: Parámetros a, b y c del modelo propuesto en [32] .................................................................................. 170 Tabla F-1: Parámetros primarios del símbolo OFDM. ............................................................................................. 174 Tabla F-2: Parámetros derivados del símbolo OFDM.............................................................................................. 174 Tabla F-3: Valores para los parámetros de la señal OFDM transmitida. ............................................................... 174 Tabla F-4: Parámetros y valores que se obtienen utilizando distintos tamaños de la FFT. [18] ........................ 176 Tabla F-5: Desglose de las subportadoras para los casos de 5 y 10 MHz. [18] ..................................................... 176 Tabla G-1: Bandas de Frecuencias para FDD. ........................................................................................................... 178 Tabla H-1: Tasa de transferencia y esquema de modulación de 802.11b............................................................... 180 Tabla H-2: Tasa de transferencia, esquema de modulación y tasa de codificación de 802.11a. ......................... 181 Tabla H-3: Datos que relacionan distancia con la tasa de datos. [24] ..................................................................... 183 Tabla I-1: Clases de aplicaciones WiMAX. [18].......................................................................................................... 187 Tabla I-2: Requisitos de SNR para el receptor (OFDMA). ...................................................................................... 189 Tabla M-1: Potencias de salida máximas para las distintas bandas de GSM. [52]................................................. 197

XII

Índice de Expresiones Expresión 2-1: Cálculo simplificado del radioenlace. .................................................................................................. 11 Expresión 2-2: Potencia mínima de recepción. ............................................................................................................ 11 Expresión 2-3: Ruido termal............................................................................................................................................ 11 Expresión 2-4: Días inventario en función de la capacidad disponible. [3] ............................................................. 15 Expresión 2-5: CIR, Carrier to Interferente Ratio. ............................................................................................................. 30 Expresión 3-1: Potencia radiada por el MS. .................................................................................................................. 36 Expresión 3-2: Sensibilidad útil de la antena de la BS. ................................................................................................ 36 Expresión 3-3: Máxima pérdida aceptable en el enlace UL........................................................................................ 36 Expresión 3-4: Sensibilidad útil de la antena del MS. .................................................................................................. 37 Expresión 3-5: Máxima pérdida aceptable en el enlace DL........................................................................................ 37 Expresión 3-6: Pérdidas por propagación dado por el modelo COST 231 Hata. .................................................. 37 Expresión 3-7: Pérdidas por propagación según modelo COST 231 Okumura-Hata........................................... 39 Expresión 3-8: Pérdidas en el espacio libre................................................................................................................... 41 Expresión 3-9: Cálculo del radioenlace entre el AP y un usuario.............................................................................. 42 Expresión 3-10: Ejemplo de cálculo de pérdidas en espacio libre. ........................................................................... 42 Expresión 3-11: Ejemplo de cálculo del radioenlace. .................................................................................................. 42 Expresión 3-12: Ejemplo de cálculo de cobertura. ...................................................................................................... 43 Expresión 3-13: Modelo de pérdidas por propagación utilizado para WiMAX...................................................... 48 Expresión 3-14: Tráfico a la hora cargada en Erlangs, sólo para servicios de voz (GSM).................................... 52 Expresión 3-15: Tasa de transmisión para un esquema MCS-7, BLER del 10% y 9.2 TS disponibles............... 55 Expresión 3-16: Razón Energía por bit a Densidad espectral del ruido del usuario j............................................ 57 Expresión 3-17: Potencia de la señal del usuario j recibida en la estación base. ..................................................... 57 Expresión 3-18: Factor de carga para la conexión de UL del usuario j. ................................................................... 57 Expresión 3-19: Interferencia total recibida en una celda con N usuarios. ............................................................. 57 Expresión 3-20: Término noise rise. ................................................................................................................................. 58 Expresión 3-21: Factor de carga del enlace UL (ηUL). ................................................................................................. 58 Expresión 3-22: Factor i que da cuenta de la interferencia entre celdas en el factor de carga.............................. 58 Expresión 3-23: Factor de carga del enlace UL (ηUL), corregido. .............................................................................. 58 Expresión 3-24: Simplificación al considerar una tasa de bit, R, baja....................................................................... 59 Expresión 3-25: Factor de carga (ηUL) para una red con sólo servicio de voz......................................................... 59 Expresión 3-26: Factor de carga del enlace DL, ηDL.................................................................................................... 59 Expresión 3-27: Factor de carga del enlace DL, ηDL, aproximado. ........................................................................... 59 Expresión 3-28: Capacidad blanda (Soft Capacity)......................................................................................................... 61 Expresión 3-29: Número de RNCs considerando el número de celdas a desplegar. ............................................. 61 Expresión 3-30: Número de RNCs considerando el número de estaciones base a conectar al RNC................. 62 Expresión 3-31: Número de RNCs considerando el tráfico generado por los Nodos B. ..................................... 62 Expresión 3-32: Tiempo necesario para transmitir un frame....................................................................................... 64 Expresión 3-33: Descomposición de los tiempos utilizados en la transmisión del overhead. ................................. 64 Expresión 3-34: Proporción útil del throughput WiFi (802.11b).................................................................................. 64 Expresión 3-35: Tiempo total de transmisión cuando existe N host tratando de transmitir. [25]......................... 65 Expresión 3-36: Tiempo que toma un host en utilizar un canal, al competir con N-1 host. ................................... 65 Expresión 3-37: Proporción de colisiones reportadas exitosamente a la capa MAC. ............................................ 65 Expresión 3-38: Proporción útil del throughput en función del número de host (N). ............................................... 65 Expresión 3-39: Frecuencia de muestreo, parámetro de las interfaces físicas de WiMAX ................................... 67 Expresión 3-40: Espacio entre subportadoras.............................................................................................................. 67 XIII

Expresión 3-41: Tiempo útil del símbolo OFDM, Tb, y tiempo del símbolo OFDM. .......................................... 68 Expresión 3-42: Aproximación a la capacidad del canal. ............................................................................................ 68 Expresión 3-43: Capacidad del canal.............................................................................................................................. 69 Expresión 3-44: Eficiencia espectral. ............................................................................................................................. 69 Expresión 3-45: Tamaño del MAU. ............................................................................................................................... 71 Expresión 3-46: Razón radio de reuso, utilizado en los sistemas TDMA................................................................ 78 Expresión C-1: Expresión del modelo Hata para las pérdidas en áreas urbanas. ................................................. 158 Expresión C-2: Factor de corrección a(hm) para ciudades pequeñas y medianas. ................................................ 159 Expresión C-3: Factor de corrección a(hm) para ciudades grandes. ........................................................................ 159 Expresión C-4: Pérdidas por propagación en áreas abiertas y suburbanas. ........................................................... 159 Expresión C-5: Pérdidas por propagación dado por el modelo COST 231 Hata. ............................................... 160 Expresión C-6: Factor que permite considerar la altura del terminal móvil en las pérdidas por propagación. 160 Expresión C-7: Relaciones utilizadas en el modelo C231 W-I................................................................................. 161 Expresión C-8: Pérdidas por propagación cuando existe LOS en el modelo C231 W-I..................................... 161 Expresión C-9: Pérdidas por propagación cuando no existe LOS en el modelo C231 W-I............................... 161 Expresión C-10: Pérdidas por difracción en los techos y por dispersión en el modelo C231 W-I.................... 161 Expresión C-11: Variación de las pérdidas de acuerdo al ángulo de incidencia de la onda al móvil. ................ 162 Expresión C-12: Pérdidas por multisceen difraction, LMSD, en el modelo C231 W-I................................................. 162 Expresión C-13: Valores del término Lbsk, componente de LMSD. .......................................................................... 162 Expresión C-14: Valores del término ka, componente de LMSD. ............................................................................. 162 Expresión C-15: Valores del término kd, componente de LMSD. ............................................................................. 163 Expresión C-16: Valores del término kf, componente de LMSD............................................................................... 163 Expresión D-1: Ecuación que describe una distribución normal............................................................................ 165 Expresión D-2: Pérdidas por propagación, considerando penetración indoor con LOS...................................... 166 Expresión D-3: Pérdidas por propagación considerando penetración indoor sin LOS. ....................................... 168 Expresión E-1: Promedio de las pérdidas por propagación según modelo propuesto en [32]. ......................... 169 Expresión E-2: Exponente de las pérdidas por propagación del modelo presentado en [32]............................ 169 Expresión E-3: Pérdidas por propagación con los factores de corrección. ........................................................... 170 Expresión E-4: Factor de corrección de la altura de la antena receptora............................................................... 170 Expresión H-1: Tasa de datos en función de la distancia. ........................................................................................ 183 Expresión J-1: Fórmula para el cálculo del radio de la enésima zona de Fresnel. ................................................ 190 Expresión K-1: Fórmula para la altura efectiva de un objeto cualquiera.[21] ....................................................... 191 Expresión M-1: Expresión para el EIRP de una antena. .......................................................................................... 199 Expresión M-2: Ganancia por procesamiento en sistemas CDMA. ....................................................................... 201 Expresión N-1: Tiempo de uso del canal SDCCH por hora, en función de las llamadas y tráfico SMS.......... 204 Expresión N-2: Tiempo de uso del canal SDCCH por hora. .................................................................................. 204 Expresión N-3: Factor δ proporcional a la disminución de tráfico de llamadas................................................... 204

XIV

Capítulo 1 Introducción Las redes de telecomunicaciones y en especial las inalámbricas han experimentado un fuerte crecimiento durante estos últimos años, en particular la telefonía celular, situando a Chile como el país de la región con la mayor penetración, la cual llega aproximadamente al 75%. Por otro lado la Internet inalámbrica a través de Wireless Fidelity (WiFi) ha tenido un crecimiento sostenido durante los últimos 2 años, llegando a 1043 hot spots públicos en el 20061, lo cual se traduce en un crecimiento del 54% con respecto al año anterior. Esta tendencia refleja la necesidad o la comodidad que les brindan las redes inalámbricas a los usuarios, lo cual promueve el uso de nuevas redes como Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) que permiten mejores prestaciones que WiFi. Por lo menos así lo cree la Subtel, la cual ha licitado la banda de los 3.5 [GHz] para su uso en WiMAX. Las empresas que obtuvieron las concesiones fueron Telmex, Entel y VTR, que ya han comenzado el despliegue de estas redes a lo largo del país. Debido a este desarrollo y evolución de las redes inalámbricas se pueden ofrecer servicios como video conferencias, visualización de videos en tiempo real, descarga de música en línea y por supuesto navegación a través de contenidos de Internet. En este escenario ya se habla de convergencia de servicios y redes, los cuales ya están siendo especificados por la organización 3G Partnership Project (3GPP), la cual propone una arquitectura llamada IP Multimedia Subsystem (IMS), donde se puede acceder desde cualquier red a una gran variedad de servicios. Este proceso de convergencia hace necesario realizar planificaciones que tengan en cuenta el interfuncionamiento de estas redes y los posibles escenarios que éstas conllevan. Es por esto que en este documento se aborda la planificación de redes Global System for Mobile Communications-Enhanced Data Rates for Global Evolution (GSM-EDGE), que corresponde al estándar y evolución que opera mayoritariamente en Chile, y Universal Mobile Telecommunications System – Wideband Code Division Multiple Access (UMTS-WCDMA), que es la evolución a tercera generación del estándar GSM. Por el lado de las redes inalámbricas de datos se abordan WiFi, debido a su historia como la primera red LAN inalámbrica con mayores prestaciones, y WiMAX, debido a su carácter de tecnología emergente y a sus capacidades. La planificación de redes inalámbricas puede tener diferentes enfoques o criterios a partir de los cuales se realice. En este documento se revisa la planificación de cobertura, capacidad y frecuencia para cada una de las tecnologías antes mencionadas, se realiza una comparación desde el punto de vista de despliegue y se revisan ciertos escenarios de interfuncionamiento. A continuación se entrega una breve descripción de los capítulos que componen el documento.

1

Datos entregados por el Centro de Estudio de Economía Digital de la Cámara de Comercio de Santiago (CCS). 1

En el capítulo de Antecedentes se hace una revisión sobre el proceso de planificación y temas que están en directa relación con las tecnologías abordadas en el documento, además de ciertos términos que son utilizados en las redes inalámbricas. En el capítulo de Metodologías se aborda la planificación de cobertura, capacidad y frecuencia para WCDMA, GSM/General Packet Radio Service (GPRS)/EDGE, WiFi y WiMAX en forma separada además del marco de trabajo utilizado en la comparativa de tecnologías. En el capítulo de Resultados se caracterizan algunas herramientas, comerciales y gratuitas, utilizadas en la planificación de redes. Se indican las líneas generales y parámetros a considerar en el proceso de co-planificación de una red WCDMA-GSM, para luego presentar los resultados de la comparación entre las 4 tecnologías desde el punto de vista de la planificación de capacidad, cobertura y frecuencia, donde se consideró un área equivalente al de la comuna de Vitacura y sus datos de población y viviendas. En el capítulo de Discusiones, además de debatir los resultados obtenidos y los aspectos concernientes a la memoria, se revisan dos posibles escenarios de despliegue de una red WiMAX y sus probables interacciones con WiFi. En el capítulo de Conclusiones se analizan los resultados obtenidos en la comparativa, además de la posible evolución y convergencia de estas redes. Por otro lado se revisan algunas líneas de continuación de este trabajo. Por último en el capítulo de Anexos se explican con mayor detalle las distintas tecnologías abordadas, los modelos de propagación utilizados en la planificación de cobertura y ejemplos de funcionalidades de herramientas como Predicplan. Por otro lado se profundiza en temas particulares de la planificación de cobertura y de capacidad.

1.1. Motivación La convergencia de servicios y tecnologías que está y estará ocurriendo en la telefonía celular y en la Internet de banda ancha inalámbrica, hacen necesario poder maximizar el uso de los recursos, en especial el espectro radioeléctrico. Para esto, además de considerar los parámetros que generalmente se utilizan al momento de desplegar una red inalámbrica, se deberán tomar en cuenta los posibles escenarios que provoquen esta convergencia, en parte por las diferencias de capacidades de las tecnologías. En WiMAX, por ejemplo, se tiene una mayor cobertura, kilómetros, al utilizar sólo una antena en comparación con WiFi, que tiene un alcance máximo aproximado de 150 metros en zonas sin obstáculos. De esta forma WiMAX representa un punto a resaltar como parte de la motivación, debido a su carácter de tecnología emergente su planificación un tema en pleno desarrollo. Es en este contexto donde se sitúa el trabajo de título a desarrollar, en particular se busca presentar metodologías, criterios y herramientas que permitan planificar el lugar de ubicación de las antenas y estaciones base, frecuencia a utilizar, además de la capacidad y cobertura que debe tener cada antena. Todo esto se realiza para redes WiMAX, WiFi, GSM y UMTS-WCDMA, analizando la planificación complementaria de estas tecnologías y definiendo las directrices de cómo abordar este empalme de tecnologías en nuestro país. 2

1.2. Objetivos Generales y Específicos 1.2.1. Objetivo General El objetivo general del presente trabajo es revisar los posibles escenarios de interfuncionamiento que se presentarán al despliegue de tecnologías celulares de tercera generación y de redes inalámbricas de datos de alta velocidad. Esto a la luz de la revisión de la planificación de cobertura, frecuencia y capacidad de cada tecnología por separado. Se abordará GSM y UMTS-WCDMA en el ámbito de las redes celulares y en el de las redes inalámbricas de datos se revisará WiFi y WiMAX.

1.2.2. Objetivos Específicos Los objetivos específicos para llevar a cabo el trabajo de título son los siguientes. • Recolectar la información necesaria para poder desarrollar el tema, en particular obtener información sobre planificación de redes WiFi y GSM además de las propuestas de planificación para WiMAX y UMTS-WCDMA. • Presentar criterios y metodologías para la planificación de redes celulares de próxima generación y de Internet de banda ancha inalámbrica (WiMAX). En particular abordar los temas planificación de frecuencia, capacidad y cobertura. • Dentro de los criterios a revisar se pretende abordar estudios de capacidad, frecuencia y cobertura a través del cálculo de radioenlace. • Entregar las líneas a seguir en la planificación de una red UMTS-WCDMA que complemente con la red GSM. • Presentar escenarios de interfuncionamiento de redes WiMAX con redes WiFi. • Uso y/o programación de herramientas en alguno de los tipos de planificación. • Comparar las 4 tecnologías ante un despliegue de una zona determinada, con ciertas hipótesis simplificatorias.

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Capítulo 2 Antecedentes 2.1. Planificación La planificación según el diccionario de la RAE es un “Plan general, metódicamente organizado y frecuentemente de gran amplitud, para obtener un objetivo determinado…”. De la definición se debe rescatar que la planificación es un proceso metódico, el cual busca lograr en forma satisfactoria un conjunto de objetivos previamente establecidos. Se considera que la planificación es un proceso de toma de decisiones en donde se pueden distinguir ciertas etapas. • Identificación del problema. • Desarrollo de alternativas. • Elección de la alternativa más conveniente. Para obtener una definición orientada a la ingeniería y en especial a las telecomunicaciones se consulto un documento de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), [1], el cual entrega la siguiente definición a la planificación de redes “…consiste en la utilización de métodos científicos para optimizar las inversiones y para dimensionar los equipos…con el objeto de cumplir objetivos realistas (en función de los recursos disponibles) definidos previamente…”. Esta es sin duda la definición bajo la cual se trabaja en este documento, donde los métodos científicos son, por ejemplo, en el caso de la planificación de cobertura, la utilización de un modelo de propagación y el cálculo del radioenlace. Los objetivos generales del plan pueden buscar abarcar una cierta cantidad de usuarios o una determinada área, por nombrar algunos, ya que estos variarán de acuerdo a la estrategia de cada operador. La planificación de toda red de telecomunicaciones debe tener en cuenta las limitaciones técnicas y económicas, así como las disposiciones legales dictadas por la Subtel en Chile y las recomendaciones de las organizaciones de estandarización como IEEE y UIT. Los resultados de la planificación de redes deben incluir previsiones preliminares de: • Recursos financieros necesarios. • Equipo necesario. • Mano de obra necesaria. En [1] se establece que al momento de planificar redes se deben distinguir dos clases: Planificación estratégica, que proporciona las directrices de la estructura básica que ha de seguirse en la red. Este tipo de planificación es estratégica, tanto en el sentido de la ubicación como en el de la competencia. 4

Planificación de realización, que facilita la vía concreta para establecer las inversiones. En ésta se definen los proyectos que permiten llevar a cabo el despliegue de las redes entre otras actividades. Cada una de estas clases genera dos tipos de planes: Planes de desarrollo, que determinan cuantitativamente el equipo necesario de cada tipo para alcanzar los objetivos fijados. Planes técnicos, que tratan de los métodos utilizados para elegir e instalar los equipos con objeto de garantizar una explotación satisfactoria, en lo que concierne a la calidad de servicio requerida. Los planes técnicos también son comunes a toda la red para asegurar su futura flexibilidad y compatibilidad entre todas las partes que la componen.

Figura 2-1: Diagrama con la relación entre clases de planificación y tipos de planes. [1]

En la Figura 2-1 se muestra un esquema donde se ven los diferentes tipos de planificación propuestos por la UIT.

2.1.1. Planificación General de Redes En la sección anterior se definió los dos tipos de planes propuestos por la UIT, en los siguientes párrafos se abordan en forma breve los planes de desarrollo y los planes técnicos fundamentales, estos últimos resultan ser un caso particular para la planificación estratégica, ver Figura 2-1.

2.1.1.1. Planes Técnicos Fundamentales Estos planes tienen como objetivo entregar las directrices para el diseño, construcción y utilización de las redes, en cierta manera para estandarizar el procedimiento y hacer más eficiente este proceso. Los planes técnicos fundamentales se caracterizan por ser más generales, lo cual se debe a que están dentro de la clase de planificación estratégica. En la Figura 2-2 se muestran los planes técnicos fundamentales y las flechas indican la interrelación entre ellos. Como se puede observar el plan de calidad de servicio, de grado de servicio, de seguridad de funcionamiento, de mantenimiento y operaciones se agrupan juntos.

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Figura 2-2: Relación entre los Planes Técnicos Fundamentales. [2]

En la memoria que está realizando el Sr. Rodrigo Iga J., [2], se abordan en detalle cada uno de los planes fundamentales citados en la Figura 2-2.

2.1.1.2. Planes de Desarrollo Los planes de desarrollo conllevan un proceso de perfeccionamiento progresivo que se basa en la disminución del tiempo de previsión, lo que se traduce en una mayor fiabilidad de los datos en que se basa el plan. Este tipo de planes puede abarcar periodos de años constituyendo el resultado de un estudio detallado que permite escoger la estrategia más adecuada a partir de las soluciones encontradas. La estructura de estos planes es tal que aseguran un desarrollo coordinado de la red y en forma documentada.

2.1.1.3. Etapas de la Planificación A partir de la Figura 2-1 no se puede distinguir en forma clara las fronteras entre los diferentes tipos de planes, pero si se pueden distinguir las cuatro etapas principales en la elaboración de éstos. • • • •

Planificación estratégica. Planificación a largo plazo con planes maestros. Planificación a mediano plazo con proyectos. Planificación a corto plazo con programas anuales.

En la Figura 2-3 se muestra la relación que existe entre cada una de las etapas listadas anteriormente. Se aprecia una naturaleza secuencial, lo cual proviene tanto por el parámetro tiempo como en el detalle de cada plan. En la memoria que está realizando el Sr. Rodrigo Iga J., [2], se revisan cada una de éstas etapas.

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Figura 2-3: Relación entre las distintas etapas de elaboración de los planes. [1]

2.1.2. Proceso de Planificación En esta sección se revisan en forma breve las etapas del proceso de planificación establecidas en la recomendación UIT “Planificación general de la red” [1].

Previsión de la Demanda En la previsión de la demanda se específica la evolución del número de usuarios que tendrá la red y el tráfico que deberá soportar cada punto en un determinado período, generalmente un año. Esta evolución está determinada por los resultados de los objetivos globales de cantidad y calidad de servicio anuales para el período en estudio. Los métodos utilizados para la previsión de la demanda no deben ser pasivos, es decir, no se puede sólo extrapolar la tendencia previa. Deben ser métodos activos que permitan considerar la evolución de los objetivos globales de la planificación.

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En el corto plazo esta etapa permitirá prever la saturación de algún equipo con la antelación suficiente para llevar a cabo las acciones necesarias de expansión antes de que ésta ocurra. A largo plazo permitirá determinar la evolución de la red, las posibles necesidades de mano de obra, permisos y licitaciones, además de las financieras.

Previsiones del Tráfico Los métodos de dimensionamiento y optimización de las redes se basan en las previsiones del tráfico. En estas previsiones se pueden utilizar mediciones de tráfico, cuando es posible, pero generalmente están basadas en hipótesis del planificador relativas al tráfico promedio por usuario y la distribución del mismo en la zona de estudio.

Optimización y Dimensionamiento El objetivo de la optimización de una red es el de encontrar el mejor plan de desarrollo de la misma. En este proceso de optimización la dificultad radica en la elección de los criterios de optimización, de modo que se puedan comparar distintas soluciones desde un punto de vista cuantitativo y objetivo. Los criterios que son propuestos en [1] son listados a continuación, donde éstos deben ser aplicados como preguntas que se debe responder el planificador. • El plan de desarrollo contribuye a que se alcancen los objetivos de la administración general. • El plan es compatible con la política general de desarrollo de la red y con los planes estratégicos. • El plan ha de ser más económico. • El plan ha de tener en cuenta las exigencias en recursos y de financiación. • El plan ha de asegurar una buena flexibilidad para la evolución de la red.

Evaluación Económica En la evaluación económica de un plan se debe tener en cuenta principalmente los costos incurridos en equipos, en permisos, en licitaciones y mano de obra. Los costos relacionados a los equipos cambian entre fabricantes y entre familias de equipos, la elección de una determinada línea y fabricante dependerán en parte de la duración del plan.

Comparación entre las Diferentes Soluciones Para determinar cual será el plan que finalmente se llevará a cabo se debe comparar en forma objetiva cada una de las soluciones utilizando los siguientes puntos. • • • • • •

Servicios y calidad de servicio. Costo de la primera inversión. Comparación a través del valor actualizado de los costos anuales. Gastos de explotación. Seguridad de la estructura de la red. Flexibilidad de la evolución de la red.

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2.1.3. Planificación de Recursos [3] En la mayoría de los planes lo que se está planificando son los recursos con que se dispone o que son necesarios para lograr determinados objetivos. Las redes de telecomunicaciones no es un caso aparte y en particular en este documento, donde se aborda la planificación de capacidad, cobertura y frecuencia, las cuales fácilmente pueden ser asociadas a los recursos necesarios para lograr ofrecer ciertos servicios. En los siguientes párrafos se aborda en forma breve la planificación de recursos, dando una descripción de sus etapas y principales características. En la literatura es posible encontrar la planificación de recursos dividida en varias etapas cuyo número varía de acuerdo al autor, en la Figura 2-4 se muestran las etapas más recurrentes. Las etapas presentadas en la Figura 2-4 siguen un orden jerárquico, donde cada etapa tendrá sus objetivos específicos, pero cada uno de éstos tomará en cuenta los objetivos de nivel superior e inferior. El nivel de detalle que demande cada planificación está fuertemente correlacionado con el horizonte de tiempo, una planificación a corto plazo requiere de detalles más concretos. Mientras más largo es el horizonte de tiempo menos atención se le da a las tareas individuales, priorizando una vista general e integrada. La planificación estratégica corresponde a los planes globales a largo plazo desarrollados por la dirección más alta de la empresa y generalmente éstos involucran periodos de años. Sus objetivos fundamentales son estructurar una estrategia de planificación y desarrollar un plan de explotación a largo plazo.

Figura 2-4: Etapas de la planificación.

La planificación táctica es una capa de fusión entre la planificación operativa y la estratégica. En esta etapa se implementan planes que estructuran necesidades de capacidad y recursos en periodos de tiempo que pueden abarcar meses. Una vez concluido la planificación táctica el siguiente paso consiste en traducirlo a unidades o ítems finales específicos. Este proceso es lo que se conoce como desagregación del plan táctico y su resultado final se denomina programa maestro de producción [4].

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En [5] se abordan con más detalle estos temas en donde el autor postula una visión integrada de la planificación, tanto vertical como horizontal. Está integración vertical se refiere al enfoque jerárquico de las etapas y la integración horizontal se refleja en las relaciones que debe haber con el resto de las entidades dentro de la empresa para obtener un buen control de lo planificado.

2.1.4. El Radio Planning como un Servicio La planificación de redes inalámbricas no es una tarea menor aún para grandes empresas de telecomunicaciones, por lo cual existen empresas alrededor del mundo que se dedican a la asesoría de planificación de redes y en especial las inalámbricas. Estos servicios son conocidos como de Radio Planning o Planning simplemente. Generalmente estas empresas además de su panel de expertos tienen herramientas de planificación propias como las citadas en el capitulo de Resultados. Es común ver empresas fabricantes de equipos que ofrezcan sus servicios de planificación como parte de un paquete completo, donde además ofrecen soporte y facilidades para la implementación de la evolución de las mismas. La siguiente lista entrega un resumen de los servicios más comunes entre las diversas empresas. • • • • •

Modelamiento de las propagaciones de las señales. Planificación de frecuencia. Análisis del diseño de la red inalámbrica Administración de proyecto (Project management), durante la vida del proyecto. Profesionales experimentados: ƒ Planificadores de redes inalámbricas. ƒ Administradores de planificaciones inalámbricas. • Cursos de capacitación.

La mayoría de las empresas que ofrecen estos servicios no se especializan en una tecnología, sino que abarcan las 4 tecnologías estudiadas en este documento. Un ejemplo de la asociación entre empresa fabricante y operador es Ericsson y Entel, para la implementación de una red 3.5G en Chile. Por lo general son grandes empresas las que contratan los servicios de planificación, ya sea para la expansión de sus redes o para el despliegue de una tecnología nueva.

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2.2. Planificación de Cobertura En la planificación de cobertura de cualquier red inalámbrica se utilizan modelos de propagación, ver anexo C, los que permiten estimar las pérdidas que sufren la señales por distintos motivos. De la mano con los modelos de propagación está el proceso de cálculo del radioenlace, en el cual se especifican las ganancias, pérdidas y márgenes, cuando corresponda, de cada elemento que participa en un enlace. De esta forma es posible obtener una aproximación de la potencia a la cual se debe transmitir, si se quiere cierta área de cobertura. La precisión de esta estimación dependerá del modelo utilizado junto a los datos que representen la geografía del área en estudio. El cálculo del radioenlace permite obtener el valor máximo al cual pueden llegar las pérdidas por propagación. En la Expresión 2-1 se muestra la expresión general y simplificada de este cálculo, donde Pt corresponde a la potencia de transmisión en decibeles (dB)2 o en dBm, Gt y Lt son las ganancias y pérdidas totales del sistema en dBi3 y dB, respectivamente, y Pr-min es la potencia mínima de recepción, en dB o dBm, la cual corresponde a la sensibilidad del receptor. Pr −min = Pt + Gt − Lt Expresión 2-1: Cálculo simplificado del radioenlace.

Lt corresponden a la suma de todas las pérdidas que posee el sistema, incluyendo las pérdidas por propagación, pérdidas por conectores, cables y márgenes por desvanecimientos. Por otro lado en Gt se incluyen todos los mecanismos que mejoran la señal recibida, por ejemplo, ganancia por diversidad, entre otras. La potencia mínima de recepción o sensibilidad corresponde a un parámetro de los equipos con los cuales se está trabajando, pero a la vez éste puede ser calculado a través de la Expresión 2-2, lo que permite especificar al equipo. Pr − min = SNRrx + 10 log10 (W ) + F + N 0 Expresión 2-2: Potencia mínima de recepción.

Donde SNRrx es la razón señal a ruido requerida en dB, W corresponde al ancho de banda efectivo del canal en Hertz (Hz), F es el parámetro noise figure en dB y N0 corresponde al ruido termal en dBm. Con la Expresión 2-3 se obtiene el valor del ruido termal para una temperatura dada, T, en grados Kelvin y k corresponde a la constante de Boltzman. N 0 = 10 ⋅ log10 (kT k = 1.38 × 10 − 23

) 10 −3 [J / K ]

Expresión 2-3: Ruido termal.

dB ó dBW corresponde al nivel de potencia en decibeles relativo a 1 Watt y un dBm es lo mismo pero relativo a 1 mílesimo de Watt (mW). 3 Las ganancias, además de poder expresarse en dBi pueden ser expresadas y utilizadas en las expresiones en dB. 2

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Hoy en día existen herramientas, generalmente comerciales, que realizan planificación de cobertura (incluyendo el cálculo del radioenlace). Estas herramientas utilizan información acerca de la geografía y edificaciones de la zona en la cual se quiere desplegar la red, lo cual permite obtener cálculos y predicciones más precisos. Cuando se realiza la planificación de cobertura, lo que se hace es calcular las pérdidas tanto en el enlace de subida (UL) como en el de bajada (DL), una vez hecho esto se considera el peor caso que generalmente resulta ser el UL y se toman medidas acordes, como aumentos de potencias de radiación, una mejor disposición de las antenas, etc. hasta lograr cierto balance. El balance se realiza para que el alcance de los enlaces UL y DL sean iguales y de esta forma no exista lugares en donde el Mobile Station (MS) tenga un nivel de cobertura bueno, pero no pueda concretar la llamada porque el alcance del MS no lo permita. Como se mencionó en el párrafo anterior el enlace UL resulta ser generalmente el enlace crítico, y el que finalmente determina el tamaño de las celdas. Esto porque depende de la potencia de transmisión de los equipos de los usuarios, que siempre resultan poseer potencias y ganancias mucho menores que el de las estaciones base.

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2.3. Planificación de Capacidad El enfoque o los criterios a utilizar dentro de una planificación de capacidad depende de muchos factores, entre los cuales se pueden contar la capacidad actual de la red, si es que la hay, la estrategia de despliegue que tendrá el operador y el escenario competitivo. La estrategia de despliegue dependerá en gran medida del factor de riesgo que tenga la tecnología a utilizar, es decir, que tan difundida y utilizada es alrededor del mundo. Un ejemplo de aquello fue la implementación, por parte de Entel, de la tecnología GSM en Chile, la cual en ese entonces no se definía como el gran estándar que hoy conocemos, siendo en su momento una tecnología con un factor de riesgo relativamente alto. El objetivo de la planificación es adecuar la capacidad de la red en función de la variación de la demanda en el tiempo. La variación de la capacidad puede tener una tendencia creciente y constante o puede ser sólo estacional, lo que determina la necesidad de establecer estrategias pertinentes para el ajuste de la capacidad, es decir, hay que establecer horizontes de planificación a Largo Plazo, Mediano Plazo, Corto Plazo o Plazo Inmediato para ubicar correctamente el problema de la capacidad. La memoria realizada por el Ingeniero Cesar Lazcano C., [3], responde fuertemente al proceso de planificación de capacidad en donde se destacan las metodologías para llevar a cabo un buen proceso, desde la preparación para establecer las entradas hasta las herramientas para cuantificar los resultados. Gran parte de esta sección esta inspirada y tomada del trabajo realizado por Lazcano.

2.3.1. Definición de Capacidad Para poder realizar la planificación de capacidad se debe definir que se entenderá por capacidad. En [3] se define capacidad como “la cantidad de producto o servicio que puede ser obtenido por una determinada unidad productiva durante un cierto periodo de tiempo”, la cual a su vez corresponde a una definición obtenida de [5]. Uno de los principales retos que deben enfrentar los planificadores consiste en definir una unidad de medida que les permita determinar la capacidad disponible, la que puede basarse en los recursos que utiliza determinados servicios o simplemente en tasas de transferencia. Esta unidad depende de cada tecnología, en particular la capacidad de las redes inalámbricas está determinada por los recursos de radio, y su unidad puede ser por ejemplo un time slot en el caso de las redes GSM.

2.3.2. Diseño del Proceso La metodología para diseñar un proceso de planificación de capacidad puede realizarse a través de varios enfoques, el presentado a continuación lo hace mediante la personalización de los servicios, de modo de ajustarse a los requerimientos de los usuarios [7]. El objetivo es presentar los elementos necesarios del proceso de la forma más general posible. En la memoria realizada por el Sr. Lazcano se aborda este mismo diseño además de la revisión en detalle de cada etapa del proceso. Los pasos o etapas de la metodología del proceso de planificación 13

se definen en el esquema presentado en la Figura 2-5. Las etapas son: el levantamiento de requerimientos, el diseño y la presentación de resultados. La primera etapa consiste en definir los requerimientos del proceso. Esta etapa esta dividida en dos subetapas. La primera define los requerimientos generales, que en redes inalámbricas pueden fácilmente ser los mismos en cada tecnología. La segunda etapa presenta metodologías que entregan conocimientos para definir los requerimientos que son específicos para cada plataforma.

Figura 2-5: Esquema de la metodología para el diseño del proceso.[3]

A continuación las cuatro etapas que son parte del “diseño” del sistema definen de forma global el proceso, donde se describirán puntos importantes como: las definiciones de variables y las actividades principales. La etapa de diseño concluye con la etapa de algoritmos y procedimientos que permite acercar los objetivos del proceso. En la última etapa se presentan los resultados de modo que se puedan realizar los análisis necesarios para la implementación de los planes de capacidad. Estas etapas deben realizarse de forma consecutiva. Conocer estas etapas es relevante para el planificador, ya que cuando éste desee realizar algún cambio al proceso de planificación se deberán ajustar ciertos parámetros del proceso, con tal de obtener un mejor desempeño y optimizar el funcionamiento de cada uno de los subprocesos y actividades realizadas dentro del proceso.

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2.3.3. Índices de Capacidad. Los índices de capacidad son herramientas que permiten visualizar los resultados del proceso de planificación. Existen diferentes metodologías para realizar esta tarea y a continuación se listan algunas. • • • •

Tablas y gráficos de estados actuales de capacidad. Gráficos de evolución histórica de la capacidad. Definición de variables en base a pronósticos (Días Inventario). Tablas y gráficos con pronósticos, incluyendo certeza de los valores.

En la memoria del Sr. Lazcano se aborda en particular la representación de los resultados a través de los días inventario. Los “días inventario” permiten cuantificar el tiempo que nuestra red o sistema en general será capaz de soportar sin mayores cambios, suponiendo una tasa constante de crecimiento de la demanda, la cual puede ser una estimación o la demanda que presenta en la actualidad la red o sistema. La siguiente expresión define los días inventario en base a la capacidad:

Días

Inventario =

Capacidad Libre × 30 tasa de crecimiento × Factor promoción

Expresión 2-4: Días inventario en función de la capacidad disponible. [3]

Los días inventario son una medida que depende de tres parámetros: el ritmo de consumo, la capacidad libre y el factor de consumo. La tasa de crecimiento es una medida que indica la tendencia del consumo de recursos, la cual se puede definir de diferentes maneras. Algunas de éstas son en base a promedio de consumo en periodos, en base al último periodo, etc. La manera más representativa es calcular una medida estadística, como medias móviles o suavizado exponencial. El factor de promoción puede ser determinado en función de la dispersión de los datos de la tasa de crecimiento. La capacidad libre corresponde a la capacidad que hemos planificado, tanto en el caso del despliegue de una red nueva como en la expansión de una.

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2.4. Planificación de Frecuencia El objetivo de la planificación de frecuencia es disminuir la interferencia entre celdas que utilizan los mismos canales o adyacentes. El tipo de antenas a utilizar son parte del proceso de planificación de frecuencia de una red inalámbrica, ya que si se utilizan antenas omnidireccionales se obtiene un mayor nivel de interferencia entre celdas contiguas que al utilizar antenas direccionales. Es por esto que tecnologías como GSM y WiFi utilizan estas últimas. El uso de estas antenas en tecnologías como WCDMA se debe probablemente a que se utilice más de un canal para una determinada área y por lo tanto se busque minimizar la interferencia, lo cual puede reflejarse directamente en una mayor capacidad de clientes o de mayores tasas de transferencia. En la Figura 2-6 se muestra el proceso conceptual de la planificación de frecuencia, donde se puede apreciar que es un proceso secuencial, lo cual provoca que la calidad de los resultados obtenidos con la planificación de frecuencia dependan de las etapas previas. Esto significa que todas las deficiencias o simplificaciones hechas en las predicciones de propagación se verán reflejadas en el plan de frecuencias final. El proceso de planificación comienza realizando las predicciones de propagación, luego a la luz de esta información se calcula la cobertura para establecer el nivel de interferencia entre celdas, con lo cual se construye una matriz de interferencia, donde el elemento хij de la matriz representa la posible interferencia, de la celda j en los MSs de la celda i. Por último en base a la matriz de interferencia, las restricciones de separación entre celdas y los requerimientos de las TRX4 se realiza el plan de frecuencia.

Figura 2-6: Proceso de planificación de frecuencia. [8]

Cada uno de los pasos antes mencionados son realizados utilizando herramientas computacionales, donde la precisión de los resultados dependerá, en primera instancia, del modelo 4

TRX es un equipo utilizado para transmitir y recibir información en al menos una frecuencia. 16

de propagación que se utilice y luego el nivel de precisión de los mapas. En este punto se tiene un compromiso entre precisión, costos económicos y trabajo computacional, ya que a medida que se utiliza un mapa más detallado, más difícil será de construir (mayor costo) y demandará mayores tiempos de procesamiento. Debido a las dificultades que se presentan para obtener un buen resultado en la planificación de frecuencia, en [8] se propone utilizar las mediciones de la intensidad de la señal que realiza cada MS de la red, lo cual tiene además la ventaja de tener en forma implícita la distribución de los usuarios. Claro está que este método puede ser utilizado por operadores que ya han desplegado sus redes, y desean aumentar su capacidad o cobertura. La planificación de frecuencia es un tópico importante para los operadores al momento de la planificación, porque sólo lograrán obtener el máximo desempeño de su red, para un determinado número de frecuencias, si éstas son reutilizadas en forma óptima.

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2.5. Planificación de Redes Inalámbricas El proceso de planificación de las redes inalámbricas puede ser dividido en tres fases (ver Figura 2-7). • Planificación inicial o dimensionamiento. • Planificación de detalle, donde se incrementa el nivel del detalle de cada una de las actividades. • Optimización, operación y mantenimiento.

Figura 2-7: Fases de la planificación de una red inalámbrica. [6]

La secuencia de pasos y procesos presentados en la Figura 2-7 corresponden a un diagrama general, por lo cual eventualmente habrán etapas o procesos que serán distintos entre tecnologías o que simplemente no habrán. Por ejemplo en el caso de la telefonía celular, la tecnología de acceso es distinta para 2G y 3G (2G utiliza Time Division Multiple Access (TDMA)/ Frequency Division Multiple Access (FDMA) y 3G utiliza Code Division Multiple Access (CDMA)/WCDMA). En la sección A del anexo se hace una breve revisión de la evolución de las redes de telefonía móvil. Por otro lado, los aspectos comunes que habrán en la planificación serán la predicción y cálculo de la cobertura, aunque posiblemente se utilicen distintos modelos de propagación.

2.5.1. Dimensionamiento de la Red En esta fase se debe estimar el número de emplazamientos necesarios, su configuración, enlaces entre estos, elementos de red, las capacidades necesarias para cubrir la zona de interés y los requerimientos de los clientes en ésta. 18

Esta planificación inicial proporciona una rápida evaluación de los elementos de red, tanto de la red de acceso como de la red troncal y de transporte, lo que permite obtener una primera aproximación de los costos asociados y de la inversión necesaria. Para desarrollar esta fase es necesario contar con información sobre los usuarios, como la distribución de éstos y una estimación de la demanda de servicios de datos. También se debe obtener una aproximación del crecimiento anual de usuarios y de la demanda de los distintos servicios. Otro aspecto esencial es la calidad de servicio, la cual también se debe estimar.

2.5.2. Planificación Detallada En la planificación detallada se tiene la información de la ubicación definitiva de los emplazamientos y por lo tanto las condiciones de propagación que se tendrán en cada uno de éstos. En esta fase es necesario contar con información lo más certera posible de la distribución de los usuarios. Generalmente en esta fase se utiliza una herramienta computacional, que permite ver de forma gráfica la cobertura de cada uno de los emplazamientos. Los datos que comúnmente son utilizados como entradas a estas herramientas de planificación son:

• Además de bases de datos cartográficas, la cuales conviene que tengan gran detalle, es muy útil información acerca de la altura de los edificios en zonas urbanas. • Distribución y ubicación exacta de los emplazamientos, además de los parámetros de éstos como los son el tipo de antena, potencia, sensibilidad de los equipos, etc. • Distribución del tráfico en forma de mapa de usuarios.

Para el último punto una buena referencia, para los operadores de GSM, es el tráfico actual para los servicios que estén en operación. Para las redes de datos inalámbricas se puede utilizar la información del tráfico que se presenta en las redes fijas y estimaciones de acuerdo al servicio que se está ofreciendo. Después de todo este proceso se obtendrán indicadores de cobertura, capacidad y calidad de servicio necesarios para realizar análisis de la red y ver posibles carencias o sobreestimaciones.

2.5.3. Optimización Esta última fase es iterativa y consiste en lograr obtener una red que optimice capacidad, cobertura, costos y calidad. Este proceso de optimización es un continuo de medidas y ajustes, donde existe un evidente compromiso entre lo que es el costo y las otras 3 variables. Es en este proceso donde se pueden apreciar los beneficios de haber realizado una buena planificación, al momento de realizar el despliegue de la red base, ya que se hará más fácil y/o con menores costos los posibles cambios que se deban realizar debido a ampliaciones o al paso a una nueva tecnología.

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2.6. Arquitecturas de Tecnologías de Telefonía Móvil [9] Tanto para GSM como para UMTS-WCDMA se define la red móvil como PLMN que es el acrónimo de Public Land Mobile Network. PLMN corresponde a la red completa de un operador en donde conviven servicios en base a la conmutación de paquetes y circuitos. Tal vez sea necesario para el lector consultar la sección B del anexo, donde se revisan conceptos y definiciones utilizados en las descripciones de las componentes de la arquitectura de las redes celulares. En esta sección del anexo, además se abordan con mayor detalle las entidades revisadas a continuación.

2.6.1. Entidades del Core Network (CN) Las entidades que están presentes en el CN pueden ser clasificadas de acuerdo al dominio que pertenezcan, es decir, si utilizan conmutación de paquetes (PS: Packet Switched) o de circuitos (CS: Circuit Switched). Las entidades que son listadas a continuación fueron clasificadas de acuerdo a esta característica, abordando primero las que son comunes a ambos dominios.

2.6.1.1. Entidades Comunes a los Dominios PS Y CS 2.6.1.1.1. Home Subscriber Server (HSS) El HSS es la base de datos maestra para un conjunto dado de usuarios. Es la entidad que contiene información relacionada con la suscripción, servicios que tiene habilitado o que puede utilizar el usuario y que da este soporte a las entidades que manejan las llamadas/sesiones. El número de HSSs que se utilicen en una red dependerá de la capacidad de los equipos, el número de usuarios y de la organización de la red.

2.6.1.1.2. Home Location Register (HLR) El HLR puede ser considerado como una parte de la HSS. Es la entidad en la cual se almacenan información de los usuarios asociados con un determinado operador. Generalmente habrá un HLR por PLMN, el cual podrá estar distribuido en más de una base de datos, por efectos de limitaciones de capacidad. Dentro de los datos que se almacenan están los servicios a los cuales puede acceder cada usuario, además de información más detallada de la tarjeta Subscriber Identity Module (SIM).

2.6.1.1.3. Authentication Centre (AuC) El AuC puede ser considerado como una parte de la HSS. Es la entidad que realiza la autentificación del MS (tarjeta SIM o UMTS Subscriber Identity Module (USIM)), generalmente al momento en que el MS es encendido, además de ser la encargada de generar claves para encriptar la comunicación entre el MS y la red. 20

2.6.1.1.4. Visitor Location Register (VLR) Un MS en roaming en un área Mobile-services Switching Centre (MSC) es controlado por el VLR. Cuando un MS entra a una nueva área de localización comienza el procedimiento de registro. Un VLR puede estar a cargo de una o varias áreas MSC.

Figura 2-8: Diagrama de la arquitectura GSM.

2.6.1.1.5. Equipment Identity Register (EIR) El Equipment Identity Register (EIR) en el sistema GSM es una entidad lógica, la cual es responsable de almacenar en la red el International Mobile Equipment Identities (IMEIs), el cual permite identificar de manera única cada ME.

2.6.1.2. Entidades en el Dominio CS 2.6.1.2.1. Mobile-services Switching Centre (MSC) El MSC constituye la interfaz entre el sistema de radio y la red fija. El MSC realiza todas las funciones necesarias para manejar los servicios de conmutación de circuitos desde y hacia los MSs.

2.6.1.2.2. Gateway MSC (GMSC) Cuando se origina una llamada a un MS perteneciente a otra PLMN ésta debe ser ruteada al MSC correspondiente, la entidad que lleva a cabo esta función es el Gateway MSC (GMSC). La elección de cual será el MSC que actúe como GMSC es una decisión del operador, pudiendo ser todos o sólo uno. 21

2.6.1.3. Entidades en el Domino PS 2.6.1.3.1. Serving GPRS Support Node (SGSN) Esta entidad es la encargada de transformar la información, en formato “radio”, recibida desde los Base Stations Controllers (BSCs) y encapsularla en el protocolo GPRS Tunneling Protocol (GTP), además de la información necesaria para realizar los cobros por los servicios.

Figura 2-9: Diagrama de la arquitectura GSM-GPRS.

2.6.1.3.2. Gateway GPRS Support Node (GGSN) El GGSN es el responsable de tomar los paquetes GTP, enviados por el SGSN, desencapsularlos y enviarlos en paquetes IP hacia la red externa.

2.6.2. Entidades del Access Network (AN) Dos tipos diferentes de redes de acceso son usadas por el CN: El Base Station System (BSS) y el Radio Network System (RNS). El MSC (o el SGSN) pueden conectarse a una o ambas de estas redes de acceso.

2.6.2.1. Base Station System (BSS) EL BSS es el sistema de los equipos de la estación base (transceivers, controladores, etc.), que es visto por el MSC como la entidad encargada de la comunicación con el MS en un área determinada. El BSS consiste de un BSC y una o más Base Transceiver Stations (BTSs). Esta entidad junto al BSC y la BTS son propias del sistema GSM.

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2.6.2.1.1. Base Station Controller (BSC) Un BSC es un componente de la red, dentro de la PLMN, con las funciones necesarias para el control de una o más BTS.

2.6.2.1.2. Base Transceiver Station (BTS) Un BTS es un componente de la red que permite manejar el tráfico en una celda.

Figura 2-10: Diagrama del RNS de UMTS.

2.6.2.2. Radio Network System (RNS) EL RNS es el sistema equivalente al BSS, pero en la red evolucionada a 3G. El RNS consiste de un RNC y uno o más Nodos B.

2.6.2.2.1. Radio Network Controller (RNC) Un Radio Network Controller (RNC) es un componente de la red con las funciones que permiten controlar uno o más Nodos B. Es el equivalente al BSC en una red 3G.

2.6.2.2.2. Nodo B Un Nodo B es un componente lógico de la red que permite manejar el tráfico en una celda. Es el equivalente, en la red 3G, de una BTS.

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2.6.3. El Mobile Station (MS) El Mobile Station (MS) consiste en el equipo físico usado por un suscriptor de una PLMN; incluyendo el Mobile Equipment (ME) y el Subscriber Identity Module (SIM), ver Figura 2-11 (a), llamado en las especificaciones5 para la implementación de 3G como UMTS Subscriber Identity Module (USIM), ver Figura 2-11 (b). El ME incluye el Mobile Termination (MT), el cual dependiendo de la aplicación y el servicio puede soportar varias combinaciones de Adaptadores de Terminal (TA) y grupos funcionales de Equipos Terminales (TE).

(a)

(b)

Figura 2-11: Esquemas de los MS de GSM (a) y de UMTS (b).

En la sección B del anexo se muestra una figura con un diagrama general de la arquitectura de una red celular, que tiene implementado GSM y UMTS, donde es posible apreciar cada una de las entidades revisadas en esta sección.

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A partir del Release 99 de la organización 3GPP. 24

2.7. Arquitecturas de Redes de Datos Inalámbricas 2.7.1. Wireless Fidelity (WiFi) En el estándar 802.11 de la IEEE se definen 2 entidades: la estación inalámbrica (Wireless Station), la cual es usualmente un computador de escritorio o un laptop, y el Access Point (AP), el cual actúa como puente entre la red fija y la inalámbrica. Se puede decir que el AP funciona como la estación base de las redes celulares, permitiendo que varias estaciones inalámbricas se conecten a la red fija. Las estaciones inalámbricas para poder conectarse a los APs utilizan tarjetas PCMCIA que pueden ser conectadas y desconectadas en cualquier momento. Hoy en día la gran mayoría de los laptops que son vendidos en el mercado tienen incorporado la antena WiFi en su interior. Existen 2 modos de operación o configuración básica de un sistema 802.11, el modo “infraestructura” (infrastructure) y el “ad-hoc”.

2.7.1.1. Modo Infraestructura En este modo el dispositivo inalámbrico (estación inalámbrica) se comunica con la red fija, LAN, a través de los APs. Cada punto de acceso y las estaciones asociadas a éste son conocidos como un Basic Service Set (BSS). En cambio si en una subred hay dos o más basic services set, entonces al conjunto se le llama Extended Service Set (ESS). Los AP no sólo proveen del medio para la comunicación entre las LAN fijas y las inalámbricas, también manejan el tráfico de la red inalámbrica. Esta configuración es una de las más utilizadas debido que permite un mayor nivel de seguridad.

Figura 2-12: Diagrama de una red WiFi en modo infrastructure.

2.7.1.2. Modo Ad-hoc Este modo, también conocido como “peer-to-peer”, es la configuración más simple de una red LAN inalámbrica. En el modo “ad-hoc” las estaciones pueden comunicarse entre si directamente, sin 25

la necesidad de utilizar un AP. Bajo estas condiciones el conjunto es llamado Independent Basic Service Set (IBSS). Al utilizar esta configuración el área de cobertura se puede extender al utilizar los AP como repetidores.

Figura 2-13: Diagrama de una red WiFi en modo ad-hoc.

2.7.2. Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) La arquitectura de la tecnología WiMAX está constituida por 2 bloques principales, la estación base y el receptor WiMAX utilizado por los usuarios. Este último generalmente es denominado bajo la sigla CPE, Customer Premise Equipment. Se consideran sólo estos bloques ya que los estándares 802.16 no especifican alguna tecnología en especial para la conexión con el núcleo de la red [10].

2.7.2.1. Estación Base WiMAX La estación base WiMAX corresponde a los equipos que generalmente son ubicados en casetas con los resguardos de clima y energía necesarios en la mayoría de los equipos de telecomunicaciones. Una estación base teóricamente puede cubrir hasta 50 kilómetros, pero en la práctica se consideran alrededor de 10 kilómetros. Así como las antenas de las BSs de las redes celulares, las antenas WiMAX pueden ser omnidireccionales o direccionales [10].

2.7.2.2. El Customer Premise Equipment (CPE) WiMAX Un CPE o Equipo en las Dependencias del Cliente es un equipo que puede tener por separado la antena, venir todo integrado en una sola caja o ser un tarjeta PCMCIA que se ocupe en los laptops. El acceso a una estación base WiMAX es como acceder a una red WiFi, pero con una cobertura, tasas de transferencia y niveles de seguridad mayores [10].

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2.7.2.3. Arquitectura del Sistema [11] Los sistemas Fixed Broadband Wireless Access (FBWA) a menudo emplean arquitecturas del tipo multipunto (MP). La arquitectura MP incluye punto-multipunto (PMP) y mesh (MultiPunto a MultiPunto). El grupo de trabajo IEEE 802.16 ha desarrollado estándares en los cuales se especifican la interfaz de aire para los sistemas PMP y mesh. Los sistemas FBWA típicamente incluyen BSs, estaciones del suscriptor (SSs: Subscriber Station), terminales (TE), equipos del núcleo de la red, enlaces entre celdas, estaciones repetidoras (RSs; Repeater Stations) y posiblemente otros equipos. Un diagrama con un sistema FBWA se muestra en la Figura 2-14. Un sistema BWA puede ser mucho más simple de lo que se muestra en la figura y sólo contener algunos de los elementos. Un sistema FBWA debe contener al menos una Base Station (BS) y un cierto número de SSs. Para el entroncamiento entre estaciones base se puede utilizar enlaces inalámbricos, de fibra o par de cobre.

Figura 2-14: Diagrama de referencia de un sistema de Internet inalámbrica fija de banda ancha. [11]

En un sistema PMP los RSs son generalmente usados para mejorar la cobertura en lugares donde no se tiene línea de vista (LOS: Line Of Sight) dentro del área normal de cobertura o alternativamente para extender la cobertura de una BS en particular. Una estación repetidora retransmite la información desde la BS a uno o más SSs, también puede proporcionar conexión a SS locales. Los límites de la red FBWA están en las interfaces F y G que se muestran en la figura. La interfaz F corresponde a los puntos de conexión con el núcleo de la red y generalmente está estandarizada. La interfaz G, entre los SSs y los TE, puede estar estandarizada o ser dependiente de cada fabricante.

2.7.2.3.1. Sistemas PMP Los sistemas punto-multipunto (PMP) incluyen BSs, SSs y, en algunos casos, RSs. Las BSs utilizan antenas cuyos patrones son relativamente anchos, con lo cual se pueden utilizar dentro de 27

uno o más sectores para lograr la cobertura de 360°. El backhaul entre BSs no es parte de la red FBWA en si, pero lo más utilizado son enlaces microondas y fibra óptica.

2.7.2.4. Modelo de Red en el Caso de Comunicaciones Móviles [12] 2.7.2.4.1. Entidades El modelo de referencia de red incluye grupos de BSs, que proveen el servicio a los MSs autorizados en un área geográfica determinada. Los proveedores de redes pueden emplear servidores especializados para las acciones AAA (Authorization, Authentication and Accounting), administración, provisionamiento y otras funciones. Las entidades relacionadas con la movilidad en la tecnología WiMAX están descritas en la Tabla 2-1. Tabla 2-1: Entidades relacionadas con la movilidad en la tecnología WiMAX.

Entidad MS BS ASA Server(s)

Descripción Mobile Station; contiene las capas MAC y Física Base Station; ver sección 10.3.2.1 Authentication and Service Authorization Server, da servicios a toda la red del operador. El servidor es opcional, y puede ser implementado como una entidad distribuida.

Dependiendo de la configuración y las políticas administrativas de la red del proveedor, un MS puede realizar un handover 6de un BS a otro.

El proceso de handover hace referencia a la transición del usuario de una celda a otra contigua. En la sección 2.8.6 se entrega una explicación más extensa. 6

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2.8. Conceptos de Comunicaciones Inalámbricas Móviles 2.8.1. Reuso de Frecuencias y Formación de Cluster Al volver a utilizar una banda de frecuencia, que es utilizada como canal de comunicación, en celdas cercanas se produce interferencia degradando la calidad de la señal y por lo tanto la calidad de servicio. Cluster corresponde a la agrupación de celdas en donde se utilizan todas las bandas de frecuencias que se disponen sin que éstos se repitan. Por ejemplo, un operador puede tener la concesión de 12 canales de frecuencias en una banda determinada, si el operador implementa 3 BTS por sitio y utiliza 2 canales en cada celda, utilizará los 12 canales en 6 celdas luego las próximas 6 celdas utilizarán las mismas 12 frecuencias y así sucesivamente, ver Figura 2-15. Por este motivo se dice que el cluster utilizado es de tamaño 6.

Figura 2-15: Formación de Clusters de 6 celdas.

La distancia entre las dos celdas más cercanas que utilizan la(s) misma(s) frecuencia(s) es llamada distancia de reuso. A medida que esta distancia disminuye mayor será la interferencia entre los canales. Los operadores generalmente buscan disminuir el tamaño del cluster, para obtener un mayor factor de reuso de frecuencia y así aumentar su capacidad de atención a más clientes [13].

2.8.2. Atenuación por Propagación La atenuación debido a la propagación es inversamente proporcional a la distancia7 entre el receptor y el transmisor. Existen muchos modelos matemáticos que describen esta dependencia, pero el más conocido es el llamado Okumura-Hata, el cual es válido para el rango de frecuencias de 500 [MHz] a 1.5 [GHz]. El modelo está basado en una serie de mediciones donde se consideran 2 tipos de terrenos y 3 tipos de edificaciones. También existen modelos similares que son validos para frecuencias mayores utilizados en UMTS [13].

La atenuación por propagación es proporcional a la inversa de la distancia, a una potencia que depende del entorno de propagación. 7

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En la sección C del anexo se abordan distintos modelos de propagación, los cuales son utilizados en la planificación de cobertura.

2.8.3. Interferencia e Interferencia Co-Canal Se llama interferencia al ‘ruido’ en el receptor causado porque otros usuarios están emitiendo energía, comunicándose, en el mismo canal. La interferencia, obviamente, es una contribución no deseada a la potencia recibida. Se cumple que si todos los usuarios están transmitiendo con la misma potencia, el nivel de interferencia sólo dependería de la geometría de la ubicación de cada usuario. Carrier to Interference Ratio (CIR o C/I) es uno de los parámetros más importante en las comunicaciones inalámbricas. En la Expresión 2-5 se muestra cómo se calcula el CIR, donde los parámetros que la componen están en Watts o miliWatts.

C = I

C ∑n I n + N

Expresión 2-5: CIR, Carrier to Interferente Ratio.

El parámetro C en la Expresión 2-5 representa la potencia de la portadora en el receptor. Por ejemplo, un valor típico para C en GSM es -78 [dBm], esto en condiciones de cobertura promedio. El valor en dBm de C no puede ser utilizado en la Expresión 2-5, se debe hacer la conversión correspondiente. El parámetro I corresponde a la interferencia total recibida desde otros MSs, cuando se considera el enlace UL. Por otro lado cuando se considera el enlace DL la interferencia la producen las estaciones base que están transmitiendo en la misma frecuencia, por lo tanto el CIR del enlace DL puede ser distinto al del enlace UL. El CIR está limitado incluso sino existen fuentes de interferencia, por ejemplo al trabajar sólo con una celda, ya que prácticamente siempre está presente el ruido térmico representado por N en la Expresión 2-5 [13].

2.8.4. Sistemas limitados por: Rango, Interferencia y Capacidad Un sistema inalámbrico se vuelve limitado en Rango cuando una estación base opera más allá del rango de una celda. Lo que sucede es que la potencia de la portadora, C, es demasiada baja y por lo tanto también lo será el CIR. Esto ocurre en los límites de las celdas y puede ser provocado por el apantallamiento del MS. Dado que el CIR es bajo los errores en la transmisión comienzan a crecer y la comunicación comienza ha ser ruidosa, pudiendo incluso cortarse. Cabe mencionar que esta situación se puede dar sin que exista una gran interferencia, es decir, es independiente. El segundo caso ocurre cuando C es suficiente pero el nivel de interferencia, I, es muy alto. En esta situación el CIR vuelve a ser bajo y si es menor que cierto límite, que depende de cada situación, la calidad de la comunicación disminuye bastante. Por lo tanto si la capacidad de una red está determinada por la interferencia se dice que el sistema está limitado por interferencia, como por ejemplo los sistemas CDMA. Por último un sistema está limitado por capacidad cuando el problema no lo es el CIR, sino que el número de canales no es el suficiente para atender a todos los usuarios dentro de una celda. Esta 30

situación sucede cuando un usuario intenta realizar una llamada y lo que obtiene es un tono de espera, lo que sucedió fue que no habían recursos disponibles en la celda para poder establecer la llamada y por lo tanto fue bloqueada. Esta situación puede suceder en los sistemas GSM, porque están basados en TDMA [13].

2.8.5. Sitio, Celda, Sector y TRX. Estos conceptos están fuertemente ligados a las tecnologías celulares, y más a GSM que a WCDMA. Usualmente una red consiste de más de un sitio, el cual corresponde al lugar físico en donde se ubican los equipos y antenas. El sitio puede estar compuesto por uno o más sectores, ya que depende de las antenas utilizadas. Cada sector puede contener uno o varios TRX, un TRX es un equipo de transmisión y recepción (transceiver) que opera en una frecuencia determinada. Una celda por otro lado responde más a un concepto lógico, que se usa para dividir el área geográfica en estudio en áreas de ubicación. En este documento sector y celda tienen el mismo significado (ver Figura 2-16).

Figura 2-16: Un sitio con 3 sectores o celdas.

2.8.6. Handover Entre más pequeñas sean las celdas en las redes inalámbricas mayor será la probabilidad de que un usuario cambie de celda durante una conexión activa. Cuando el usuario se mueve de una celda a otra el control y la conexión en sí debe ser transferida a la otra celda. Este procedimiento debe ser totalmente transparente para el usuario, no deberá haber cortes ni retardos en la conexión. Este procedimiento que consiste en el cambio de celda de un usuario durante una conexión activa se llama handover o handoff [13].

2.8.7. Sensibilidad y Noise Figure La sensibilidad corresponde a un parámetro de los equipos que funcionan como receptores en comunicaciones inalámbricas. Éste da cuenta de la potencia mínima a la cual debe llegar la señal para que el equipo la pueda utilizar. La sensibilidad generalmente viene dada en dBm. Al igual que la sensibilidad, el parámetro Noise Figure o Cifra de Ruido es un dato que viene junto a las especificaciones del equipo. La Cifra de Ruido corresponde a la razón entre el SNR (Signal to Noise Ratio) a la entrada del equipo y el SNR a la salida. Lo que entrega este parámetro es el ruido que se agrega a la señal por haber pasado por el equipo. 31

2.9. Antecedentes Específicos 2.9.1. Profesor Guía El profesor guía, Alfonso Ehijo, trabaja en la empresa Telmex Chile, y ya desde algunos años lidera un grupo, Team ToIP, el cual llevó a cabo el proyecto de un softswitch económico con fines docentes. Los integrantes del grupo son alumnos memoristas e ingenieros ya egresados de la carrera de Ingeniería Civil Electricista de la Universidad de Chile. Además el señor Alfonso Ehijo, en conjunto con el Team ToIP, ha estado apoyando la formación de nuevos ingenieros como profesor guía o integrante en memorias sobre tecnologías tanto tradicionales como emergentes. El grupo fue fuente de gran apoyo, conocimiento y documentos necesarios para el desarrollo del tema.

2.9.2. Proyectos del Team ToIP Dentro de los proyectos desarrollados está el de un softswitch económico y con fines docentes, sus partes fueron desarrolladas por profesionales destacados a través de sus trabajos de memoria. Entre las componentes implementadas se cuenta con un signaling gateway, call agent y un trunk media gateway. Los ámbitos en los cuales se han desarrollado los trabajos de memoria en el Team ToIP son bastante variados, donde se puede contar seguridad, troubleshooting para tecnologías de acceso tradicionales y emergentes, implementación de herramientas para telefonía IP y comparación de estructuras de costos de sistemas de telefonía IP. Además están el desarrollo de cursos teóricos y prácticos, tanto para alumnos de pregrado como de postgrado. En la actualidad los proyectos fueron enfocados a 5 grandes temas, plataformas, proyectos, comparativas, convergencia y planificación. Dentro de los proyectos de plataformas están el desarrollo de un IP Contact Cente (IPCC), un proveedor de servicios E-learning y una de servicios IP/TV. En el área de los proyectos se desarrollaron 2 memorias estrechamente relacionadas, en una se realizó un estudio sobre la tipificación y metodología de los proyectos de instalación de telecomunicaciones, y en la segunda memoria se encapsuló este conocimiento para ser impartido en un curso. En el tema de convergencia se abordó este proceso en la telefonía fija y móvil. En la memoria relacionada con las comparativas se trabajó en las redes de acceso móviles y fijas. Finalmente en el tema de planificación se desarrollaron 2 memorias, la presente, y otra relacionada con la planificación de plataformas de redes de telecomunicaciones. Como se puede apreciar el trabajo que ha venido realizando este grupo ha sido siempre en la vanguardia de las telecomunicaciones, además de la puesta en práctica de los conocimientos adquiridos durante la carrera. Durante el año 2006 fue posible implementar un servidor el cual contiene información sobre los proyectos que se están desarrollando y los desarrollados. Esta información puede ser accesada a través del sitio del Team ToIP (http://www.toip.uchile.cl/mediawiki), donde el lector podrá encontrar mayor información acerca de las memorias citadas en los párrafos anteriores.

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Capítulo 3 Metodología 3.1. Criterios de Planificación Al momento de planificar una red de telecomunicaciones son varios los parámetros y criterios que se utilizan para llevar acabo el despliegue de una red. Los criterios que se utilicen, así como los parámetros que se tomen en cuenta dependerán de la estrategia que tenga el operador, cual es su ambiente de competencia, fortalezas y debilidades de sus competidores, etc. Así un operador puede enfocar su planificación a entregar servicios con diferentes calidades de servicio. Otro camino sería lograr la mayor cobertura posible, en un país o región determinada, ofreciendo servicios a una demanda determinada y reducida.

Figura 3-1: Diagrama de flujo de la planificación de cobertura, frecuencia y capacidad.

En la Figura 3-1 se muestra un diagrama general de flujo de la planificación de cobertura, frecuencia y capacidad, pero aún así puede haber partes que no se apliquen en su totalidad a las tecnologías abordadas en este documento. En el diagrama se encuentra implícito el hecho de que este 33

gran proceso, que involucra la planificación de estos tres parámetros, es iterativo, donde se empieza con alguna priorización de las variables: minimizar el número de BS a utilizar, minimizar el número de frecuencias a utilizar, u ofrecer una determinada capacidad y/o calidad de servicio. Luego dada esta base de características prioritarias se continúa con el resto de las planificaciones y una vez que se ha completado el proceso se deben realizar análisis de sensibilidad de modo de obtener mayor información, tanto para planificar el crecimiento de la red como para determinar donde se pueden realizar disminución de costos. En este documento se aborda la planificación de cobertura, capacidad y frecuencia. En la planificación de cobertura se tomó en cuenta los diferentes modelos de propagación desarrollados para cada tecnología, además de modelos utilizados para estimar las pérdidas debido al uso indoor, sin antena exterior. La planificación de capacidad se enfocó a través de los parámetros y mecanismos que aumentan o disminuyen la capacidad del recurso radioeléctrico. En la planificación de frecuencia se abordan las principales configuraciones y los parámetros a considerar para desarrollar un buen plan de frecuencias.

3.2. Planificación de Cobertura La planificación de cobertura corresponde a uno de los tópicos más importantes de las redes inalámbricas, el cual debe considerar un plan de expansión de acuerdo a la estrategia que tenga cada operador. Además dentro de esta planificación se debe considerar en particular el efecto pulmón que presentan tecnologías como WCDMA. Este fenómeno se produce cuando hay un aumento en la cantidad de usuarios de una celda, provocando una disminución del radio de cobertura.

Figura 3-2: Diagrama del proceso de planificación de cobertura.

En la Figura 3-2 se muestra el diagrama del proceso de planificación de cobertura abordado en este documento. Dentro de las salidas se establece una recomendación de la antena a utilizar. Esto puede utilizarse como un dato en la planificación de frecuencia, ya que es en este proceso donde se 34

establece el tipo de antena a utilizar, dado que depende en gran medida de las frecuencias y tecnología que se utilice. En el presente documento, la planificación de cobertura se aborda a través de los parámetros más importantes que se utilizan en el cálculo del radioenlace, con los respectivos modelos de propagación. Primero se revisan los parámetros para GSM, los cuales en su mayoría también participan en el caso de WCDMA, donde se abordan los parámetros que no son comunes a GSM y para las tecnologías WiFi y WiMAX se aborda de la misma manera. Con respecto a las unidades que se utilizan para realizar los cálculos se debe aclarar que cuando se está haciendo referencia a un decibel (dB), se lo está utilizando como equivalente, en nomenclatura, a un dBW. Este último corresponde al nivel de potencia relativo a un Watt.

3.2.1. GSM/GPRS/EDGE La planificación de cobertura de las redes celulares de segunda generación se abordará a través de la revisión de los principales parámetros que se deben considerar al momento de realizar el cálculo del radioenlace. Entre los parámetros que son revisados están las características de los equipos y los márgenes que son incorporados en los cálculos de los enlaces, debido a los fenómenos de propagación de las señales a través del aire. Estos parámetros sólo son nombrados en este capítulo y es en los anexos (sección M.1) donde se explican en forma breve.

3.2.1.1. Parámetros de los Equipos Los equipos que se toman en cuenta son sólo aquellos que participan en el enlace de radiofrecuencia, es decir, el MS y la BTS. En la BTS se considera desde la antena, pasando por los cables, combinadores, receptores, hasta los transmisores. Por otro parte en el lado del MS se toman en cuenta los requerimientos que establecen los estándares. A continuación se presentan los parámetros de los equipos que siempre son considerados en el cálculo del radioenlace, exceptuando la ganancia por diversidad.

• • • • • • •

Potencia de Salida de los Transmisores (Po). Pérdidas en el Combinador (Lc). Sensibilidad del Receptor (S). Ganancia de la Antena (Gi). Pérdidas en el Cable y Conectores (Lo). Pérdidas del Cuerpo (Lb). Ganancia por Diversidad en Recepción (Rd).

3.2.1.2. Parámetros de Propagación Para lograr una buena probabilidad de servicio, es necesario dar márgenes para considerar al menos las principales pérdidas que pueda tener la señal en ambos enlaces (DL y UL). A continuación se presentan los márgenes antes mencionados y algunos fenómenos que producen pérdidas, y para lo cual también se deben considerar márgenes. 35

• Margen de Desvanecimiento Lento o Margen de Sombra (Sm). • Penetración en Edificaciones (PI). • Factor de Penetración en Vehículos (Pc).

3.2.1.3. Cálculo del Enlace Uplink En este caso el cálculo del radioenlace permite obtener la máxima pérdida aceptable para la trayectoria entre la antena del MS y la antena de la BTS. Al tomar el enlace UL se comienza con el cálculo de la potencia radiada del MS. La potencia de recepción, Pr, estará en las mismas unidades que Po, en dB o dBm. Por otro lado las pérdidas se utilizan en dB y las ganancias en dB o dBi.

Pr = Po − Lb − Lo + Gi Expresión 3-1: Potencia radiada por el MS.

Se puede apreciar que la Expresión 3-1 es prácticamente igual a la Expresión M-1, salvo que el término Lc es cambiado por Lb, el cual representa las pérdidas producidas por el cuerpo del usuario (Ver sección M.1 del anexo). El siguiente paso consiste en determinar la sensibilidad útil de la antena de la BTS, la cual se obtiene a través de la Expresión 3-2. El valor que se obtiene con esta expresión es en dB o en dBm, el cual depende de S, es decir, si S está en dB también lo estará Su.

S u = S − Rd + Lo − Gi Expresión 3-2: Sensibilidad útil de la antena de la BS.

Donde S corresponde a la sensibilidad del receptor, la cual depende del fabricante y además tiene un límite que depende del estándar. El parámetro Rd corresponde a la ganancia por diversidad del receptor el cual debe estar en dB. Tomando en cuenta estos parámetros y los correspondientes márgenes se obtiene:

LUL = Pr − S u − S m − max( PI , Pc ) Expresión 3-3: Máxima pérdida aceptable en el enlace UL.

Con la Expresión 3-3 se puede obtener el valor de la pérdida máxima aceptable en el enlace UL. Su y Sm corresponden a la sensibilidad de la BTS y el margen de sombra respectivamente. Pc y PI son los factores de penetración en vehículos y edificaciones respectivamente. Se debe tener en consideración que las unidades de LUL son las mismas que Pr, es decir, estará en dB o en dBm. Por último cabe mencionar que estos parámetros son revisados en la sección M.1 del anexo.

3.2.1.4. Cálculo del Enlace Downlink En este caso la situación es exactamente contraria a la anterior, en este caso el cálculo del radioenlace permite obtener la máxima pérdida aceptable para la trayectoria entre la antena de la BTS y la antena del MS. La potencia radiada por la antena de la BS está dada por la Expresión M-1, y la sensibilidad útil del MS por la Expresión 3-4. 36

Su = S + Lb + Lo − Gi Expresión 3-4: Sensibilidad útil de la antena del MS.

Finalmente la Expresión 3-5 representa la pérdida máxima aceptable en el enlace DL. Como se puede apreciar esta expresión es prácticamente idéntica a la obtenida para el enlace UL. Las unidades de LDL son las mismas que el EIRP, dB o dBm.

LDL = EIRP − S u − S m − max( PI , Pc ) Expresión 3-5: Máxima pérdida aceptable en el enlace DL.

3.2.1.5. Cálculo de la Cobertura Para realizar el cálculo de la cobertura en GSM se utiliza el modelo empírico COST 231 Hata, ver anexo sección C. Con la Expresión 3-6 se puede obtener las pérdidas por propagación en dB que se tienen a cierta frecuencia f [MHz], a una distancia R [Km] de la BTS, donde el MS está a una altura hm [m] y la antena de la BTS a una altura efectiva hb[m]. En la sección K del anexo se aborda en forma breve el cálculo de la altura efectiva.

L p = 46.3 + 33.9 log10 f − 13.82 log10 hb − a(hm ) + (44.9 − 6.55 log10 hb ) log10 R + C m Expresión 3-6: Pérdidas por propagación dado por el modelo COST 231 Hata.

El término Cm corresponde a un factor de corrección, en dB, que permite reflejar la variación de distintos entornos, ver Tabla C-3 en el anexo, el cual es un dato. Para obtener R se iguala la Expresión 3-6 con el valor de la menor pérdida máxima obtenida en las secciones 3.2.1.3 y 3.2.1.4. Se escoge la mínima, ya que si se hiciera tomando el máximo uno de los dos enlaces no podría establecerse y no tendría sentido el cálculo de la cobertura. En el caso que se este implementando una celda con una cobertura menor a 1 [Km], microcelda, se debe utilizar otro modelo, ya que el modelo COST 231 Hata no es válido para distancias menores a 1 [Km]. En la sección C.1.2.1 se presenta el modelo COST 231 Walfisch-Ikegami, el cual permite obtener la cobertura en micro celdas. El procedimiento para obtener la cobertura máxima es el mismo.

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3.2.2. UMTS-WCDMA 3.2.2.1. Parámetros de WCDMA [17] En el caso de la tecnología WCDMA sólo se revisarán los parámetros involucrados en el cálculo del radioenlace en la dirección ascendente (UL), ya que es en este enlace donde la cobertura está más limitada. En el cálculo del enlace existen parámetros que son específicos a WCDMA y que no son utilizados en los sistemas de acceso basados en TDMA, como GSM. Los parámetros más relevantes son listados a continuación, siendo abordados en forma breve en los anexos, sección M.

• • • •

Margen por Interferencia Margen por Desvanecimiento Rápido (Fast Fading) Ganancia del Handover Blando (Soft Handover) Ganancia de Procesamiento

3.2.2.2. Ejemplo de Cálculo del Enlace A continuación se presentan un ejemplo del cálculo del radioenlace para el servicio de voz usando un codificador de voz Adaptive Multi Rate (AMR), lo cual se traduce en una tasa de 12.2 [Kbps]. El cálculo considera un ambiente urbano con macro celdas. Los valores utilizados para los parámetros de los receptores y transmisores se muestran en la Tabla 3-1 y Tabla 3-2. Tabla 3-1: Valores dados para los parámetros del MS. Parámetros Terminal de voz Terminal de datos Máxima potencia de transmisión [dBm] 21 24 Ganancia de la antena [dBi] 0 2 Pérdidas del cuerpo [dB] 3 0 Tabla 3-2: Valores dados para los parámetros de la estación móvil. Parámetros Valores Noise Figure [dB] 5.0 Ganancia de la antena [dBi] 18 (Estación base de 3 sectores) 12.2 Kbps (Voz): 5.0 Requerimientos 144 Kbps: 1.5 de Eb/N0 [dB] 384 Kbps: 1.0 Pérdidas del cable [dB] 2.0

En la Tabla 3-3 se muestra el cálculo del radioenlace en la dirección ascendente (UL), donde se asume que se requieren 5 [dB] de Eb/N0. Este requerimiento depende de la tasa de bits, servicio, velocidad del MS, algoritmos en el receptor y estructura de la BS. Para el caso de los servicios de datos de 144 [Kbps] y 384 [Kbps] los valores de los parámetros del Eb/N0 varían de acuerdo a la Tabla 3-2. Por otro lado la ganancia por procesamiento varía también debido a su dependencia de la tasa de bits. 38

El valor que se obtiene en la última fila de la Tabla 3-3 corresponde a las pérdidas que se utilizan en el modelo correspondiente para calcular la cobertura de la celda. Si consideramos que el cálculo de la tabla corresponde a una macro celda, se puede utilizar el modelo COST 231 Okumura-Hata. Además se deben tomar en cuenta las siguientes hipótesis.

• • • •

Ciudad relativamente densa. La altura del MS se considera de 1.5 [m]. La altura de la antena de la BS es de 50 [m]. Se está operando a una frecuencia de 1900 [MHz].

Con las hipótesis anteriores y utilizando la Expresión 3-7 se obtiene la cobertura de la celda al despejar el parámetro R, que llega a ser levemente superior a 1 [Km]. El valor de la máxima pérdida aceptable, Lp, está en dB.

L p = 46.3 + 33.9 log10 f − 13.82 log10 hb − a(hm ) + (44.9 − 6.55 log10 hb ) log10 R + C m a(hm ) = (1.1 ⋅ log10 ( f ) − 0.7) ⋅ hm − (1.56 ⋅ log10 ( f ) − 0.8) Expresión 3-7: Pérdidas por propagación según modelo COST 231 Okumura-Hata. Tabla 3-3: Cálculo del radioenlace para un servicio de voz dentro de un auto. Parámetros Transmisor (MS) Máx. potencia de transmisión Ganancia de la antena del MS Pérdidas en el cuerpo Potencia Isotrópica Radiada Equivalente (EIRP) Receptor (BS) Densidad del ruido térmico Noise figure del receptor de la BS Densidad del ruido recibido Potencia del ruido recibido Margen de interferencia Efecto total de ruido e interferencia Ganancia de procesamiento Eb/No requerido Sensibilidad del receptor Ganancia de la antena de la BS Pérdidas en el cable (en la BS) Máx. pérdida por propagación Margen de desvanecimiento Log-normal Ganancia por soft handover Pérdidas por penetración en el auto Pérdidas por propagación permitida

8

Valor 30.0 2.0 3.0 29.0 -200.0 5.0 -195.0 -129.2 3.0 -126.2 25.0 5.0 -146.2 18.0 2.0 191.2 7.3 3.0 8.0 172.9

Expresión a b c d=a+b-c e f g=e+f h = g + 10 log(chip rate) i j=h+i k = 10 log(chip rate/12.28) l m=l-k+j n o q=d-m+n-o r s t u=q-r+s-t

Unidades dBm dBi dB dBm dBm/Hz dB dBm/Hz dBm dB dBm dB dB dBm dBi dB dB dB dB dB dB

Este valor corresponde a la tasa de transferencia en kbps. 39

El valor del alcance máximo calculado se debe a que se está considerando una ciudad densa en edificaciones y se está asegurando la cobertura ante posibles apantallamientos (margen de desvanecimiento log-normal). Además se considera que no se está utilizando diversidad, en caso contrario se debería agregar una ganancia por diversidad dentro del cálculo del radioenlace, la cual depende del tipo de diversidad que se utilice.

40

3.2.3. WiFi La cobertura que ofrece WiFi es mucho menor a las que se pueden alcanzar con las otras tecnologías abordadas en este documento. Esto sucede cuando se utiliza WiFi en enlaces punto a multipunto (PMP), ya que en enlaces punto a punto su alcance puede llegar a varios kilómetros. En este documento se aborda sólo el caso PMP. En su uso PMP es posible encontrar antenas WiFi, o AP, como el acceso a Internet de una familia que vive en un departamento con un par de laptops en él, mientras que en el otro extremo se puede considerar empresas que iluminan ciertos pisos y/u oficinas para ofrecer Internet a sus clientes y/o servicios de intranet a sus empleados. En estos escenarios, en oficinas y hogares, la movilidad es prácticamente nula, por lo cual el cálculo del radioenlace, que se considera en esta sección, no contempla el uso de ningún modelo en particular para la aproximación de las pérdidas por propagación. Sólo se considerarán las pérdidas por propagación en el espacio libre, además de ciertos márgenes como el de desvanecimiento por apantallamiento. En el caso que se quisiera hacer un cálculo mucho más certero se deberían considerar ciertos márgenes, como lo son el de desvanecimiento rápido y lento, además de algún modelo de propagación indoor. Con la Expresión 3-8 se obtienen las pérdidas por propagación en el espacio libre en decibeles, donde la frecuencia, F, está en gigahertz y la distancia, d, en kilómetros.

L p = 92.45 + 20 ⋅ log10 ( F ) + 20 ⋅ log10 (d ) Expresión 3-8: Pérdidas en el espacio libre.

En la Figura 3-3 se muestra cada una de las componentes que se consideran en el cálculo del radioenlace entre un AP y un usuario.

Figura 3-3: Esquema de un enlace entre un AP y un usuario.

Con la Expresión 3-9 se puede obtener la cobertura de un AP, donde Lmax corresponde al margen máximo de pérdidas que se puede tener en el enlace.

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Lmax = Ptx − Lotx + Gtx − L p − Lorx + G rx − Prx Expresión 3-9: Cálculo del radioenlace entre el AP y un usuario.

Donde los otros parámetros que componen la expresión corresponden a lo siguiente: Ptx Lotx Gtx Lp Lorx Grx Prx

: Es la potencia de transmisión del AP en dBm. : Pérdidas en cables desde el transmisor y la antena en dB. : Ganancia de la antena del AP en dBi. : Pérdidas por propagación en el espacio libre en dB. : Pérdidas en cables desde la antena al receptor en dB. : Ganancia de la antena del usuario en dBi. : Sensibilidad del equipo receptor del usuario en dBm.

Cabe mencionar que las pérdidas por cables en los sistemas actuales casi no se consideran debido a que los AP corresponden a un solo equipo en donde están integradas antenas, transmisores y receptores. En este ítem se consideran pérdidas del orden de 1 a 2 [dB]. Finalmente para calcular la cobertura del AP se debe despejar del termino Lp la distancia d que provoca que Lmax sea cero. Pero al realizar este ejercicio, lo que se estaría calculando es la distancia a la cual ya no se tiene cobertura, por lo tanto lo que se recomienda es dejar un margen de 5 a 7 [dB], los cuales se consideran razonables y necesarios para evitar cortes en el enlace debido a algún tipo de desvanecimiento.

3.2.3.1. Ejemplo de Cálculo del Enlace En el siguiente ejemplo se considerará que se quiere obtener una cobertura máxima de 20 metros, y los valores de los parámetros serán los siguientes.

• • • •

La potencia de transmisión del AP será: Ptx = 15 [dBm]. Las pérdidas en los cables será: 1 [dB]. La ganancia de las antenas será: G = 2 [dBi]. La sensibilidad del equipo del usuario será: Prx = -71 [dB].

La pérdida en espacio libre a 20 metros será: L p = 92.45 + 20 ⋅ log10 (2.4) + 20 ⋅ log10 (0.02) = 66.075 Expresión 3-10: Ejemplo de cálculo de pérdidas en espacio libre.

Con lo que se obtiene que Lmax es:

Lmax = 15 − 1 + 2 − 66.075 − 1 + 2 − −71 = 21.925 Expresión 3-11: Ejemplo de cálculo del radioenlace.

Con estas características se obtuvo un margen de 21.925 [dB] para un enlace de 20 metros entre el AP y un usuario. Un punto a destacar es que la sensibilidad del equipo varía de acuerdo a la velocidad del enlace. Así es posible que la sensibilidad sea menor, es decir, menor a -71 [dBm] (por ejemplo -80 [dBm]). En este caso la sensibilidad es bastante baja, por lo que está asociada a una velocidad de transferencia de datos alta. 42

Para obtener la cobertura del AP con los mismos valores utilizados en el ejemplo, se debe establecer un margen que permita sobrellevar posibles apantallamientos, por ejemplo, alguna muralla ante un pequeño desplazamiento. A continuación se muestran los cálculos con un margen de 7 [dB].

Lmax = 7 = 15 − 1 + 2 − [92.45 + 20 ⋅ log 10 (2.4) + 20 ⋅ log 10 (d )] − 1 + 2 − −71 log 10 (d ) = −0.6027 ⇒

d = 0.1115

Expresión 3-12: Ejemplo de cálculo de cobertura.

En la Expresión 3-12 se obtiene que la cobertura del AP, con las características antes mencionadas, es de 111.5 metros. Como en todo enlace inalámbrico la cobertura dependerá de su entorno, la naturaleza y cantidad de obstáculos que exista entre el AP y el usuario. Así en el ejemplo de cálculo, Expresión 3-12, la cobertura es bastante amplia debido al margen que se está dando, con el cual se estaría considerando aproximadamente 3 murallas entre los puntos. Por último se debe aclarar que los ejemplos presentados corresponden a un enlace DL. Sin embargo el cálculo es análogo para el enlace UL y sólo varían los parámetros de sensibilidad y de potencia de transmisión.

43

3.2.4. WiMAX En el caso de WiMAX, miembros del grupo 802.16 de la IEEE elaboraron un documento, revisar el anexo sección E, para adecuar un modelo de pérdidas por propagación a las características de WiMAX. En este modelo se incorporaron factores de corrección a modelos como el OkumuraHata COST 231 para obtener mejores predicciones. WiMAX fue y está siendo desarrollado para utilizar un amplio rango de frecuencias, desde 10 a 66 [GHz] y de 2 a 11 [GHz]. Dependiendo de la banda en la cual se despliegue, la naturaleza del enlace (punto a punto o punto a multipunto) y si está presente la movilidad, se deberán tomar diversas consideraciones para realizar los cálculos de cobertura.

3.2.4.1. WiMAX en Enlaces Punto a Punto A continuación se presentan ciertos parámetros que deben ser considerados al momento de realizar un enlace punto a punto, es decir, cuando se utilizan bandas por sobre los 8 [GHz] aproximadamente. Estos enlaces deben ser planificados como enlaces microondas, donde se deben considerar las zonas de Fresnel, la curvatura de la tierra en enlaces de mayor alcance y efectos atmosféricos. Este tipo de enlace no es abordado con mayor profundidad en este documento, ya que se busca de alguna forma comparar tecnologías que en su base son del tipo punto a multipunto.

3.2.4.1.1. Diversidad y Zonas de Fresnel En los enlaces punto a punto que se realizan en frecuencias por sobre los 8 [GHz] es recomendable utilizar diversidad de antenas, esto significa utilizar 2 antenas por sitio en el enlace para mejorar la señal que se esta recibiendo. Al utilizar cualquier tipo de diversidad se debe reflejar en una ganancia en el cálculo del radioenlace correspondiente. El uso de 2 antenas para mejorar la señal recibida tiene un requisito y este es que la separación entre las antenas debe ser al menos 100 veces la longitud de onda de la señal. La separación entre antenas puede ser vertical u horizontal, cuando existe LOS y cuando no respectivamente.

Figura 3-4: Diagrama explicativo de las zonas de Fresnel.

Cuando se realizan despliegues utilizando comunicaciones punto a punto, como se muestra en la Figura 3-4, se deben realizar los cálculos de la primera zona de Fresnel de modo que no se obstruya más allá de un 20%. Por otro lado se debe buscar bloquear la segunda zona de Fresnel a través de obstáculos naturales o disposiciones de las antenas. Se debe bloquear la segunda zona de Fresnel, 44

porque las zonas pares están en una determinada fase y las impares en otra, provocando que la señal recibida sea peor si se recibe la información de la primera y segunda zona. En la sección J del anexo se da ha conocer el cálculo del radio de las zonas de Fresnel.

3.2.4.1.2. Fenómenos Climáticos Los fenómenos climáticos, como la lluvia o la niebla, afectan a todo tipo de comunicación inalámbrica, cuyo nivel de degradación dependerá de la frecuencia en la cual se esté trabajando. Así para frecuencias por sobre los 8 [GHz], los efectos de estos fenómenos se hacen más notorios, por lo cual se recomienda establecer márgenes de resguardo en el cálculo del radioenlace. Este margen dependerá de que tan a menudo se presenten este tipo de fenómenos y la estrategia bajo la cual se esté desplegando la red, es decir, dependerá de los servicios y la calidad que se pretenda ofrecer.

3.2.4.2. WiMAX Móvil Los parámetros que son considerados en esta tecnología no son diferentes a los presentados en las secciones anteriores, por lo cual se presenta en forma inmediata un ejemplo de cálculo de enlace.

3.2.4.2.1. Ejemplo de Cálculo del Enlace Para realizar el cálculo del radioenlace se asume que los parámetros de la red WiMAX móvil, son los que se muestran en la Tabla 3-4. Los parámetros que se listan corresponden a una posible implementación. Se asume que se utiliza Time Division Duplex (TDD) en la banda de 2.5 [GHz], se específica el número de antenas Tx/Rx, tanto de la BS como del MS o SS, para considerar la ganancia por diversidad. Tabla 3-4: Parámetros de la red WiMAX Móvil.[18] Parámetros Valor Unidades Número de celdas trisectoriales 19 Frecuencia de operación 2500 MHz Duplexación TDD Ancho de banda del canal 10 MHz Distancia entre BSs 2.8 Km Distancia mínima entre BS y Móvil 36. m Patrón de la antena 70° (-3 dB) con 20 dB de razón front-to-back Altura de la BS 32 m Altura del terminal móvil 1.5 m Ganancia de la antena de la BS 15 dBi Ganancia de la antena del MS -1 dBi Máxima potencia de amplificación de la BS 43 dBm Máxima Potencia PA del terminal móvil 23 dBm N° de antenas Tx/Rx de la BS Tx: 2 o 4; Rx: 2 o 4 Nº de antenas Tx/Rx del MS Tx: 1; Rx: 2 BS Noise Figure 4 dB MS Noise Figure 7 dB

En la Tabla 3-5 se listan los parámetros y los valores de Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) que se utilizan en el cálculo del radioenlace (revisar secciones F.1 y F.2 del anexo).

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Tabla 3-5: Parámetros de OFDM. [18] Parámetros Ancho de banda del sistema Frecuencia de muestreo (Fs) Tamaño de la FFT (NFFT) Distancia entre subportadoras Tiempo útil del símbolo (Tb) Tiempo del prefijo cíclico (Tg=Tb/8) Duración del símbolo OFDM (Ts=Tb+Tg) Duración del Frame Número de símbolos OFDM Subportadoras nulas Subportadoras piloto DL PUSC Subportadoras de datos Subcanales Subportadoras nulas Subportadoras piloto UL PUSC Subportadoras de datos Subcanales

Valor Unidades 10 MHz 11.2 MHz 1024 10.94 KHz 91.4 µs 11.4 µs 102.8 µs 5 ms 48 48 120 720 30 184 280 560 35 -

Con estos valores es posible cálculo del radioenlace, tanto del enlace UL como del DL. Tabla 3-6: Cálculo del radioenlace descendente (DL) para WiMAX móvil. [18] Estación Base Potencia de Tx por antena Ganancia de combinación cíclica Ganancia de la antena de Tx Ganancia por incremento en subportadoras piloto EIRP Nº de subportadoras ocupadas Potencia por subportadora ocupada Unidad Móvil (Handset indoor) Ganancia de la antena Rx Ganancia por diversidad de antena Rx Figura de ruido Rx márgenes Desvanecimiento Log Normal Desvanecimiento rápido Interferencia Pérdidas por penetración Margen Total Sensibilidad del Móvil Ruido termal Distancia entre subportadoras Modulación – Codificación SNR requerido Tasa de transferencia DL Sensibilidad Rx (por subportadora) Sensibilidad Rx (compuesta) Ganancia del sistema Pérdida máxima por propagación

MAP 40.0 3.0 15.0 -0.7 57.3 840 28.1

40.0 3.0 15.0 -0.7 57.3 840 28.1

Tráfico 40.0 3.0 15.0 -0.7 57.3 840 28.1

Unidades dBm dB dBi dB dBm dBm

-1.0 3.0 7.0

-1.0 3.0 7.0

-1.0 3.0 7.0

dBi dB dB

5.56 6.0 2.0 10.0 23.56

5.56 2.0 2.0 10.0 19.56

5.56 2.0 2.0 10.0 19.56

dB dB dB dB dB

-174 -174 -174 dBm/Hz 10.94 10.94 10.94 KHz QPSK 1/8 QPSK 1/2 16QAM 1/2 -3.31 3.49 3.49 dB 2.88 5.76 Mbps -129.9 -123.2 -117.7 dBm -100.7 -93.9 -88.4 dBm 160.0 153.3 147.8 dB 136.4 133.7 128.2 dB 46

El margen por interferencia en la Tabla 3-6 asume un reuso de frecuencia 1x3x1. Este reuso significa que se utiliza un (1) mismo canal para todas las celdas, donde cada sitio está dividido en 3 celdas y en cada celda se utilizan todos los subcanales, lo que significa un factor de reuso igual a 1. Se puede disminuir este margen si se utiliza un reuso 1x3x3 lo cual significa que el canal se divide en 3 grupos de subcanales, y se utiliza uno por celda. La columna MAP corresponde al cálculo del radioenlace para los mensajes UL y DL MAP realizados por la BS, los que permiten informar a los SS o MS cuando pueden enviar su información y cuando deben recibir. Tabla 3-7: Cálculo del radioenlace ascendente (UL) para WiMAX móvil. [18] Unidad Móvil (Handset indoor)

Tráfico máximo asignado 200.0 200.0 23.0 23.0 -1.0 -1.0 22 22 840 840 3 9 72 216 48 144 3.44 -1.334

Unidades

Potencia de Tx por antena mW Potencia de Tx por antena dBm Ganancia de la antena de Tx dBi EIRP dBm Subportadoras disponibles Subcanales asignados Subportadoras asignadas Subportadoras de datos asignadas Potencia utilizada por subportadora dBm Estación Base Ganancia de la antena Rx 15.0 15.0 dBi Ganancia por diversidad de antena Rx 3.0 3.0 dB Figura de ruido Rx 4.0 4.0 dB márgenes Margen de desvanecimiento Log Normal 5.56 5.56 dB Márgen desvanecimiento rápido 2.0 2.0 dB Margen de interferencia 3.0 3.0 dB Pérdidas por penetración 10.0 10.0 dB Margen Total 20.56 20.56 dB Sensibilidad de la estación base Ruido termal -174 -174 dBm/Hz Distancia entre subportadoras 10.94 10.94 KHz Modulación – Codificación QPSK 1/8 QPSK 1/8 SNR requerido -2.5 -2.5 dB Tasa de transferencia UL 38 115 Kbps Sensibilidad Rx (por subportadora) -132.1 -132.1 dBm Sensibilidad Rx (compuesta) -111.1 -108.8 dBm Ganancia del sistema 153.5 148.8 dB Pérdida máxima por propagación 133.0 128.2 dB

En la Tabla 3-7 se muestra el cálculo del radioenlace ascendente (UL), en el cual se muestran 2 casos. Se diferencian primordialmente por el número de subcanales asignados, lo cual repercute en la tasa de transferencia, además de otros parámetros. Cabe resaltar que la tasa de codificación no corresponde a una de las especificadas en el estándar, incluso en la enmienda 802.16e de éste tampoco es mencionada. Esta situación resulta natural si se piensa a WiMAX como lo que representa la alianza WiFi para el estándar 802.11, donde esta entidad es la encargada de certificar los equipos 47

que son WiFi compatibles, los cuales están basados en el estándar pero no son 100% compatibles con éstos. En [18] se establecen los cálculos que se muestran en la Tabla 3-6 y en la Tabla 3-7. A partir de los cuales se puede obtener la cobertura de la BS y el alcance del MS o SS, donde el objetivo es lograr que el alcance de la BS sea muy parecido al del MS. En este documento también se hace referencia a los modelos que se pueden utilizar para determinar la cobertura, entre los cuales está el modelo COST 231 Hata, el que está diseñado para frecuencias menores a 2 [GHz], realizando predicciones que son más bien conservadoras. Por otro lado el modelo introducido por el grupo 802.16, modelo Erceg-Greenstein9 [19], es mencionado como una mejor opción llegando a dar resultados hasta un 70% mejor. Para obtener la cobertura tanto del enlace DL como UL se utilizará el modelo Erceg-Greenstein, el cual utiliza la Expresión 3-13 para obtener la distancia máxima de cobertura.

PL = A + 10 ⋅ γ ⋅ log10 (d / d 0 ) + ∆PL f + ∆PLh + s ; d > d 0 A = 20 ⋅ log10 (

4 ⋅π ⋅ d0

λ

)

Expresión 3-13: Modelo de pérdidas por propagación utilizado para WiMAX.

Utilizando los valores de la máxima pérdida por propagación, cuando se le asignan 3 subportadoras al SS en el enlace UL, y la máxima pérdida de propagación permitida en el enlace DL con una modulación y codificación QPSK ½, se calculó la cobertura para los distintos tipos de terreno que establece el modelo (Ver Tabla 3-8). Se debe notar que la diferencia en las pérdidas es de 0.7 dB, los cuales, dependiendo del tipo de terreno, hacen que la diferencia de cobertura entre los enlaces sea hasta un poco más de 1.5 [Km]. Tabla 3-8: Cobertura en los enlace UL y DL con el modelo Erceg-Greenstein Terreno Enlace Tipo A [m] Tipo B [m] Tipo C [m] UL 16.957 30.027 41.812 DL 17.569 31.235 43.614

Para el cálculo de las coberturas el valor utilizado para el parámetro s del modelo fue de 9.4 dB, lo que representa las pérdidas por desvanecimientos del tipo apantallamiento o sombra.

9

En la sección E del anexo se da a conocer este modelo. 48

3.3. Planificación de Capacidad Las planificaciones de capacidad y de cobertura tienen una fuerte relación con la calidad y grado de servicio (QoS y GoS). En las tecnologías abordadas en este documento, la capacidad a veces no sólo está limitada por los equipos que se están utilizando, sino que también por la falta de bandas de frecuencias. Como todas las planificaciones, a la planificación de capacidad se le puede dar distintos enfoques. Se puede planificar de modo de obtener niveles de calidad de servicio excepcionales, lo cual llevará a sobredimensionar la red. También se podría realizar considerando unos cuantos servicios o planificar de acuerdo a la cobertura que se desea alcanzar. La opción por algún camino en particular, no necesariamente los antes mencionados, dependerá de la estrategia de marketing que posea el operador. Los enfoques citados son, por decir lo menos, un tanto extremos y se hace necesario realizar una mezcla de éstos para lograr mantener satisfechos a los clientes, con una red que genere los retornos que permitan al operador mantenerse en competencia.

Figura 3-5: Diagrama de flujo del proceso de planificación de capacidad.

En la Figura 3-5 se muestra un diagrama del proceso de planificación de capacidad, cuyos puntos en su mayoría son abordados en este capítulo. Los puntos marcados con * pueden estar tanto en la entrada como en la salida, pero no en forma simultanea. En la figura se muestra así para hacer explícita su dualidad. Cuando el número de canales que se deben utilizar son parte de las salidas del plan de capacidad, lo que se entrega es un valor ideal y que posiblemente no se alcance debido a las restricciones del espectro radioeléctrico, el cual es finito y se debe compartir. Sin embargo, desde esta perspectiva lo que se busca es ofrecer un determinado servicio con un cierto QoS y por lo tanto lo que se puede hacer es definir el número 49

máximo de clientes que se tendrá (punto marcado con **). Como se aprecia los puntos marcados con ** también pueden ser entradas o salidas y tampoco pueden estar en las dos partes del proceso.

3.3.1. GSM/GPRS/EDGE Durante la etapa de dimensionamiento se realiza una primera aproximación en la planificación de capacidad y se vuelve a retomar, en forma paralela, con la planificación de cobertura. Cabe mencionar que la planificación de capacidad puede ser una especificación para la planificación de frecuencia, ya que establece el número de sitios y TRXs necesarios en cada uno de éstos para una determinada capacidad, de lo contrario se puede dar el caso que se trabaje a partir de ciertos recursos del espectro radioeléctrico. La planificación de capacidad está estrechamente ligada con la planificación de cobertura, ya que ambas están relacionadas con el equipamiento del sitio, por ejemplo, la configuración de la antena. Más aún, la planificación de cobertura define el número de estaciones base requeridas para cubrir cierta área y a la vez este grupo de estaciones base define la capacidad máxima de la interfaz de radio para ésta, cuando el número máximo de transceivers para cada estación base está especificado. El número máximo de transceivers se obtiene a través de la planificación de capacidad y se deriva del factor de reuso de frecuencia. Luego puede darse el caso que se deba agregar más estaciones base, no por problemas de cobertura sino de capacidad. La planificación de capacidad comienza especificando el tráfico objetivo y la altura promedio mínima necesaria de las antenas para poder cubrir el área en estudio. Otro parámetro esencial es el número de frecuencias disponibles, ya que éstas definen el número máximo de transceivers en cada estación base [14]. Un punto importante a resaltar es que el sistema GSM es limitado por capacidad, al contrario de WCDMA que es limitado por interferencia. Otro punto a considerar es que la planificación de la capacidad del sistema GSM está más enfocada al cálculo de la cantidad de tráfico por servicios de voz.

3.3.1.1. Cálculo de Capacidad de Tráfico El tráfico que se produce en cualquier red no es completamente distribuida, sino que existen ciertas horas del día en las cuales la carga que debe soportar la red es mayor. Así al realizar la planificación de capacidad se debe tomar en cuenta el peor caso, es decir, el tráfico que se produce en la hora más cargada del día llamada ‘hora cargada’ (busy hour). Cuando no se tienen mayores datos acerca de la distribución del tráfico en el área de estudio, se realiza la planificación bajo la hipótesis de que el tráfico está uniformemente distribuido, es decir, todas las celdas deberán manejar niveles de tráfico similares y que todos los suscriptores del área comparten los mismos objetivos de calidad. Esto último significa que todas las BTS tendrán algunos parámetros en común, como por ejemplo, probabilidad de bloqueo, ancho de banda, factor de reuso de frecuencia, entre otros. Sin embargo existen otros parámetros que deben ser configurados para cada BTS como lo son el modelo de propagación, potencia de radiación y altura de la antena. El número de TRX por BTS viene de la división del número de frecuencias a utilizar en cierta área por el factor de reuso de frecuencia. Un valor típico en las redes GSM para el factor de reuso de 50

frecuencia es 15, si además suponemos que un operador tiene licitada una banda de 6 [MHz], lo cual significa 30 canales, se obtendría que el número máximo de transceivers por BTS será 2 (30/15=2). El número de TRXs por celda y la probabilidad de bloqueo definen la cantidad de tráfico que se puede manejar en una celda. El número de time slots (TS) que serán utilizados por TRX, de acuerdo a la planificación, también debe ser tomado en cuenta. El tráfico por un sector, dada una probabilidad de bloqueo, puede ser obtenido a través de las formulas Erlang B10 [20]. La probabilidad de bloqueo representa la probabilidad de que una llamada generada por un MS sea bloqueada debido a que todos los canales de tráfico están siendo utilizados. La distribución con la cual llegan los requerimientos de llamadas en GSM sigue una ley de Poisson al igual que en la telefonía tradicional. La unidad con la cual se mide el tráfico es el Erlang (Erl), el que representa la cantidad de tráfico que es transportado por un canal, un time slot, durante una hora. El número de TSs utilizados para señalización por cada TRX dependerán de la solución propuesta en la planificación. En la Tabla 3-9 se muestra la relación entre el número de TRX y tráfico en Erlangs, para 3 probabilidades de bloqueo distintas. Se aprecia que a medida que la probabilidad de bloqueo aumenta también lo hace la capacidad de tráfico, esto refleja uno de los tantos compromisos que se encuentran durante la planificación de una red celular. Tabla 3-9: Relación entre el número de TRXs y el tráfico en Erlangs. TRXs Time TS de TS de Tráfico Tráfico Tráfico Slots Tráfico Señalización (1%) (2%) (5%) 1 8 7 1 2.5 2.9 3.7 2 16 15 1 8.1 9.0 10.6 3 24 22 2 13.7 14.9 17.1 4 32 30 2 20.3 21.9 24.8 5 40 38 2 27.3 29.2 32.6

Una vez que se ha calculado el número total de TRXs, se tiene el número de sitios y canales, lo que sigue es determinar el siguiente nivel, el número de BSCs y MSCs. El número de BSCs que se necesitan depende de la cantidad de TRXs que puede manejar un BSC. Luego la decisión, la cual dependerá de los objetivos de la planificación, será si utilizar algunos BSCs de una gran capacidad o varios BSCs de una menor capacidad. Esta elección dependerá además de la geografía del área de despliegue. Por último, el número de MSCs a utilizar dependerá del número de suscritos y del tipo de servicio que se quiera ofrecer.

En [20] se aborda varios conceptos sobre comunicaciones inalámbricas, además en su anexo se revisa el concepto de Erlang y teoría de tráfico con mayor detalle. 10

51

3.3.1.1.1. Tráfico de Voz[21] Para medir cuánto usa un suscriptor el sistema se utiliza el parámetro llamado Minutes Of Usage (MOU), definido como la cantidad de minutos que utiliza un usuario al mes, el cual contempla tanto los minutos de las llamadas que realiza el usuario como las que recibe. Hace un año aproximadamente en las redes celulares chilenas se tenía un MOU de 100 minutos, y la relación entre las llamadas es en promedio de 70 % generadas y 30 % recibidas. Como se dijo anteriormente se utiliza el modelo Erlang B y la probabilidad de bloqueo o GoS más utilizada es del 2 %. Que un usuario utilice 100 minutos al mes no entrega mayor información, es necesario estimar la cantidad de días en los cuales los utiliza, por ejemplo, un usuario puede utilizar los 100 minutos en 25 días. Por lo tanto utilizará en promedio 4 minutos por día, luego sólo estos 4 minutos pueden afectar al sistema en la hora cargada. A partir de esta operación nace el factor de carga mensual (fm), que en este ejemplo es 4. Así como los minutos son usados cierta cantidad de días al mes, también son usados durante una cierta cantidad de horas al día, con lo cual se obtiene el factor de carga diario (fd). Del ejemplo anterior se tiene que el usuario utiliza 4 minutos al día y si los utiliza en 5 horas, se obtiene que el fd es de 0,8 minutos. Finalmente se puede decir que un usuario promedio contribuye con 0,8 minutos a la hora cargada. El tráfico a la hora cargada está dado por la Expresión 3-14, la cual depende del factor de carga mensual y diario. Cabe mencionar que empíricamente los valores utilizados en Chile para los factores de carga mensual y diario son 22 y 10 respectivamente.

Tráfico Hora Caragada =

MOU [Erlangs ] f d ⋅ f m ⋅ 60

Expresión 3-14: Tráfico a la hora cargada en Erlangs, sólo para servicios de voz (GSM).

El resultado que se obtiene con la Expresión 3-14 es la de un usuario, luego se debe realizar una sumatoria por el número total de suscriptores, ya que generalmente se estima un consumo parecido entre todos éstos. Con el resultado de la sumatoria se tiene el tráfico en la hora cargada de toda la red. Luego una primera aproximación para obtener el tráfico por celda es asumir una distribución homogénea del tráfico en la hora cargada. Una segunda aproximación corresponde a considerar el efecto desplazamiento por efectos de trabajo, es decir, la mayoría de los usuarios trabajan en una misma área bien delimitada, por lo cual de lunes a viernes la cantidad de tráfico en esa área es mayor que la producida el fin de semana. De esta manera, se deberá estudiar las celdas en las cuales hay mayor tráfico durante los días de trabajo y estimar la proporción de usuarios, del total, que están en esas celdas en los días de trabajo. El proceso se repite, pero ahora considerando grupos de celdas y calculando el tráfico en cada escenario, para finalmente dimensionar cada celda de acuerdo al peor caso.

3.3.1.2. GPRS/EDGE La incorporación de GPRS a GSM significó la entrada del tráfico de conmutación de paquetes (PS) a su arquitectura. Cuando un operador posee una red GSM talvez no sea necesario realizar mayores cambios en cuanto a la capacidad de la red al momento de implementar GPRS. Sin 52

embargo, a medida que se vayan incorporando usuarios con terminales que tengan la capacidad de utilizar ambas redes, conmutación de circuitos (CS) y paquetes, y se ofrezcan servicios relacionados, se deberán realizar cambios. Como se mencionó anteriormente, la carga de tráfico producido por el servicio de voz puede ser definida en Erlangs por subscriptor. Un Erlang corresponde a la cantidad de tráfico que un TS puede transportar durante una hora con una probabilidad de bloqueo determinada. Dado que se introduce el tráfico de servicio de datos medidos en Kbps, el cual comparte el medio con el tráfico del servicio de voz, se deben mapear a Erlangs de modo de estimar la capacidad necesaria para satisfacer estos servicios. Para realizar esta conversión es necesario estimar la tasa de transferencia de un TS para cada esquema de codificación. El tráfico de GPRS, EDGE y el tráfico de CS de GSM hacen uso de una misma interfaz de aire. El reto de dimensionar la capacidad de este tipo de red, es dividir esta capacidad de forma que se ofrezca un grado de servicio satisfactorio para ambos tipos de usuarios. En la Figura 3-6 se ilustra una forma de cómo los recursos de tráfico pueden ser divididos en zonas CS y GPRS o EDGE. En la TRX 1 están todos los canales de señalización y en la TRX 2 sólo hay canales de tráfico, el Traffic Channel (TCH) y el Packet Data Traffic Channel (PDTCH), tanto de CS como de EDGE. En la Figura 3-6 existen canales EDGE fijos y dinámicos, estos últimos son asignados de acuerdo a la demanda de este sistema.

Figura 3-6: Ejemplo de posible uso de canales para los sistemas GSM, GPRS y EDGE.[22]

Como se pudo apreciar la capacidad disponible para GPRS y EDGE puede ser fija, o seguir el principio de capacidad según la demanda. A continuación se abordarán estos dos casos.

3.3.1.2.1. Capacidad Fija GPRS Es posible asignar una capacidad fija o dedicada a GPRS, donde uno o más TS son asignados en forma permanente al tráfico GPRS. Estos TS al ser configurados para GPRS no pueden ser utilizados para tráfico de CS. Con esto se asegura cierta capacidad del servicio GPRS para una determinada celda. El inconveniente de utilizar esta configuración es que los niveles de bloqueo para el tráfico de CS aumentan a medida que se reducen los TS para éste. La decisión de asignar TS fijos para GPRS o EDGE resulta en un compromiso entre proveer un nivel mínimo de servicio GPRS o EDGE y aumentar la probabilidad de bloqueo para los servicios de CS. En esta decisión se debe tener en cuenta las prioridades del operador, el desempeño de la red y las predicciones de la intensidad del uso de GPRS y EDGE.

53

3.3.1.2.2. Capacidad Dinámica GPRS La capacidad dinámica o capacidad on demand puede ser usada para ofrecer mayor capacidad de tráfico GPRS cuando la carga de tráfico de CS lo permita. Hoy en día la implementación de esta capacidad varía de acuerdo a los fabricantes de equipos. La capacidad dinámica significa que la capacidad para el tráfico de paquetes es removida sólo si los servicios de CS lo requieren o el caso contrario, es decir, la capacidad de tráfico es asignada a los servicios CS, pero GPRS y EDGE pueden obtener mayor capacidad cuando la carga de los servicios de PS así lo demanden y la carga de los servicios de CS sea baja. Aunque la diferencia parezca pequeña entre estos dos casos, existen implicaciones para GPRS y EDGE en términos del desempeño en la interfaz de aire, debido a los algoritmos utilizados para provocar el cambio de capacidad en la Unidad de Control de Paquetes (PCU) en la BSC. Dedicar recursos extras a EDGE o GPRS típicamente es costoso para los operadores, por lo cual el uso de capacidad dinámica es la opción más utilizada al momento de iniciar los servicios de PS. Se debe tener cuidado con establecer tendencias engañosas con respecto a los niveles de tráfico de PS, ya que si no se brindan los recursos para que se desarrollen habrá un estancamiento, lo cual puede provocar que los operadores piensen que no existe la demanda por estos servicios.

3.3.1.2.3. Recursos para GPRS o EDGE en un Sistema CS Un sistema diseñado para tráfico de CS usualmente permitirá una tasa de transmisión básica para los servicios de PS, ya que estos sistemas han sido diseñados con suficiente margen para que exista una baja probabilidad de bloqueo, con lo cual aparece una capacidad espontánea que puede ser utilizada. A medida que el tráfico de paquetes pueda ser interrumpido temporalmente, para acomodar los peaks de tráfico CS, no habrá una degradación relevante en los servicios de CS. En la Tabla 3-10 se muestra el promedio de TS que pueden ser utilizados por GPRS o EDGE, dado un número de TS y probabilidad de bloqueo. Debido a la eficiencia de trunking del tráfico de CS la capacidad para GPRS o EDGE no aumenta en forma lineal. Tabla 3-10: Promedio de TS disponibles para GPRS. TRX Carga CS Carga CS Prom. de TCH Prom. de TCH (TCH)/celda de TCH con de TCH con disponibles para disponibles para un 1% de un 2% de EDGE (caso 1% EDGE (caso 2% bloqueo bloqueo bloqueo) bloqueo) 1 (6) 1.9 2.2 4.1 3.8 2 (14) 7.3 8.0 6.7 6.0 3 (21) 12.7 13.8 8.3 7.2 4 (29) 19.3 20.6 9.7 8.4 5 (36) 25.3 26.8 10.7 9.2 6 (44) 32.2 34.0 11.8 10.0

Habiendo determinado la capacidad disponible para GPRS y EDGE es necesario dimensionar esta capacidad para otorgar al usuario un GoS satisfactorio. El uso del modelo Erlang B, utilizado en el tráfico de CS, no puede ser utilizado para el tráfico de PS debido a sus características.

54

La estimación del promedio máximo de la tasa de transferencia que soporta una celda, para EDGE o GPRS se obtiene multiplicando la capacidad promedio disponible por la tasa de transmisión por TS. Por ejemplo si se tiene 9.2 TS, se asume que se usa EDGE con un esquema MCS-7, 44.8 [Kbps], y un Block Error Rate (BLER) del 10%, se obtiene que la tasa promedio disponible en una celda es:

Throughput = 9.2 ⋅ 44.8 ⋅ (1 − 0.1) = 370.944 Kbps Expresión 3-15: Tasa de transmisión para un esquema MCS-7, BLER del 10% y 9.2 TS disponibles.

Cabe mencionar que es necesario realizar simulaciones a nivel de red para poder anticipar el perfil del tráfico y conformar la base para los procesos de planificación y optimización.

3.3.1.2.4. Incremento de la Capacidad de GPRS y EDGE Como se mencionó anteriormente, en una red típica generalmente se tendrá una capacidad disponible pero limitada para el tráfico GPRS y EDGE. Para aumentar esta capacidad se deben utilizar más recursos, los cuales se reflejarán en una mayor disponibilidad de canales de tráfico (TS). Esto se puede obtener dedicando más TS al tráfico PS, a expensas del aumento de la probabilidad de bloqueo en los servicios CS, o agregando TRXs a las celdas que demanden mayor tráfico. Otra forma es utilizando un codificador AMR con uso half-rate para el tráfico de voz, lo que permite que dos usuarios utilicen un mismo TS. AMR requiere que los dispositivos tengan la capacidad de soportar AMR. El uso de half-rate puede ser aplicado sólo con condiciones favorables de radio.

3.3.1.3. Capacidad de Señalización[8] 3.3.1.3.1. Criterio de Capacidad de Señalización La forma más común de dimensionar los canales de tráfico para las llamadas de voz en GSM es utilizando un criterio de probabilidad de bloqueo del 2%, cuyo tráfico se calcula con las formulas del modelo Erlang B. A pesar de lo anterior, las llamadas también pueden ser bloqueadas debido a la falta de recursos de señalización. Si se asume que las probabilidades de bloqueo por falta de canales de señalización y tráfico son independientes, entonces la probabilidad de bloqueo que percibirá el usuario será la suma de éstas. Por lo tanto se hace necesario contar con algún criterio que permita establecer la capacidad necesaria para los canales de señalización. Una primera idea, bastante intuitiva, sería utilizar una baja probabilidad de bloqueo para los procedimientos de señalización y así la gran mayoría de los bloqueos serían provocados por la falta de canales de tráfico. Se puede utilizar una probabilidad de bloqueo del 0.2% (una probabilidad 10 veces menor). Un segundo criterio podría ser no sobredimensionar la capacidad de la red, con lo cual se permitiría una mayor probabilidad de bloqueo, de 1% o 2%. Es importante mencionar que la carga de señalización depende de la tasa de llamadas realizadas, y no de la duración de éstas. La capacidad de los canales de señalización es determinada como el número de llamadas por hora, en vez de la carga de tráfico, que pueden ser soportadas dada una cierta probabilidad de bloqueo.

55

3.3.1.3.2. Capacidad de Señalización para Voz en GSM Los canales usados para establecer las llamadas en los servicios de voz son el Common Control Channel (CCCH) y el Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH). El número de actualizaciones de ubicación de los usuarios y el tráfico SMS también afectan la carga, por lo tanto también la capacidad de estos canales para establecer las llamadas. Los procedimientos pueden ser modelados usando sistemas de colas, ya que si no hay subcanales SDCCH disponibles, quién lo haya solicitado será puesto en una cola de espera hasta que se liberen los recursos. En la Figura 3-7 se muestra un ejemplo de un procedimiento de señalización modelado con un sistema de colas.

Figura 3-7: Ejemplo con el procedimiento de señalización, modelado con un sistema de colas. [8]

Dado que los sistemas de colas se vuelven más complejos al considerar colas múltiples no se obtiene una solución analítica simple, menos aún si se considera el uso de temporizadores y reintentos de establecimiento de llamadas. Por lo tanto es necesario utilizar alguna herramienta de simulación que permita realizar los análisis requeridos para estudiar la capacidad de estos canales tomando en cuenta colisiones, accesos aleatorios, número máximo de retransmisiones y temporizadores expirados.

3.3.1.3.3. Capacidad de Señalización en GPRS/EDGE En EDGE existen dos posibilidades para iniciar la transferencia de paquetes de datos, la primera es utilizando el canal CCCH de GSM o el nuevo incorporado junto con EDGE, PCCH, el cual fue creado para cumplir esta función. A continuación se realiza la revisión de la capacidad de señalización en el caso del uso compartido del canal CCCH.

♦ En la sección N del anexo se profundiza con mayor detalle la influencia de los canales de señalización en el tráfico de los servicios de voz y datos.

56

3.3.2. UMTS-WCDMA 3.3.2.1. Factor de Carga [17] Para realizar la planificación de capacidad se debe estimar el tráfico que deberán soportar las estaciones base. El sistema WCDMA es limitado por interferencia, pero por otra parte permite un reuso de frecuencia igual a 1. Esto último conlleva a que se debe estimar la capacidad de la celda en función de la interferencia producida por los mismos usuarios que la están utilizando, en el caso del enlace UL, y la producida por las otras estaciones base en el enlace DL.

3.3.2.1.1. Factor de Carga del Enlace UL Primero se definirá la razón Eb/N0, que corresponde a la energía por bit dividida por la densidad de ruido espectral. Cabe mencionar que para su cálculo se debe tener en cuenta que es una cantidad adimensional. Pj W ( Eb / N 0 ) j = ⋅ v j R j I total − Pj Expresión 3-16: Razón Energía por bit a Densidad espectral del ruido del usuario j.

Donde W es la tasa de chip, Pj es la potencia de la señal recibida desde el usuario j, vj es el factor de actividad del usuario j, Rj es la tasa de bit del usuario j, por último Itotal es la potencia total del ruido de todo el ancho de banda, recibido por la estación base, incluyendo la potencia del ruido termal. Al resolver para Pj se obtiene la Expresión 3-17.

Pj =

1 ⋅ I total W 1+ (Eb / N 0 ) j ⋅ R j ⋅ v j

Expresión 3-17: Potencia de la señal del usuario j recibida en la estación base.

Definiendo Pj = Lj w Itotal se obtiene el factor de carga Lj de una conexión.

Lj =

1 W 1+ (Eb / N 0 ) j ⋅ R j ⋅ v j

Expresión 3-18: Factor de carga para la conexión de UL del usuario j.

La interferencia total recibida, producida por el uso simultáneo de la celda por los usuarios, excluyendo el ruido termal PN , puede ser escrita como la suma de todas las potencias recibidas desde todos los usuarios, N, en una misma celda. I total − PN =

N

∑

j =1

Pj =

N

∑L j =1

j

⋅ I total

Expresión 3-19: Interferencia total recibida en una celda con N usuarios.

Se define el término incremento del ruido (noise rise) como en la Expresión 3-20. 57

Noise rise =

I total PN

Expresión 3-20: Término noise rise.

Por otro lado se define el factor de carga ηUL como:

η UL =

N

∑L j =1

j

Expresión 3-21: Factor de carga del enlace UL (ηUL).

Pero la expresión para el factor de carga no está completa, ya que no se está tomando en cuenta la interferencia que producen las otras celdas y no sólo las adyacentes. Para tomar en cuenta esta interferencia entre celdas se utiliza la razón entre la interferencia en la otra celda y la interferencia en la propia celda.

i=

Interferen cia en las otras celdas Interferen cia en la propia celda

Expresión 3-22: Factor i que da cuenta de la interferencia entre celdas en el factor de carga.

Reescribiendo la Expresión 3-21 para el factor de carga se tiene:

N

N

η UL = (1 + i ) ⋅ ∑ L j = (1 + i ) ⋅ ∑ j =1

1 W j =1 1+ (Eb / N 0 ) j ⋅ R j ⋅ v j

Expresión 3-23: Factor de carga del enlace UL (ηUL), corregido.

En la Tabla 3-11 se listan los parámetros que son parte de la Expresión 3-23 del factor de carga y algunos valores para estos. Tabla 3-11: Parámetros usados en el cálculo del ηUL. Definición Número de usuarios por celda Factor de actividad del usuario j a nivel de capa Física Eb/N0 Razón energía por bit a densidad espectral del ruido, la cual es requerida para alcanzar un determinado BLER. Esta densidad incluye el ruido térmico y la interferencia. W Tasa de chip WCDMA Rj Tasa de bit del usuario j i Razón interferencia de otra celda a la propia, visto por el receptor de la estación base. N vj

Valores recomendados 0.67 para voz, asumiendo un 50% de actividad de voz. Para el tráfico de datos el valor es 1. Depende del servicio, tasa de bit, diversidad en la antena de recepción, velocidad del móvil, etc. 3.84 Mcps Depende del servicio Con macro celdas y antenas omnidireccionales: 55%. Macro celdas con 3 sectores: 65%.

La Expresión 3-23 predice el incremento del ruido por sobre el ruido termal debido a la interferencia. El margen por interferencia en el cálculo del radioenlace debe ser igual al máximo incremento de ruido calculado, por éste método u otro. El incremento del ruido es igual a -10· log10(1ηUL). 58

La razón Eb/N0 requerida puede ser obtenida a través de simulaciones, mediciones en terreno y de los requerimientos de desempeño exigidos por el 3GPP. El término i es una función del entorno de la celda (ejemplo: macro/micro celdas, urbana/suburbana) y el patrón de la antena (ejemplo: omnidireccional, 3-sectorial, 6-sectorial). La Expresión 3-23 es comúnmente usada para obtener un promedio de la capacidad de una celda WCDMA sin tener que realizar simulaciones. En una red clásica, en la cual sólo se dan servicios de voz, donde los N usuarios de la celda tienen una baja tasa de bit R se obtiene que: W >> 1 Eb / N 0 ⋅ R ⋅ v Expresión 3-24: Simplificación al considerar una tasa de bit, R, baja.

Con lo cual la Expresión 3-23 para el factor de carga para el enlace UL queda como en la Expresión 3-25. Eb / N 0 ⋅ N ⋅ v ⋅ (1 + i ) W /R

η UL =

Expresión 3-25: Factor de carga (ηUL) para una red con sólo servicio de voz.

3.3.2.1.2. Factor de Carga del Enlace DL El factor de carga del enlace DL, ηDL, puede ser definido de forma similar al factor de carga del enlace UL, con lo cual se llega a la Expresión 3-26.

η DL =

N

∑v j =1

j

⋅

(Eb / N 0 ) j W /Rj

[

⋅ (1 − α

j

)+ i ] j

Expresión 3-26: Factor de carga del enlace DL, ηDL.

En este caso el incremento del ruido es igual a -10· log10(1- ηDL) por sobre el ruido termal debido a la interferencia por múltiples accesos. Se aprecia en la Expresión 3-26 que existen un término nuevo, αj, el cual no aparece en el factor de carga del enlace UL. El término corresponde a un factor de ortogonalidad en el enlace DL. WCDMA emplea códigos ortogonales en el enlace DL para separar el tráfico de cada usuario. Cuando la ortogonalidad es 1, los códigos están perfectamente ortogonales. Típicamente la ortogonalidad está entre 0.4 y 0.9 en canales con multitrayectorias. Debido a que la interferencia que recibe el usuario de otras celdas depende de la ubicación de éste, se utiliza el promedio del término ij y el promedio de la ortogonalidad del código de cada usuario. Con esto la Expresión 3-26 queda como la siguiente.

η DL =

N

∑v j =1

j

⋅

(Eb / N 0 ) j W /Rj

[(

) ]

⋅ 1−α + i

Expresión 3-27: Factor de carga del enlace DL, ηDL, aproximado. 59

Tabla 3-12: Parámetros usados en el cálculo del ηDL. Definición Número de usuarios por celda Factor de actividad del usuario j a nivel de capa Física Eb/N0 Razón energía por bit a densidad espectral del ruido, la cual es requerida para alcanzar un determinado BLER. Esta densidad incluye el ruido térmico y la interferencia. W Tasa de chip WCDMA Rj Tasa de bit del usuario j αj Ortogonalidad del canal para el usuario j N vj

ij Ā ī

Valores recomendados 0.58 para voz, asumiendo un 50% de actividad de voz. Para el tráfico de datos el valor es 1. Depende del servicio, tasa de bit, diversidad en la antena de recepción, velocidad del móvil, etc.

3.84 Mcps Depende del servicio Depende de la propagación por multitrayectorias. 1: ortogonalidad perfecta, la señal sigue sólo 1 camino. 0: No existe ortogonalidad. Razón entre la potencia recibida de Para cada usuario se tiene un valor distinto de otra celda a la propia, por parte de un ij, ya que depende de su posición en la celda y el desvanecimiento log-normal. usuario. Promedio del factor de ortogonalidad en 50% para vehículos. la celda. 90% para peatones. Recomendaciones de la UIT. Promedio de ij para los usuarios de la celda Macro celdas con antenas omnidireccionales: 55%. Macro celdas con 3 sectores: 65%.

3.3.2.2. Capacidad Blanda (Soft Capacity) [17] Cuando la capacidad de una estación base está limitada por el hardware de ésta, se le asocia el llamado bloqueo duro (Hard Blocking) que ocurre cuando un usuario no tiene acceso al servicio por falta de capacidad, en este caso dura. Se habla de soft capacity si la capacidad está limitada por la interferencia en la interfaz de aire, ya que no existe un valor fijo para la capacidad máxima. Este caso se asocia al bloqueo blando (Soft Blocking), que ocurre cuando un usuario no tiene acceso al servicio por falta de capacidad, en este caso blanda. En WCDMA, al utilizar Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS), la cantidad de usuarios que puede haber en una celda está limitada sólo por la interferencia y este límite se lo auto impone el operador. Un sistema que está limitado por capacidad blanda no puede estimar su capacidad utilizando las formulas del modelo Erlang B, ya que estas darían resultados demasiado pesimistas. El conjunto total de canales es mayor al simple promedio del número de canales por celda, ya que con las celdas adyacentes se comparte una fracción de la misma interferencia, y existe más tráfico que puede ser atendido con la misma probabilidad de bloqueo. La capacidad blanda es importante en aplicaciones que necesitan tasas altas de transmisión de datos en tiempo real, como por ejemplo video conferencias. La capacidad blanda en WCDMA, para efectos de tráfico, se define como el incremento de la capacidad en Erlang con soft blocking por sobre la misma capacidad pero con hard blocking, con el mismo número máximo de canales por celda.

60

Soft Capacity =

Capacidad en Erlang con soft blocking −1 Capacidad en Erlang con hard blocking

Expresión 3-28: Capacidad blanda (Soft Capacity).

Los pasos para estimar la capacidad blanda de una celda son los siguientes

• Calcular el número de canales por celda, N, en el caso de carga equilibrada, basada en la Expresión 3-23. • Multiplicar el número de canales por 1+ i (ver Expresión 3-22), para obtener el conjunto total de canales para el caso de bloqueo blando. • Calcular el tráfico máximo que se puede ofrecer utilizando las formulas del modelo Erlang B. • Dividir la capacidad en Erlangs por 1+ i. Este procedimiento para obtener la capacidad blanda tiene las siguientes hipótesis. • El número de suscriptores en cada celda es la misma, pero el inicio y término de cada conexión es independiente. • Los intervalos entre cada solicitud de llamada sigue una distribución de Poisson.

3.3.2.3. Dimensionamiento de los RNC [22] Las redes de telefonía móvil generalmente son bastante grandes, por lo cual no se puede utilizar sólo una RNC, ya que no podría manejar todo el tráfico generado en la red. Cuando se está dimensionando la red se hacen estimaciones generales, una de éstas es que los sitios están uniformemente distribuidos en el área de servicio y cada RNC maneja las mismas cantidades de tráfico. Existen varias limitaciones en la capacidad de los RNC, y al menos se deben tener en cuenta las siguientes. • Número máximo de celdas (Una celda está identificada por una frecuencia y un scrambling code11). • Número máximo de estaciones base (Nodos B) bajo el control de un RNC. • Máxima tasa de transferencia (throughput) de la interfaz Iub. • Capacidad y tipo de interfaz física. (ejemplo: STM-1, E1, Ethernet, F.O.). El número de RNCs que se necesitan para conectar cierto número de celdas puede ser obtenido a través de la Expresión 3-29.

NumRNCs =

NumCeldas CeldasRNC ⋅ M 1

Expresión 3-29: Número de RNCs considerando el número de celdas a desplegar.

11

Corresponde a un código de identificación que se utiliza también para identificar a los usuarios. 61

En la Expresión 3-29, NumCeldas es el número de celdas en el área que se está dimensionando, CeldasRNC corresponde al número máximo de celdas que pueden ser conectadas a un RNC y M1 es un margen utilizado para no dimensionar utilizando la capacidad máxima. En la Expresión 3-30 se obtiene el número de RNCs necesarias dado el número de estaciones base que deben ser conectadas al RNC.

NumRNCs =

NumBSs bsRNC ⋅ M 2

Expresión 3-30: Número de RNCs considerando el número de estaciones base a conectar al RNC.

NumBSs es el número de estaciones base a desplegar en el área que se está dimensionando, bsRNC corresponde al número máximo de estaciones base que pueden ser conectadas a un RNC y M2 es un margen utilizado para no dimensionar utilizando la capacidad máxima. Otro criterio para determinar el número de RNCs a utilizar es la capacidad máxima de la interfaz Iub. Para esto se puede utilizar la Expresión 3-31, donde tpRNC es la capacidad máxima de la interfaz Iub, M3 es un margen utilizado para no dimensionar utilizando la capacidad máxima y numUsuarios es el número de suscriptores que estarán simultáneamente activos.

NumRNCs =

vozTP + datosTPCS + datosTPPS ⋅ numUsuarios tpRNC ⋅ M 3

Expresión 3-31: Número de RNCs considerando el tráfico generado por los Nodos B.

El resto de los parámetros de la Expresión 3-31 corresponden a las tasas de transferencia para la voz, datos del dominio CS y datos del dominio PS. Dado estos 3 criterios para encontrar el número de RNCs, se debe escoger el máximo y en el caso que se llegue a números con decimales, se debe considerar el entero inmediatamente superior.

62

3.3.3. WiFi En esta sección se aborda la capacidad que puede ofrecer un sistema WiFi, la cual está limitada por el mecanismo que utiliza para compartir el medio de transmisión. WiFi utiliza un sistema basado en Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance (CSMA-CA), en el cual cada host que desea transmitir debe verificar que el canal esté desocupado, si no es así, los host esperan un tiempo aleatorio luego del cual vuelven a verificar la disponibilidad del canal.

3.3.3.1. Primera Aproximación En la Figura 3-8 se muestra un esquema básico de un frame WiFi, el cual está compuesto por el preámbulo que le permite detectar la señal del AP, la adquisición de la frecuencia y la sincronización.

Figura 3-8: Componentes básicos de un frame WiFi.

El segmento del frame llamado overhead contiene la información necesaria para manejar el paquete dentro de una red de datos, como por ejemplo el largo del paquete, la tasa de datos, direcciones de destino y origen, etc. En el último segmento, llamado datos en la Figura 3-8, es el Protocol Data Unit (PDU) MAC que contiene la información real del usuario. [24] El throughput es a una forma con la cual se puede estimar la capacidad de una tecnología, y corresponde a la tasa de transferencia de datos con la cual puede contar el usuario. El throughput en WiFi depende de varios factores, entre ellos está la tasa de transmisión, el overhead del protocolo, la eficiencia de la capa MAC, el preámbulo, el tamaño del paquete y la eficiencia de protocolos de capas superiores (TCP/IP). También pueden afectar al throughput las retransmisiones que se deben realizar debido a colisiones, ya que se está ‘compitiendo’ por transmitir. Por ejemplo si se utiliza DSSS, el preámbulo utiliza 144 bits, y el overhead 48 bits. Con estos datos se obtiene que cerca del 50% del paquete no es información útil para el usuario, por lo cual el throughput es alrededor de 5 Mbps cuando se utiliza 11 Mbps en 802.11b y 30 Mbps para el caso de los 54 Mbps de 802.11a y 802.11g.

3.3.3.2. Capacidad al utilizar DCF En el estándar 802.11 se definieron dos métodos de acceso: el Distributed Coordination Function (DCF) que utiliza CSMA-CA, donde los usuarios ‘compiten’ por el medio inalámbrico, y el Point Coordination Function (PCF), el cual proporciona acceso controlado a través de un punto coordinador (Point Coordinator) que está en el AP. El estándar permite que estos métodos coexistan utilizando de forma alternada DCF y PCF. El método de acceso DCF está basado en el principio de CSMA-CA. Si un host inalámbrico requiere transmitir primero debe sensar el canal y esperar un tiempo determinado, para luego transmitir si el canal está desocupado. Para estimar la capacidad, en primera instancia se asumirá que sólo habrá un host transmitiendo en una celda 802.11b. Si además se ignora el tiempo de propagación se tendrá que el tiempo que toma transmitir un frame de datos en forma exitosa, sin colisión, está dado por: 63

T = t tr + t ov Expresión 3-32: Tiempo necesario para transmitir un frame.

Donde el tiempo utilizado en transmitir el overhead está dado por la Expresión 3-33.

t ov = DIFS + 2 ⋅ t pr + SIFS + t ack Expresión 3-33: Descomposición de los tiempos utilizados en la transmisión del overhead.

Donde tpr es el tiempo utilizado en el preámbulo y en la transmisión de la cabecera, el Short Interframe Spacing (SIFS) es igual 10 [µs] (cuando se utiliza DSSS en la capa Física), tack es el tiempo que toma la transmisión del acknowledgment (ACK) MAC. Este tiempo depende de la tasa de transmisión, ya que su largo es de 112 bits, por lo tanto si se escoge una tasa de 11 Mbps tack será de 10 [µs]. Por último Distributed Interframe Spacing (DIFS) corresponde al tiempo aleatorio que espera un host antes de transmitir, cuando al sensar el canal este estaba ocupado, toma un valor medio de 50 [µs]. Volviendo a la Expresión 3-32, ttr corresponde al tiempo de transmisión de un frame y depende de la tasa de bits usada por el host. Así si el usuario utiliza una tasa de 1 Mbps, el estándar establece que se debe utilizar la versión larga de la cabecera Physical Layer Convergence Procedure (PLCP) y por lo tanto el ttr dura 192 [µs]. En cambio si se utiliza las tasas 2, 5.5 o 11 [Mbps]12, la duración del ttr es de 96 [µs] ya que se utiliza la versión corta de la cabecera PLCP. Con esta información se puede estimar la proporción, p, del throughput útil, medido por sobre la capa MAC con un frame de 1500 [bytes] y 34 [bytes] de overhead. La Expresión 3-34 es válida para tasas por sobre 1 [Mbps]. p=

t tr 1500 ⋅ = 0 .7 T 1534

Expresión 3-34: Proporción útil del throughput WiFi (802.11b).

En resumen, utilizando la Expresión 3-34, si un usuario esta utilizando un canal de 11 [Mbps] en realidad su throughput es de 7.7 [Mbps]. Pero esta velocidad es alcanzada sólo cuando no existen colisiones o el usuario es el único que está utilizando el canal. Cuando hay varios usuarios que están asociados con un mismo AP, cada host cuando intente transmitir revisará si el canal está ocupado y si es así los host utilizan un algoritmo que los hace esperar un intervalo de tiempo aleatorio antes de volver a sensar el canal. El intervalo de tiempo que espera cada host está uniformemente distribuido entre [0,W]×slot. Por lo tanto el host que resulta con el intervalo menor comenzará transmitiendo y el resto repetirá el proceso. La ventana de congestión varía entre 31 (Wmin) y 1023 (Wmáx) para la capa Física DSSS, en la Tabla 3-13 se muestran los valores en los otros casos.

Notar que las tasas citadas corresponden a la especificación 802.11b, y por lo tanto los tiempos citados son válidos sólo para ésta. 12

64

El tamaño del slot depende de la especificación, en 802.11b es de 20 [µs] si se utiliza DSSS en la capa Física, en cambio si se tiene una red con sólo equipos 802.11g el tiempo de duración del slot es de 9 [µs],[27], y basta con que un usuario utilice 802.11b para que la duración del slot sea de 20 [µs]. Cuando un host participa en una colisión el valor de W aumenta al doble, con un valor tope de Wmáx. Tabla 3-13: Wmin y Wmax según el estándar IEEE 802.11.[26] Capa Wmin Física FHSS 15 DSSS 31 IR 63

Wmax 1023 1023 1023

Cuando hay N host tratando de transmitir, el tiempo total de transmisión está dado por la Expresión 3-35.

T ( N ) = t tr + t ov + t cont ( N ) Expresión 3-35: Tiempo total de transmisión cuando existe N host tratando de transmitir. [25]

El término tcont(N) de la Expresión 3-35 pretende reflejar el tiempo que toma un host en lograr utilizar el canal cuando compite contra N-1 host. Una expresión analítica para este término es difícil de encontrar pero en [25] se sugiere una aproximación, la cual se muestra en la Expresión 3-36. t cont ( N ) ≈ slot ⋅

1 + Pc ( N ) Wmin ⋅ 2⋅ N 2

Expresión 3-36: Tiempo que toma un host en utilizar un canal, al competir con N-1 host.

Donde Pc(N) corresponde a la proporción de colisiones que son advertidas por la capa MAC, tomando valores entre 0 y 1. En [25] se propone una aproximación para este termino, el cual se muestra en la Expresión 3-37. Pc ( N ) = 1 − (1 − 1 Wmin )

N −1

Expresión 3-37: Proporción de colisiones reportadas exitosamente a la capa MAC.

Finalmente se puede obtener la proporción útil del throughput en función del número de host, (N), que están asociados al mismo AP.

p=

t tr T (N )

Expresión 3-38: Proporción útil del throughput en función del número de host (N).

65

3.3.4. WiMAX Debido al carácter de tecnología emergente que posee WiMAX, los trabajos referentes a la capacidad son escasos. Más aún, es difícil encontrar algún documento que abarque cada una de las posibilidades de implementación, lo cual es natural debido a que el estándar permite una gran flexibilidad y posibilidades de implementación, ya que tiene como objetivo que su adopción sea más rápida. A continuación se analiza las capa Física y MAC del estándar IEEE 802.16, revisando aquellos parámetros que disminuyan la capacidad inicial del canal desde la capa Física, y a la vez aquellos mecanismos que incorpora WiMAX que permiten mejorar las capacidades de éste.

3.3.4.1. Capa Física [29] 3.3.4.1.1. Capacidad OFDM Debido a la flexibilidad y al amplio rango de frecuencias en las cuales puede operar WiMAX se abordará la capacidad tomando en cuenta la disponibilidad del espectro de radio que se tenga. La disponibilidad del espectro de radio será lo que finalmente determine el tamaño de los canales, lo cual dependerá de la banda en la cual se este desplegando WiMAX y por lo tanto de los organismos reguladores, que en el caso de Chile es la Subtel. La banda de 3.5 [GHz] corresponde a la de mayor disposición en todo el mundo, debido a que es una banda licenciada determinada por la UIT, lo cual provocó que la mayoría de los primeros equipos certificados por el WiMAX Forum operaran en esta banda. Los canales disponibles para ésta son múltiplos enteros de 1.75 [MHz] y el tamaño asignado a cada operador dependerá del regulador de cada país. WiMAX utiliza OFDM para multiplexar los datos en el canal, ver sección F.1 del anexo, OFDM utiliza todo el ancho del canal dividiéndolo en varios canales de banda estrecha, llamados subportadoras. La capacidad de cada subportadora dependerá de la modulación que se utilice, ver Tabla 3-14, logrando un máximo de 6 bit por subportadora con la modulación 64QAM. WiMAX utiliza modulación adaptiva, esto significa que dependiendo de la calidad de la señal recibida, nivel del C/I, se cambia el tipo de modulación. Así, para un usuario cercano a la antena de la BS con una buena señal probablemente se tendrá una modulación 64QAM, pero para un usuario que este en los límites de la celda WiMAX probablemente se use la modulación BPSK. Tabla 3-14: Capacidad de la subportadora depende de la modulación. Modulación BPSK QPSK 16QAM 64QAM

Capacidad [bit/subportadora] 1 2 4 6

66

Dentro de la interfaz OFDM y Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), ver sección F.1.1 del anexo, se establecen parámetros que determinan la distancia entre portadoras y el tiempo de cada símbolo OFDM, los cuales serán utilizados para la estimación de la capacidad de WiMAX. Uno de los parámetros es la frecuencia de muestreo, Fs, presentada en la Expresión 3-39, la cual depende del factor de muestreo, n, que a su vez depende del ancho de banda, que en el caso de 3.5 [GHz] se tiene que n es igual 8/713. Para realizar los cálculos se trabajará con un ancho de banda (BW) de 7 [MHz]. Cabe mencionar que en la Expresión 3-39 BW se utiliza en Hertz y, por lo tanto, el termino Fs se obtiene en Hertz.

Fs = floor (

n ⋅ BW ) ⋅ 8000 8000

Expresión 3-39: Frecuencia de muestreo, parámetro de las interfaces físicas de WiMAX

A partir de la Expresión 3-39 se obtiene que Fs es igual a 8 [MHz]. Con este valor se puede obtener el espacio que habrá entre las 256 subportadoras dentro del canal de 7 [MHz], a través de la Expresión 3-40. ∆f = Fs / N FFT = 8000000 / 256 = 31250 Expresión 3-40: Espacio entre subportadoras.

De la Expresión 3-40 se obtiene que el espacio entre subportadoras es de 31.25 [KHz], cuyo valor depende del tamaño de la Fast Fourier Transform (FFT). En este caso se puede decir que el uso del espectro no es muy eficiente, ya que se tienen 200 subportadoras para transmitir información, y esto al multiplicarlo por el ∆f nos entrega el ancho de banda real que se está utilizando, 6.250 [MHz], lo cual significa una eficiencia del 89.28 %. Cabe mencionar que de las 200 subportadoras, con las cuales se realizaron los cálculos, no todas son utilizadas para el tráfico de usuarios y administración de éstos, 8 de éstas son utilizadas como referencia y sincronización, y son llamadas subportadoras piloto. Una primera aproximación para la capacidad de una subportadora, sin tomar en cuenta el overhead producido por los sistemas de redundancia y corrección de errores, depende del número de bits que se puedan enviar por símbolo, ver Tabla 3-14. Sin embargo para obtener una mejor aproximación se incluye el overhead que produce el uso del prefijo cíclico (CP). El tiempo de un símbolo está compuesto por un tiempo útil, Tb, que es el tiempo que abarca un símbolo, más el tiempo que abarca una fracción del último símbolo enviado. Se envía esta fracción, denominado prefijo cíclico, al comienzo del símbolo que se está enviando para disminuir los efectos de desvanecimientos por multitrayectorias, retardo y errores de sincronización (ver Figura 3-9).

Figura 3-9: Estructura del símbolo OFDM en el dominio del tiempo.[30]

13

En la Tabla F-3 se muestran los diferentes valores para n de acuerdo al ancho de banda utilizado. 67

Tb = 1 / ∆f Ts = Tb + G ⋅ Tb Expresión 3-41: Tiempo útil del símbolo OFDM, Tb, y tiempo del símbolo OFDM.

A partir de la Expresión 3-41 se obtiene que el tiempo útil del símbolo para un canal de 7 [MHz] y 256 canales es de 32 [µs]. A medida que el prefijo cíclico es más grande, es decir el factor G es mayor, se tiene un mayor overhead y por lo tanto la capacidad efectiva de un símbolo disminuye. Esto se debe a que no se está enviando información nueva, pero se está ganando en inmunidad a la interferencia intersimbólica (ISI), debido a multitrayectorias y errores de sincronización. El valor de G según el estándar 802.162004 de la IEEE, [30], puede tomar los siguientes valores: 1/4, 1/8, 1/16 y 1/32 (ver sección F.1 del anexo). Si se utiliza el menor valor para el factor G se obtiene que el tiempo total del símbolo, Ts, a partir de la Expresión 3-41 es de 33 [µs]. Con este valor se puede obtener la capacidad del canal, pero se debe tener en cuenta que aún no se incorporan las redundancias que se utilizan para la corrección de bits erróneos.

C aprox = N ° de Subportadoras ⋅ b

Ts

Expresión 3-42: Aproximación a la capacidad del canal.

La capacidad aproximada del canal que se obtiene de la Expresión 3-42, depende del número de bits que se puedan enviar por símbolo, b, del tiempo total del símbolo, Ts, y el número de subportadoras que se utilizan para el tráfico de datos y su administración, que en el ejemplo que se está desarrollando es de 192. Por otro lado, el número de bits que se pueden enviar por símbolo depende de la modulación que se utilice (ver Tabla 3-14). Luego, si se asume que se está utilizando una modulación 64QAM, 6 bits por símbolo, se obtiene que la capacidad del canal es de 35 [Mbps]. En cualquier sistema inalámbrico se espera que exista recepción de bits erróneos, cuyo origen es bastante variado. Para corregir estos errores en la comunicación se utilizan distintos mecanismos, en particular el estándar 802.16-2004 utiliza el Forward Error Correction (FEC) además de interleaving14, por mencionar algunos. En estos procesos se envían bits redundantes dentro de los bits de información de cada símbolo, por lo tanto el overhead aumenta y disminuye la capacidad del canal. Para la interfaz física WirelessMAN-OFDM el estándar específica, [30], el uso de ciertas tasas de codificación para cada tipo de modulación, ver Tabla 3-15. Las tasas de codificación son la fracción, del total de bits enviados, que no son redundantes. Por ejemplo, si se tiene una tasa de codificación de 3/4, significa que 1/4 de los bits enviados son redundantes. Estos mecanismos de redundancia no replican los bits sino que aplican complejos algoritmos a partir de los cuales se obtienen los bits redundantes.

14

Es un mecanismo en el cual se toma la información y se desordena antes de enviarla. 68

Tabla 3-15: Requisitos de codificación por modulación, extracto tabla 215 de [30]. Modulación BPSK QPSK QPSK 16QAM 16QAM 64QAM 64QAM

Tamaño del bloque Tamaño del bloque Overall CC sin codificar [Bytes] codificado [Bytes] coding rate code rate 12 24 1/2 1/2 24 48 1/2 2/3 36 48 3/4 5/6 48 96 1/2 2/3 72 96 3/4 5/6 96 144 2/3 3/4 108 144 3/4 5/6

En la Tabla 3-15 se muestran los tamaños de los bloques, en bytes, para cada tipo de modulación y codificación para la interfaz física OFDM. Un bloque corresponde a la unidad de información que comprende a todas las subportadoras del canal en un determinado instante. El tamaño del bloque, codificado o sin codificar, asignado a un SS será el tamaño listado en la Tabla 3-15 multiplicado por el número de subcanales asignados y dividido por 16 [30]. La capacidad útil del canal por símbolo, se obtiene a través de la Expresión 3-43, donde OCR es el overall coding rate. Con esta expresión se puede calcular finalmente una buena aproximación del canal. Siguiendo con el ejemplo, donde se obtuvo que Caprox es igual a 35 [Mbps], y asumiendo que se puede utilizar la modulación y tasa de codificación más altas, se obtiene que la capacidad de un canal de 7 [MHz], con una FFT de 256 puntos, es de C = 36 × 3/4 = 26 [Mbps]

C = C aprox ⋅ OCR Expresión 3-43: Capacidad del canal.

Una forma útil para realizar comparaciones entre distintas tecnologías, en cuanto a tasa de transferencia en función del ancho de banda utilizado es la eficiencia espectral, la cual se obtiene dividiendo la capacidad del canal por el ancho de banda de éste. El resultado que se obtiene es en bps/Hertz. En el ejemplo desarrollado se obtiene una eficiencia de 3.71 [bps/Hz].

Eficiencia Espectral = C / BW Expresión 3-44: Eficiencia espectral.

3.3.4.1.2. Eficiencia en el uso del Frame En la sección anterior se vio que los símbolos OFDM tienen un tiempo de duración y que además puede variar, pero tanto la BS como el SS envían ráfagas de símbolos, no uno sólo, los cuales son agrupados en frames TDMA. Debido a que la duración de los símbolos es variable y el tamaño de los frames es fijo, existe la posibilidad de que no se utilice el 100% del frame. El overhead que se produce es menor al tiempo de un símbolo, el cual depende del tamaño del frame y del ancho del canal, pudiendo volverse importante en frames de menor duración. Para la interfaz física OFDM el estándar, [30], especifica que la duración de un frame puede ser de 2.5, 4, 5, 8, 10, 12.5 o 20 [ms]. Cabe mencionar que al calcular el overhead como el porcentaje que equivale el tiempo del frame no utilizado, se está suponiendo el uso de transmisión Frequency Division Duplex (FDD), ya que si se 69

utiliza TDD se debe agregar a este tiempo, que no se utiliza en el frame, un tiempo de resguardo que se utiliza entre frames de los enlace UL y DL, el cual también está especificado.

3.3.4.1.3. Preámbulos 3.3.4.1.3.1 Sincronización En el enlace DL la sincronización se realiza mediante un preámbulo de bits con un patrón fijo que es transmitido al comienzo de cada frame. Este preámbulo utiliza 2 símbolos de cada frame reduciendo de esta forma su capacidad útil15. Al igual que en el uso de los frames, la sincronización es crítica en frames que contienen pocos símbolos. En el enlace UL los SS envían ‘ráfagas’, cuyo largo dependerá de la naturaleza del servicio que esté utilizando cada uno. El preámbulo ocupa un símbolo al inicio de cada ‘ráfaga’ y en cada envío, por lo cual la cantidad de preámbulos en un determinado tiempo dependerá del servicio que se esté utilizando. El peor caso es aquel en que el SS sólo necesite enviar un símbolo por ‘ráfaga’, provocando un 50% de overhead. Afortunadamente existen mecanismos para evitar estas posibles ineficiencias, como el uso de buffers de memoria en los cuales se agrupan ‘ráfagas’ de menor tamaño para formar una unidad mayor.

3.3.4.1.3.2 Ranging El Ranging es un método que permite compensar los retardos variables de cada SS debido a la distancia a la BS y así evitar recibir símbolos que se traslapen en el tiempo. Para realizar este proceso, periódico, la BS asigna uno o más símbolos en el enlace UL para ‘escuchar’ aquellos SS que se unen a la red, los cuales envían su factor de compensación de retardo e información extra necesaria para el establecimiento de la comunicación. La periodicidad con la cual la BS ‘escucha’ y actualiza la información es configurable, y probablemente variará entre cada fabricante, aunque en el estándar 802.16-2004 se establece que el intervalo máximo entre procesos de ranging, al momento en que un nuevo SS se une a la red, es de 2 segundos. Si consideramos el caso del frame de mayor tamaño, 20 [ms], se obtiene que 1 de cada 100 frames se verá afectado en su capacidad, luego la merma a la capacidad que provoca este procedimiento es insignificante.

3.3.4.1.4. Subcanalización En la interfaz física OFDM se establece que el enlace UL puede ser dividido hasta en 16 subcanales agrupados en un cierto número de subportadoras, lo cual permite a los SS concentrar su potencia de transmisión en algunas subportadoras. El estándar permite que el SS pueda transmitir en 1, 2, 4, 8 y 16 subcanales, siendo esta última la opción por defecto, es decir, el SS utiliza las 192 subportadoras. Este es el caso de OFDM con FFT de 256 puntos, es decir, la versión fija de WiMAX. La subcanalización afecta la capacidad del canal en forma indirecta, ya que cambia el minimum allocation unit (MAU) del enlace UL. El MAU corresponde a la menor unidad de datos que puede utilizar un SS, la cual es un subcanal, que en el caso de OFDM con una FFT de 256 puntos estará compuesto por 12 subportadoras (192 subportadoras de datos divididas en 16 subcanales). 15

Se denomina capacidad útil aquella que es posible utilizar para el tráfico de datos de los usuarios. 70

El proceso de subcanalización introduce eficiencia a la asignación de recursos a cada SS, ya que permite una mayor precisión en la asignación. Por ejemplo en el caso que cada SS pueda utilizar los 16 subcanales y asumiendo una codificación 16QAM-3/4, se obtendrá que la unidad mínima asignada sin codificar es de 72 bytes, ver Tabla 3-15. Sin embargo si el usuario sólo desea enviar 8 bytes en un frame se estarán desperdiciando 64 bytes. Ahora si sólo se le asignan 2 subcanales al SS se tendrá que la unidad mínima asignada (MAU) será de 72×2 ⁄ 16 = 9 bytes, con lo cual sólo se desperdiciara 1 byte. En conclusión la subcanalización afecta la capacidad efectiva que tenga WiMAX en sus implementaciones OFDM y OFDMA, además de la relación entre payload y el MAU. Por lo tanto para estimar el overhead que provoca la subcanalización se deberá trabajar con un payload promedio, el cual dependerá de los servicios que ofrezca cada operador y que pueda soportar el SS.

3.3.4.1.5. Minimum Allocation Unit (MAU) El MAU, como se menciono en la sección anterior, corresponde a la mínima unidad que se puede asignar a un usuario para que envíe información. Una de las características de OFDM es que utiliza cada subportadora para enviar pequeñas cantidades de información, esto en conjunto con el uso de la subcanalización, permite obtener una mayor precisión en la asignación de los recursos, lo cual se traduce en una mayor eficiencia, ya que los recursos se pueden tener un mejor ajuste a las necesidades de cada SS. Por lo tanto se puede decir que existe un aumento en la capacidad ya que su asignación es más eficiente.

Tamaño del MAU = floor ( Nc ⋅ Nsa ⋅ OCR / 16) Expresión 3-45: Tamaño del MAU.

El tamaño del MAU se obtiene a través de la Expresión 3-45, donde Nc corresponde al número de bloques codificados, ver Tabla 3-15, y Nsa es el número de subcanales asignados a cada SS (1, 2, 4, 8 o 16 para el enlace UL y 16 en el enlace DL)16.

3.3.4.1.6. Control de Potencia, Modulación y Codificación Adaptiva El control de potencia, la modulación y codificación adaptiva han tenido un gran realce en los últimos años, debido a que han aparecido de la mano con tecnologías inalámbricas de nueva generación, como lo son UMTS-WCDMA y WiMAX, permitiendo a éstas mejoras en capacidad, en la velocidad de la transferencia de datos y en cobertura. Estos mecanismos nacen de la inestabilidad que tienen los canales de comunicación en sistemas inalámbricos, en especial cuando no existe línea de vista (NLOS). Así, ante estas inestabilidades, se puede ganar cierta insensibilidad al utilizar una mayor potencia de transmisión, un esquema de modulación y codificación bajas. No obstante, la implementación óptima es cambiar la potencia de transmisión y los esquemas de codificación y modulación en forma dinámica, para obtener la mayor capacidad del canal con un cierto nivel de error en cada momento. De esta forma nacen los sistemas de modulación y codificación adaptivos y control de potencia.

16

En la enmienda 802.16e se extiende la capacidad de subcanalización en el enlace DL para las implementaciones

PMP. 71

En WiMAX estos mecanismos los implementa las BSs, donde el estándar ha especificado el soporte de la codificación y modulación adaptivos en los enlace UL y DL, mientras que el control de potencia sólo en el enlace UL [30]. Para incluir la influencia de estos mecanismos en la capacidad de cualquier sistema que los utilice, se debe saber cual es la distribución promedio de usuarios dentro de la celda, así como el nivel de C/I, ya que es este parámetro el que se evalúa para utilizar uno u otro sistema de modulación, por lo tanto lo que se obtendrá es un promedio de la capacidad del canal.

3.3.4.1.7. Diversidad Utilizar diversidad en un enlace inalámbrico corresponde a repetir hardware o procesos en éste, en el receptor y/o en el emisor, que permiten obtener un mejor desempeño al mejorar la calidad de la señal recibida. En WiMAX se pueden utilizar distintos tipos de diversidad: diversidad espacial, al utilizar el sistema adaptivo de antenas, diversidad de tiempo y diversidad de tiempo y espacio, que es una combinación de las anteriores. Además de Space Time Coding (STC) en WiMAX también se puede utilizar sistemas de antenas adaptivas (AAS), las cuales agregan diversidad espacial, permitiendo direccionar el lóbulo principal de transmisión hacia la ubicación del SS.

3.3.4.1.7.1 Space Time Coding (STC) Este tipo de diversidad está especificada en [30] para la interfaz física OFDM como opcional. STC funciona en el enlace DL agregando una vía de transmisión extra, permitiendo obtener hasta 15 [dB] de margen para el cálculo del radioenlace en entornos NLOS. La BS genera 2 flujos diferentes de datos codificados, uno para cada vía de transmisión, de modo que el SS pueda usar un algoritmo de decodificación relativamente simple para poder combinar las señales. Este sistema resulta bastante robusto ofreciendo mejoras relevantes en entornos NLOS, ya que el desvanecimiento no afectará en forma simultánea a ambos canales. STC necesita enviar preámbulos extras en cada frame OFDM y por cada vía, lo cual provoca una merma en la capacidad. El overhead que provoca utilizar STC es de un símbolo por frame.

3.3.4.2. Capa MAC [12] [29] - [31] La capa de control de acceso al medio (MAC) está compuesta por una subcapa de convergencia que funciona de interfaz con las capas superiores, una subcapa común que lleva acabo las funciones clave de la capa MAC y, por último, una subcapa de seguridad. En esta sección se revisarán aquellos mecanismos de la capa MAC, de la misma forma en que se revisó la capa Física, que en su implementación provocan el uso de recursos y, por lo tanto, un aumento en el overhead y disminución de la capacidad disponible para los servicios WiMAX.

3.3.4.2.1. Cabecera MAC El formato que se establece en [30] para el PDU (Protocol Data Unit) MAC se ilustra en la Figura 3-10. Cada PDU debe comenzar con una cabecera MAC genérica de largo fijo, la cual va seguida del payload que puede incluir una serie de subcabeceras opcionales. La información del payload puede 72

variar en su tamaño y número de bytes utilizados, lo cual permite a la capa MAC transportar tráfico de capas superiores sin tener que saber el formato de la información.

Figura 3-10: Formato del PDU MAC.[29]

En [30] se establece que existen dos formatos para las cabeceras MAC, una cabecera genérica y una para solicitar ancho de banda (Bandwidth Request Header). Pero en la enmienda 802.16e, [12], se define una cabecera MAC para el enlace DL, que corresponde a la cabecera MAC genérica, y dos cabeceras para el UL. Una de estas cabeceras es análoga a la del enlace DL, la cual se encuentra al inicio de los PDU MAC, llevando información de la subcapa de convergencia o mensajes de administración MAC, mientras que la segunda cabecera del enlace UL corresponde al PDU MAC sin payload ni el Control de Redundancia Cíclica (CRC). En la enmienda 802.16e no se elimina la cabecera de solicitud de ancho de banda (BRH: Bandwidth Request Header), sino que se modifican ciertas características y se crean una serie de nuevas cabeceras que son enviadas sin el payload, donde la mayoría de éstas tienen dos funciones y una de ellas es la solicitud de ancho de banda (revisar sección 6.3.2.1.2 de [12]). La cabecera puede estar seguida de las siguientes subcabeceras: • Subcabecera de Fragmentación (2 bytes). • Subcabecera Grant Management (2 bytes). • Subcabecera Packing (2 bytes). • Subcabecera Mesh (2 bytes). • Subcabecera de Asignación FAST-FEEDBACK (1 byte). • Subcabecera de Extensión (variable). A pesar de que puede que el overhead producido por las subcabeceras sea menor, se debe tener en cuenta la posibilidad de que cada PDU MAC que se transmita puede ser afectado por éstas.

3.3.4.2.1.1 Subcabecera de Fragmentación La fragmentación se refiere a dividir un SDU17 (Service Data Unit) MAC en varios PDUs MAC. En el caso de esta subcabecera, el overhead que puede agregar es de 1 a 2 bytes. El peor caso es asumir que cada PDU MAC incorpora esta subcabecera, donde se debe tomar en cuenta que ambos enlaces, DL y UL, se ven afectados.

3.3.4.2.1.2 Subcabecera Grant Management El Grant Management es el mecanismo que permite a los SSs comunicar a la BS las necesidades de ancho de banda. Este mecanismo agrega como máximo 2 bytes y afecta sólo al enlace UL. El peor caso es asumir que cada PDU MAC tiene esta subcabecera, pero es poco realista. Un valor aconsejado en [29] es de 10% del total de PDUs MAC. Un SDU corresponde a la unidad de información, datos, que es intercambiada entre capas adyacentes, mientras que el PDU es la unidad de información, datos, que es intercambiada entre un par de entidades. 17

73

3.3.4.2.1.3 Subcabecera Packing Esta subcabecera permite realizar el proceso inverso al de fragmentación, donde se pueden unir 2 o más SDUs MAC en un PDU MAC. Este proceso, al igual que el de fragmentación, permite un mejor uso de los recursos. Al igual que en los casos anteriores, el peor caso es asumir que cada PDU MAC tiene esta subcabecera, pero se debe tener en cuenta al momento de estimar el overhead que producen las subcabeceras, que la subcabecera packing y de fragmentación son mutuamente excluyentes. Por lo tanto es conveniente tomar un promedio y estimar el overhead producido por estas subcabeceras en 2 bytes. Esta subcabecera, al igual que la de fragmentación, afecta a ambos enlaces (DL y UL).

3.3.4.2.1.4 Subcabecera Mesh La función de esta subcabecera es soportar la operación de la red bajo una arquitectura mesh. En la arquitectura mesh los SSs no sólo pueden o no comunicarse directamente con la BS, sino que también lo pueden hacer a través de otros SSs. El overhead que provoca esta subcabecera es de 2 bytes, el cual puede ser estimado en el cálculo final si el despliegue de la red será mediante este tipo de arquitectura.

3.3.4.2.1.5 Subcabecera de Asignación Fast-Feedback Esta subcabecera permite asignar un canal UL de baja latencia al SS, que le permite comunicar a la BS el estado del enlace. Esta subcabecera está soportada sólo en la interfaz física OFDMA. El overhead que se deberá considerar en el caso de un despliegue utilizando OFDMA es de sólo un byte.

3.3.4.2.1.6 Subcabecera de Extensión La subcabecera de extensión fue incluida en la enmienda 802.16e, la cual agrega 8 posibles extensiones. Esta subcabecera incorpora un overhead variable, el que dependerá de las subcabeceras de extensión que se incorporen. Si se emplea alguna cabecera de extensión se utilizarán al menos 2 bytes, uno para indicar el largo de la subcabecera de extensión y otro que corresponde a la cabecera de la misma. Además se debe contemplar el cuerpo de cada subcabecera, por lo que se utilizan al menos 2 bytes. Las subcabeceras de extensión son las siguientes. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Subcabecera de extensión SDU SN (1 byte). Subcabecera de extensión DL Sleep Control (3 bytes). Subcabecera de extensión Feedback Request (3 bytes). Subcabecera de extensión MIMO Mode Feedback (1 byte). Subcabecera de extensión UL Tx Power Report (1 byte). Subcabecera de extensión Mini-Feedback (2 bytes). Subcabecera de extensión SN Request (1 byte). Subcabecera de extensión PDU SN (1 o 2 bytes).

De esta lista de subcabeceras sólo la última es utilizada en ambos enlaces, mientras que la 1, 2, 3 y 7 afectan sólo enlace UL. El overhead que se indica entre paréntesis en la lista anterior corresponde sólo al cuerpo, por lo que al momento de estimar el overhead total, por subcabecera, se debe agregar 1 byte. La incorporación de estas subcabeceras al estándar 802.16 fue con el motivo de soportar la movilidad de los SSs. 74

3.3.4.2.2. Mensajes de Señalización La BS le indica a los SSs cuando captar la información que le corresponde a cada uno, y, en el proceso inverso, cuando y por cuanto tiempo pueden transmitir su información, difundiendo la información de asignación y el uso del canal en cada frame del enlace DL. Esta información es considerada parte del overhead del enlace DL, ya que no corresponde a información del usuario. En esta sección se revisa el overhead que provocan la cabecera de control de frame y los mensajes downlink y uplink Map. No se revisan los mensajes descriptivos de los canales UL y DL (DCD y UCD). El mensaje DCD se transmite desde la BS en un intervalo periódico para definir las características del canal físico DL, el UCD es análogo pero para el enlace UL. Como el estado de los enlaces no sufre grandes variaciones, el intervalo en el cual se utilizan estos mensajes es grande y por lo tanto el overhead que provocan se puede desestimar.

3.3.4.2.2.1 Cabecera de Control de Frame (Frame Control Header) Cada frame del enlace DL debe tener esta cabecera, FCH, la cual es enviada bajo la modulación más baja y con la menor tasa de código, es decir BPSK 1/2, lo cual permite aumentar la probabilidad de que todos los usuarios dentro de la celda lo puedan recibir. El FCH puede ser utilizado para describir hasta 4 flujos separados de datos en el frame DL. El overhead producido por el FCH es fijo, igual a un MAU en cada frame DL, por lo tanto el porcentaje de overhead es variable y dependerá del largo del frame.

3.3.4.2.2.2 Downlink Map A través de este mensaje se define el acceso a la información del enlace DL. Su tamaño es variable, pudiendo ser modulado y con una tasa de codificación aceptable en forma independiente para cada SS. Este mensaje comienza con una cabecera de 8 bytes seguido por elementos de información (IE: Information Element) (DL-MAP_IE), cuyo tamaño es de 4 bytes por elemento, pero pueden contener extensiones que son de largo variable. Por lo tanto el tamaño del mensaje será 8 + N×4 bytes, donde N corresponde al número de IE. Cabe mencionar que existe un IE que marca el fin del mensaje que debe ser considerado dentro de N. Existe un elemento de información por cada conexión activa que utiliza el frame del enlace DL, una conexión generalmente es asociada a un SS (unicast) pero puede ser configurada para que varios SSs la compartan. Finalmente, para estimar la capacidad que utiliza DL-MAP se considera el caso en el que cada frame del enlace DL lo incluye, pero a la vez se deben considerar el número de conexiones activas que están compartiendo el frame. Por ejemplo, si hubieran 9 conexiones activas el tamaño del mensaje sería de 8 + 10×4 = 48 bytes, donde no se está incluyendo ninguna extensión de los elementos de información. Por otro lado, el tipo de codificación y modulación que se utilice también influye en el overhead que provoque este mensaje, luego si se supone el peor caso, es decir, se utiliza BPSK 1/2, se tendrá, en el ejemplo, que se deberá utilizar 4 MAU del frame DL.

3.3.4.2.2.3 Uplink Map El mensaje UL-Map es el que permite saber al SS cuando puede utilizar el enlace UL. Al igual que el DL-Map, puede ser transmitido bajo una codificación y modulación acorde a la calidad del enlace con cada SS. 75

Este mensaje comienza con una cabecera de información de 11 bytes seguido por uno o más elementos de información (UL-MAP_IE). Cada uno de estos elementos tiene un largo de 6 bytes, pero al igual que el DL-MAP_IE pueden contener una extensión opcional que es variable. Por lo tanto el tamaño básico de un mensaje UL-MAP es de 11 + N×6 bytes, donde N es el número de UL-MAP_IE usando el frame. Existe un IE por cada conexión que está utilizando un frame determinado y además el mensaje debe terminar con un IE que indique el fin de éste. Finalmente, para estimar la capacidad que utiliza UL-MAP se considera el caso en el que cada frame del enlace UL lo incluye, pero a la vez se debe tomar en cuenta el número de conexiones activas que están compartiendo el frame. Por ejemplo, si hubieran 9 conexiones activas el tamaño del mensaje sería de 11 + 10×6 = 71 bytes, donde no se está incluyendo ninguna extensión de los elementos de información. El tipo de codificación y modulación que se utilice también influye en el overhead que provoca este mensaje, luego si se supone el peor caso, se utiliza BPSK 1/2, se tendrá, en el ejemplo, que se deberá utilizar 6 MAU del frame DL.

76

3.4. Planificación de Frecuencia La planificación de frecuencia se utiliza para lograr minimizar las interferencias debido a la reutilización de bandas de frecuencia. Este tópico es crítico en tecnologías como GSM y WiFi, donde es solucionado a través de programas computacionales a pesar de que puede ser resuelto por personas, debido a que permiten evaluar todas las alternativas en un menor tiempo.

Figura 3-11: Diagrama con el proceso de planificación de frecuencias.

En la Figura 3-11 se muestra el proceso de planificación de frecuencia que ha sido abordado en parte en este documento, esto debido a las diferencias entre las tecnologías. El punto marcado con *, en el conjunto de entradas, es dependiente de la tecnología a utilizar. El tipo de antenas que se utilizará en el despliegue, marcado con ** en el conjunto de entradas, también puede ser una salida del proceso de planificación, ya que se pueden realizar simulaciones sin restricciones en el tipo de antena dando mayor flexibilidad al despliegue de la red. Dentro del proceso de planificación de frecuencia existen subprocesos que también son dependientes del tipo de tecnología. En la figura se han marcado con (1), por ejemplo, la evaluación del tipo de acceso que se utilizará, TDD o FDD en las tecnologías WCDMA y WiMAX, a pesar que en la primera el uso de uno u otro tipo acceso depende de la frecuencia que se utilice18. Por otro lado, está el subproceso de establecer el tamaño del cluster a utilizar, propio de GSM/GPRS/EDGE, el cual también puede, es una opción, estar definido por el número de frecuencias que se dispone.

18

Revisar sección G.2 del anexo. 77

3.4.1. GSM/GPRS/EDGE En los sistemas celulares basados en TDMA, como lo son GSM, GPRS y EDGE, cada TRX de la red requiere de al menos una frecuencia para operar. Debido a que el espectro de frecuencia es finito y las posibles bandas son compartidas por más de un operador, se tiene que el número de frecuencias del cual dispone cada uno es mucho menor que el número de TRX que necesita desplegar o tiene desplegado en su red. Por ejemplo, si en Santiago un operador dispone de sólo 10 canales y su red en Santiago es de alrededor de 50 sitios, se obtiene que en cada uno de éstos se utilizan 3 TRXs, por lo tanto el operador utiliza cada canal 15 veces. El factor de reuso es usado normalmente para denotar la distancia a la cual el uso de una frecuencia se repite. Por ejemplo, un factor de reuso igual a 8 significa que una frecuencia determinada, f, utilizada en una celda A volverá a ser utilizada en una celda que está a 8 celdas de distancia. Dentro de esta problemática se sitúa la planificación de frecuencia, cuyo objetivo es asegurar que las celdas cercanas, en términos de propagación, a una determinada celda utilicen frecuencias distintas, cumpliendo esto para cada celda. Otra forma de determinar la distancia entre celdas que utilizan el mismo conjunto de frecuencia es la Expresión 3-46, donde D es la distancia de reuso, R es el radio de las celdas y N es el tamaño del cluster. D = 3N R Expresión 3-46: Razón radio de reuso, utilizado en los sistemas TDMA.

Las hipótesis para la Expresión 3-46 son que todas las celdas tienen el mismo radio, R, y son hexagonales. Al variar el valor de N se modifica la distancia entre celdas que utilizan un mismo conjunto de frecuencias y, por lo tanto, la razón señal a interferencia co-canal. En [33] se considera que con N=7 se obtienen buenos resultados para la razón señal a interferencia co-canal, obteniéndose en este caso una distancia de reuso de 4.6R. En la Figura 3-12 se muestra el ejemplo anterior, donde los números representan los 7 conjuntos de frecuencias que se utilizan en cada celda.

Figura 3-12: Distancia de reuso en un cluster de 7 celdas.

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Finalmente, ya sea utilizando la distancia de reuso o el factor de reuso la planificación de frecuencia de sistemas GSM fue y es un tópico importante dentro de la planificación de la red, ya que en la medida que se logra reutilizar en forma óptima las frecuencias, mayor será el desempeño que se podrá obtener de la red. Como se mencionó al principio de este capítulo, la planificación de frecuencia, hoy en día, es realizada a través por algún módulo de un programa mayor de planificación de redes inalámbricas, donde lo que se busca es lograr el objetivo primordial de la planificación de frecuencia: disminuir la interferencia entre celdas que utilizan el mismo canal. En este proceso también influye la posición y dirección de las antenas lo cual aumenta la complejidad del problema, debido al aumento de variables.

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3.4.2. UMTS-WCDMA En GSM y en las versiones posteriores de su actualización, GPRS y EDGE, se utiliza TDMA y FDMA para el despliegue de la red, en cambio WCDMA está basado en CDMA lo cual hace que la planificación de frecuencia no sea igual. En WCDMA cada transmisión usa el mismo ancho de banda, 5 [Mhz], y cada estación base puede utilizar la misma banda. En este escenario se dice que el reuso de frecuencia es 1. En la Figura 3-13 se muestran dos esquemas donde se hace explícita la diferencia entre un sistema GSM y uno WCDMA. En la figura de la izquierda se muestra el esquema GSM, el cual utiliza un cluster de 7 grupos de frecuencias, y en el de la derecha un grupo de celdas WCDMA donde todas utilizan el mismo grupo de frecuencias.

Figura 3-13: Esquema de la diferencia de reuso de frecuencia entre WCDMA y el sistema GSM.

En WCDMA las transmisiones son separadas a través códigos de canalización y scrambling codes. Los códigos de canalización son administrados por el UTRAN y por lo tanto no requiere de una planificación extra. Los scrambling codes en el enlace UL también son asignados por la UTRAN, pero la asignación en el enlace DL debe ser planificada, ya que el número de estos es de 512 [17]. La funcionalidad de los códigos de canalización depende del enlace, UL o DL. En el enlace UL los códigos son utilizados para separar los canales de control de la información enviada por un mismo terminal y en el DL para separar las conexiones a los diferentes usuarios de una misma celda. Los scrambling codes en el enlace UL sirven para identificar a cada terminal y en el DL para identificar las celdas. Como se puede apreciar la tarea de asignar los scrambling codes en el enlace DL es relativamente trivial, debido a que se cuenta con un gran número, 512, comparado con el número de celdas dentro de una zona. De todas formas se hace necesario utilizar una herramienta computacional que permita asignar de la mejor forma posible estos códigos, de modo que las celdas que utilicen el mismo scrambling code se encuentren lo más separadas entre si. Otro punto que se debe considerar dentro de la planificación de frecuencia de una red WCDMA es el tipo de acceso que se utilizará, TDD o FDD, aunque el uso de uno u otro tipo de acceso está restringido a las frecuencias que se dispone, revisar sección G.2 del anexo. Las características que diferencian a TDD y FDD hacen que su uso sea recomendado en ciertos casos. Así TDD se debería utilizar en zonas donde la densidad de tráfico sea mayor, debido a que se puede adaptar en forma dinámica el tráfico DL y UL, soportando la asimetría y logrando una mayor eficiencia, al poder utilizar canales del enlace UL en el DL. Con respecto al acceso FDD es recomendado para establecer las conexiones con usuarios que se encuentran a una mayor distancia. 80

3.4.3. WiFi El grado de dificultad de la planificación de frecuencia en WiFi dependerá del país en el cual se esté desplegando la red y la versión del estándar en que esté basada (ver sección H del anexo). Si se utilizan los estándares 802.11b/g se dispondrá de 11 a 14 canales dependiendo de la región en la cual se despliegue, por ejemplo en EE.UU. y gran parte de Latinoamérica, incluyendo a Chile, se utilizan 11 canales, mientras que en Europa 13 y Japón 14 [34]. Tabla 3-16: Canales disponibles según ubicación. Frecuencias Nº de canales EE.UU. 2.412,2417… 2462 MHz 11 Europa 2.412,2417… 2472 MHz 13 Japón 2.412,2417… 2484 MHz 14

En el caso de 802.11a, que opera en la banda licenciada de los 5 [GHz], se tienen un mayor número de canales disponibles, pero también restricciones adicionales con respecto a la potencia máxima de transmisión.

3.4.3.1. Estándares 802.11b y 802.11g En este documento se abordará la planificación de frecuencia para el caso en que las versiones de WiFi, basadas en 802.11b y 802.11g, operan con 11 canales. Estas versiones operan en la banda libre de 2.4 [GHz]. Los canales tienen un ancho de banda de 22 [MHz], y sus bandas centrales están distribuidas entre las frecuencias 2.412 [GHz] y 2.462 [GHz] y separadas cada 5 [MHz]. A la luz de estos datos se obtiene que sólo existen 3 canales que no se superponen (1, 6 y 11). En la Figura 3-14 se muestra la situación mencionada.

Figura 3-14: Los 11 canales de 802.11b/g utilizados en Chile y EE.UU. [23]

Al momento de desplegar la red WiFi, al igual que en cualquier red, los compromisos entre calidad, capacidad y costos dependerán de la solución que se esté implementando, así como los servicios que se estén comprometiendo, y/o la estrategia de marketing que tenga la empresa. Por lo tanto, es común que en implementaciones para empresas, donde el grado de exigencia es mayor y el uso de la red no es sólo para la navegación en la Internet, se utilicen los canales 1, 6 y 11. Con éstos se puede obtener un menor nivel de interferencia al utilizar un buen plan de frecuencia. Por otro lado, en implementaciones de aeropuertos, centros comerciales, patios de comida, etc., donde los obstáculos disminuyen considerablemente y los sitios son planos, es más probable que se utilicen 4 81

canales con una separación de 15 [MHz] entre las bandas centrales, es decir, se utilizarían los canales 1, 4, 7 y 10 o 2, 5, 8 y 11. Sin embargo el traslape entre 2 canales contiguos sería de 4 [MHz], con lo cual cada canal disminuiría su ancho de banda libre, ‘sin interferencia’, de 22 [MHz] a 14 [MHz]. Se debe recalcar que el uso de 3 o 4 canales en la implementación de una red WiFi 802.11b/g dependerá de los obstáculos presentes en el sitio, los requerimientos del cliente, la calidad de servicio que se quiera ofrecer, límites de potencia de transmisión, etc. Un punto importante a considerar al momento de desplegar la red WiFi en un edificio es el traslape vertical, el cual es revisado en la sección 3.4.3.3.

3.4.3.2. Estándar 802.11a Esta versión del estándar opera en la banda licenciada de 5 [GHz], la cual es dividida en 3 subbandas que se diferencian en el límite para el EIRP impuesto por el FCC (ver sección H.2 del anexo). En cada sub-banda se cuenta con 4 canales sin traslape. En la Tabla 3-17 se muestran las características de las sub-bandas antes mencionadas. Tabla 3-17: Características de las sub-bandas de los 5 [GHz]. Rangos [GHz] Máx. EIRP Uso 1 5.15-5.25 20 [mW] indoor 2 5.25-5.35 1 [W] PP entre edificios cercanos 3 5.725-5.825 200 [W] PP para distancias mayores

En la Figura 3-15 se muestran los canales utilizados en el estándar 802.11a. Los primeros 8 canales pueden ser usados en ambientes indoor, lo que no es recomendado para los canales 52 al 64. Es claro que la dificultad de la planificación de frecuencia disminuye si se utilizan los 8 canales, aunque se utilicen sólo los canales inferiores se tendrá una mejor situación que en el caso de 802.11b/g, tanto a nivel de interferencia como número de canales disponibles.

Figura 3-15: Canales utilizados en el estándar 802.11a. [23]

Al igual que los estándares de la banda de 2.4 [GHz] se debe tener precaución en la planificación de frecuencia en un edificio, ya que se tendrá tanto traslape horizontal como vertical, lo cual es revisado en forma breve en la sección siguiente.

3.4.3.3. Traslapes En una red WiFi, independiente de la versión del estándar (a, b o g), podrán haber traslapes tanto horizontales como verticales en implementaciones de edificios. 82

El traslape horizontal, ver Figura 3-16, se utiliza cuando se requiere una conexión continua ante posibles desplazamientos, en donde la capacidad de roaming de la red dependerá del equipo al cual estén conectados los APs, generalmente un switch19. Este tipo de traslape resulta ser finalmente una situación deseada, considerando que el traslape de celdas ocurre entre aquellas que usan distintos canales.

Figura 3-16: Ejemplo de traslape horizontal.

Por el contrario, el traslape vertical no representa mayores beneficios y ocurre generalmente entre pisos contiguos. En la Figura 3-17 se muestra un ejemplo del traslape vertical que puede ocurrir en un edificio. Este tipo de traslape se observa cuando las antenas de los APs son omnidireccionales, en el caso que se utilizaran antenas direccionales este problema disminuiría considerablemente. Como se aprecia en la figura anterior, la planificación de frecuencia en un edificio se transforma en un problema de 3 dimensiones, debiendo tener en cuenta los canales utilizados tanto en el piso correspondiente como en los pisos adyacentes (el piso siguiente y el anterior).

Figura 3-17: Ejemplo de traslape vertical.

Un switch es un equipo de conexión de redes que permite administrar y diferenciar el tráfico de datos entre distintas redes. 19

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3.4.4. WiMAX Una red WiMAX, al igual que una WCDMA, se puede desplegar con un factor de reuso de frecuencia igual a 1, pudiendo mantenerse si la interferencia entre celdas lo permite, por lo cual algunas simulaciones de propagación, utilizando un programa especializado, pueden ayudar a resolver este problema. Cuando la interferencia entre celdas es demasiado alta se puede optar por segmentar los subcanales, es decir, para zonas cercanas a la estación base se utilizan todos los subcanales y en los límites de las celdas sólo algunos de ellos. En la Figura 3-18 se muestra un diagrama con el ejemplo anterior, donde los círculos más pequeños utilizan los mismos subcanales y en los bordes de la celda, donde existe traslape, se utilizan sólo algunos y distintos a los utilizados en las celdas adyacentes. De este modo se logra disminuir la interferencia de la señal que reciben los usuarios. La desventaja de utilizar esta estrategia es que disminuye la eficiencia espectral de la red, lo cual se ve reflejado en menos clientes por canal cuando se les está asegurando un cierto nivel de QoS.

Figura 3-18: Diagrama representativo de separación de subcanales en una celda.

En despliegues con una mayor densidad de estaciones base se puede optar por una variante de la solución propuesta, correspondiente a utilizar sólo algunos de los subcanales que se dispone por celda, de modo que en celdas adyacentes no se utilicen los mismos. Al igual que la solución ilustrada en la Figura 3-18, se pierde eficiencia espectral y capacidad. El proceso de planificación de frecuencia es un proceso iterativo en cualquiera de las tecnologías abordadas en este documento. Esto debido a que una vez hecho el despliegue con una disposición de frecuencias determinada se deberían monitorear los niveles de interferencia, de modo de verificar las estimaciones hechas por los programas especializados. Esto para evaluar la conveniencia de segmentar los subcanales a utilizar en cada celda, ya que podría darse el caso que esto fuese necesario sólo en algunas de éstas. El caso que se muestra en la Figura 3-18 corresponde al uso de antenas omnidireccionales, en el caso de antenas direccionales de 90 y 60 grados se recomienda utilizar varios canales en el despliegue de la red. En la Figura 3-19 se muestra 3 ejemplos para el caso de antenas de 90 grados20, en el primer caso, de izquierda a derecha, se utilizan 4 canales, en el segundo 2 y en el último se utilizan 4 canales y 2 subcanales. 20

Al utilizar antenas de 90 grados, necesariamente en cada sitio habrán 4 sectores o celdas. 84

En el último caso, cuando se menciona que se utilizan 2 subcanales por sector, se refiere al mecanismo que posee la interfaz OFDMA de WIMAX, donde el total de subportadoras, el cual depende del ancho de banda del canal21, es dividido en 2 grupos o subcanales. De esta forma es posible utilizar la porción del canal de frecuencias bajas para las zonas mas alejadas de la BS, debido a su conocida característica de mejor resistencia a interferencias.

Figura 3-19: Ejemplos de uso de canales utilizando antenas de 90 grados.

En la Figura 3-20 se muestran 3 ejemplos de despliegue de un sitio, donde se utilizan antenas de 60 grados, lo que obliga que al menos en cada sitio deba haber 6 sectores para ofrecer una buena cobertura. En el primer ejemplo se utilizan 6 canales, en el segundo 3 para los 6 sectores, donde se aprecia que los sectores que utilizan el mismo canal están en una orientación opuesta. Cabe mencionar que en estos despliegues se debe respetar una cierta distancia mínima entre las antenas, aproximadamente 1 metro, además de la razón front-to-back22 de la antena. El último caso de la Figura 3-20 es equivalente al último de la Figura 3-19, en donde se utilizan 3 canales para los 6 sectores y 2 subcanales por sector.

Figura 3-20: Ejemplos de posibles despliegues utilizando antenas de 60 grados.

A diferencia de los problemas que presentan las redes celulares actuales, donde se debe realizar un minucioso plan de frecuencia debido a la gran densidad de BS, en las redes WiMAX, debido al mayor alcance de sus BSs, los posibles problemas de interferencia entre canales se puedan minimizar utilizando la estrategia de subcanalización. La disposición de las frecuencias ante un despliegue con una alta densidad de BS, como el de las redes celulares, debe realizarse con la ayuda de un programa computacional. Por otro lado, el uso o no de subcanales en determinadas celdas dependerá de los servicios que se pretenda ofrecer, además de los niveles de interferencia en cada celda. También se debe mencionar que los ejemplos citados, en la Figura 3-20 y en la Figura 3-19, no son restrictivos ya que posiblemente se realicen despliegues más tradicionales utilizando, por ejemplo, antenas de 120 grados, obteniendo sitios trisectoriales. Otro punto que se debe considerar dentro de la planificación de frecuencia es el tipo de acceso que se utilizará: TDD o FDD. Así como en WCDMA existen ciertos escenarios en los cuales se Ver sección F.2.1 del anexo. La razón front-to-back es un parámetro de las antenas que cuantifica la relación entre el lóbulo principal de radiación y el lóbulo principal trasero. 21 22

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recomienda utilizar TDD ante FDD y viceversa, FDD se utiliza en escenarios con patrones de tráfico predecibles y cuando la eficiencia espectral puede ser transada por los costos de los equipos.

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3.5. Comparación entre Tecnologías En esta sección se dan a conocer los detalles de la comparativa entre WCDMA, GSM-EDGE, WiFi y WiMAX al momento de ser desplegadas. Para esta comparación se tomará un escenario común con la misma área de despliegue, los mismos servicios que deberán soportar y el mismo número de usuarios. El objetivo es comparar a través de diversos parámetros estas tecnologías, entre los cuales se puede mencionar la cantidad de antenas, la eficiencia espectral, cobertura por celda, etc.. Para cada tecnología se desarrollará el plan de capacidad, frecuencia y cobertura, no necesariamente en este orden, y en forma separada. Al momento de desarrollar cada plan lo que se buscará es lograr los siguientes puntos: • Obtener una cobertura del 90 a 95% del área en estudio. • Proveer los servicios, que son mencionados en la sección 3.5.1.2, al menos al 95% de los usuarios del área en estudio. Eventualmente, para cumplir con los requerimientos de calidad y tasas de transferencia, se obtendrán valores poco factibles para los parámetros, por lo cual, de acuerdo a cada caso, se limitará a valores que utilicen operadores en Chile, y, en el caso que no existiera precedente, se buscará algún valor típico o promedio utilizado en el extranjero. Un ejemplo de lo mencionado anteriormente podría ser el ancho de banda utilizado en GSM, ya que si se ofrece el servicio de video streaming por medio de esta tecnología consumiría bastante de este recurso, por lo tanto para trabajar en condiciones más realistas se dispondrá de un máximo de 60 [MHz] no contiguos, que es el recurso con el que cuenta Entel en la banda PCS. Mayores detalles sobre esta posible asignación y sobre los límites de la banda se darán en los resultados de la comparativa.

3.5.1. Marco de Trabajo Para realizar esta comparación se utilizarán ciertas hipótesis que permiten simplificar el trabajo a realizar, ya que no se utilizará ningún programa especializado. El área de estudio está basada en las características de la comuna de Vitacura, cuyos datos son los que se muestran en la Tabla 3-18. Tabla 3-18: Datos de la comuna de Vitacura.23 Características Valores Superficie 28.9 Km2 Cant. Habitantes 81.499 Cant. Viviendas 23.878 Cant. Casas 13.373 Cant. Deptos. 10.368

23

Datos obtenidos de la página de la comuna, www.vitacura.cl. 87

El número total de usuarios que se considerarán en la comparativa se obtendrán a partir de la penetración de la telefonía móvil en Chile, que según datos entregados por la Subtel llegaba a un 73.66% en Septiembre de 2006. Esto significa que cada tecnología deberá proveer de los servicios, que se listan más adelante, a 60.032,1634 usuarios, los cuales para fines prácticos se limitarán a 60.000.

Figura 3-21: Vista satelital de la comuna de Vitacura, con una delimitación aproximada

En la Figura 3-21 se muestra una vista satelital de la comuna de Vitacura con una delimitación aproximada, la cual fue obtenida con el programa google earth. Para caracterizar el área en estudio con cierto nivel de densidad urbana se obtendrá la cantidad de edificios y casas por Km2. Si existen 10.368 departamentos en toda la comuna se supondrá que en promedio cada edificio tiene una altura de 12 pisos, donde en cada piso habrá en promedio 4 departamentos. Con estos datos se obtiene que deben haber 216 edificios en toda la comuna y en promedio 7 edificios por kilómetro cuadrado. En la Figura 3-22 se muestra que si hay 13.373 casas en Vitacura habrá alrededor de 461 casas por kilómetro cuadrado.

Figura 3-22: Cantidad de casas por Km2. 88

Debido a que en general no se planifica la red de modo que pueda proveer el servicio al total de los usuarios se debe establecer ciertos tráficos peak que se producirán en ciertas horas. Para planificar las capacidades en cada tecnología no se tomarán en cuenta los procesos que son necesarios en algunos servicios, por ejemplo el handoff entre celdas, sino que se estimarán los recursos de radio y antenas que serán necesarios para obtener las capacidades correspondientes.

3.5.1.1. Hipótesis • La altura de las antenas que se utilizará será la misma en cada tecnología, pero no necesariamente las mismas entre éstas. • El área en estudio será cuadrada y con una superficie de 29 Km2. • La distribución de los usuarios dentro del área de estudio será uniforme. • Sólo se desplegará la red de acceso, es decir, antenas y posibles equipos para los usuarios. No se estimarán dentro de la comparativa los centros de control o de conmutación. • Se supondrá, al momento de realizar los cálculos de cualquier planificación (capacidad, frecuencia o cobertura), que no existe ninguna otra red inalámbrica operando de modo de no estimar la interferencia producida, ya que esto representa un problema complejo y que depende de cada posible escenario. • Para efectos de los modelos de propagación que se utilizarán en cada tecnología, se considerará el área en estudio dentro de los entornos calificados como ciudades medianamente densas. • Todos los usuarios utilizan un mismo terminal, con las mismas características, en las 4 tecnologías, el cual le permite utilizar un servicio a la vez. • Se considerará el siguiente perfil de consumo para los usuarios: ƒ Un 60% sólo utiliza el servicio de telefonía, celular ó VoIP, los cuales serán designados como usuarios tipo I. ƒ Un 30%, además de hacer llamadas, utiliza el servicio de navegación Web y transferencia de archivos. Serán designados como usuarios tipo II. ƒ Un 10%, además de hacer llamadas, utiliza el servicio de video streaming. Serán designados como usuarios tipo III. • Se considerará que el tráfico está uniformemente distribuido y que la relación entre el tráfico del enlace UL y DL es de 30/70.

3.5.1.2. Servicios Los servicios que se considerarán son: • Navegación por Internet. • Descarga de archivos (FTP). • Video streaming, IPTV (servicio en tiempo real). • Voz sobre IP, para WiMAX y WiFi, y telefonía celular para GSM y WCDMA. Las especificaciones para los distintos servicios se detallan a continuación: • El tráfico máximo generado por llamados lo realizan el 60% de los usuarios. • En la tecnología GSM-EDGE se considerará que cada llamada en promedio representa un tráfico de 100 [mE] y en la tecnología WCDMA cada llamada utilizará 12,2 [Kbps]. 89

• Para el servicio de navegación se considerará que el tamaño promedio de los documentos que deben ser obtenidos en la navegación son de 50 [KB] y que el tiempo que hay entre documentos sigue una distribución exponencial con una duración media de 5 segundos [35]. • Para el servicio de video streaming se considerarán los niveles básicos que establece el estándar MPEG-4 [36]. ƒ Simple nivel 0, requiere 28.8 [Kbps] cuyo formato de imagen es sub-QCIF. ƒ Simple nivel 1, requiere 64 [Kbps] con un formato de imagen QCIF. ƒ Simple nivel 2, requiere 128 [Kbps] con un formato de imagen CIF. ƒ Simple nivel 3, requiere 384 [Kbps] con un formato de imagen CIF. • En el servicio de transferencia de archivos, FTP, se considerará una tasa de 92, 64 y 28 [Kbps]. • En el caso de WiFi y WiMAX se considerará servicio VoIP, donde se utilizará un codificador G.729, que requiere una tasa de transferencia de 8 [Kbps].

3.5.2. Detalles de la Comparativa En esta sección se dan a conocer parámetros más específicos para la planificación de cada tecnología, por ejemplo los modelos de propagación que se utilizarán en cada una. Además se entrega información acerca del área en estudio, que afecta a todas las tecnologías.

• Con el dato de la superficie del área en estudio, 29 Km2, y con el número total de usuarios, 60.000, se obtiene que la densidad de usuarios es de 2.069 por Km2. • Como se mencionó dentro de las hipótesis de la comparativa, la altura de cada antena será la misma, esto en conjunto con la suposición de que los usuarios están uniformemente distribuidos provocan que el tamaño de cada celda sea el mismo. • Para realizar los cálculos de capacidad es necesario saber o estimar cuanto será la mayor cantidad de tráfico que tendrá que soportar cada celda en un determinado momento. Por lo tanto para realizar la comparativa se utilizarán las siguientes premisas: ƒ En determinadas horas del día el 60% de los usuarios tipo II y III generarán el tráfico más importante que deberá soportar la red. Se considerarán horas peak distintas para cada tipo de usuario. ƒ En el caso del tráfico peak producido por el servicio de voz se considerará que el 60% del total de usuarios está utilizando la red para este servicio, y no el 60% de los usuarios tipo I, ya que todos los usuarios usan este servicio, haciendo más realista la comparativa. ƒ En resumen habrá tres horas peak en donde la capacidad de la red será exigida. • Para dimensionar la capacidad de cada celda se utilizará el tráfico obtenido con las premisas anteriores más el 10% del tráfico peak generado por los otros servicios. • En la planificación de cobertura se utilizarán celdas hexagonales, cuyo diámetro será la máxima cobertura obtenida a través de alguno de los modelos de propagación. • El dimensionamiento de la red, en cada tecnología, se realizará de modo que ésta pueda soportar todos los servicios, con las tasas máximas de transferencia establecidas en la comparativa.

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3.5.2.1. GSM-EDGE Dentro de esta tecnología se considerará lo siguiente: • En toda el área de estudio estará disponible la actualización EDGE, con el soporte de hardware y software que permitan el uso de todos los esquemas de codificación, desde MCS-1 a MCS-9. El primero es el esquema más bajo que permite enviar hasta 8.8 [Kbps] por TS, mientras que MCS-9, el esquema más alto, permite transmitir hasta 59.2 [Kbps] por TS. • Se trabajará en la banda de 1900 [MHz].

3.5.2.1.1. Planificación de Cobertura El modelo que se utilizará para el cálculo de las pérdidas por propagación será el COST 231 Hata, con un coeficiente de corrección, Cm, igual a 3 [dB] por las características de la comuna de Vitacura. En la sección C del anexo se abordan en detalle los modelos utilizados en la comparativa. En el caso que el radio de las celdas resulten ser menores a 1 kilómetro, se optará por el modelo COST 231 Walfisch-Ikegami. El radio de las celdas también está determinado por la capacidad de los sitios, ya que se sabe de antemano la densidad de usuarios por kilómetro cuadrado.

3.5.2.1.2. Planificación de Capacidad Dado que se está considerando que el tráfico máximo de datos no coincide con el de llamadas de voz se utilizará asignación dinámica para los TS destinados al tráfico de datos, esto significa que habrá un número fijo de TS asignados a este tipo de tráfico y cuando la demanda por estos servicios aumente se asignará en forma dinámica más TS para este tipo de tráfico. En el caso del tráfico generado por llamados se considerará una probabilidad de bloqueo del 2%. Por otro lado para los servicios de datos se considerará un BLER del 10%, lo cual se traduce en una disminución del 10% de la capacidad bruta. Finalmente, se dimensionará la capacidad de la red de acuerdo al servicio que utilice más recursos. En el caso de los usuarios tipo II se tomará en cuenta el peor escenario, es decir, cuando todos estén utilizando el servicio FTP.

3.5.2.1.3. Planificación de Frecuencia A partir de la planificación de capacidad se obtendrá el número de frecuencias, que serán necesarias para soportar los servicios listados en la sección 3.5.1.2. El tamaño del cluster a utilizar será el clásico 7/21 con sitios trisectoriales. La cantidad de frecuencias que se utilizarán por celda se desprenderá de la planificación de capacidad.

3.5.2.2. UMTS-WCDMA Dentro de esta tecnología se supondrá lo siguiente: • En el despliegue de la red estará incluido el uso de High Speed Downlink Packet Access (HSDPA), debido a que permite mayores tasas de transferencia en el enlace DL y a su reciente lanzamiento en Chile. • Se utilizará duplexación FDD y se trabajará a partir de la banda de 1845 [MHz]. 91

3.5.2.2.1. Planificación de Cobertura Para el cálculo de la cobertura se utilizará el modelo COST 231 Hata, y, al igual que en GSM, si el radio de las celdas es menor a 1 kilómetro se utilizará el modelo COST 231 Walfisch-Ikegami. La modificación del tamaño de las celdas podrá ser resultado de la planificación de capacidad, es decir, que se deba reducir la cobertura para disminuir el tráfico por celda y así dar un mejor servicio.

3.5.2.2.2. Planificación de Capacidad En el dimensionamiento de la red se utilizarán los factores de carga de ambos enlaces, donde se considerará la hipótesis de la comparativa que establece una relación 70/30 entre el tráfico del enlace DL y UL. Además se utilizará un BLER del 10% para los servicios de datos y un 2% para el servicio de voz. Para determinar la capacidad necesaria se evaluará cuál es el servicio que demanda más recursos en la hora de mayor tráfico, donde se considerará que se podrá utilizar un factor de carga cercano al 80%.

3.5.2.2.3. Planificación de Frecuencia Debido a que en WCDMA se pueden realizar despliegues con un reuso de frecuencia igual a 1, se utilizará, en primera instancia, un mismo canal para toda la zona en estudio. En el caso que las celdas resulten ser pequeñas, lo cual provoca una mayor interferencia entre éstas, se utilizará más de un par de frecuencias para el despliegue de la red, con un límite de 60 [MHz] equivalentes a 6 pares de frecuencias. Los sitios utilizarán antenas omnidireccionales en el caso que se utilice un solo canal, y sectoriales, aún no definidas, para el caso en que se utilice más de un canal.

3.5.2.3. WiFi Dentro de esta tecnología se tendrán las siguientes consideraciones: • Se considerará que la red estará basada en el estándar 802.11g y por lo tanto se trabajará en la banda de 2.4 [GHz]. • Debido a las limitaciones de WiFi se considerará un despliegue utilizando como alimentadores de los hot spot, CPEs WiMAX. por lo tanto, en este escenario la red estará basada en la versión fija de WiMAX, donde se utilizará un canal de 10 [MHz] y una FFT de 256 puntos.

3.5.2.3.1. Planificación de Cobertura En este caso se utilizará un modelo simplificado, donde se considerarán las pérdidas en espacio libre además de márgenes por desvanecimiento y apantallamiento.

3.5.2.3.2. Planificación de Capacidad Para determinar la capacidad útil de cada celda se calculará un factor de proporción, el cual será designado con la letra p, el cual permitirá obtener la capacidad de la celda a una determinada distancia. Esta capacidad deberá ser mayor que el tráfico demandado a esa distancia, en caso contrario se disminuirá la cobertura, y, por lo tanto, el tráfico hasta encontrar un balance. 92

Este parámetro depende de muchos factores entre los que se encuentra el número de usuarios que posee la celda. En la Tabla 3-19 se muestra el ejemplo de cálculo para un throughput de 11 [Mbps]. Los valores utilizados fueron obtenidos de [24], [26] y [27]. Tabla 3-19: Ejemplo de cálculo del parámetro p. Parámetro Tasa de datos DIFS SIFS Tack slot Wmin Tpr Ttr Pc(N) Tcont(N) Tov T(N) p

Valor 11 50 10 10 9 31 96 1090,91 0,325293754 7,11 262 1360,02 0,80

Expresión Unidad Mbps µs µs 112/Tasa de datos µs µs µs 1500*8/ Tasa de datos µs 1-(1-1/Wmin)^(N-1) µs slot*((1+Pc(N))/(2*N))*Wmin/2 DIFS+SIFS+Tack+2*Tpr µs µs Ttr+Tcont(N)+Tov Ttr/T(N) -

En la estimación de capacidad para la interfaz WiMAX se considerará un overhead del 15% y un BLER del 10%. La probabilidad de bloqueo y el BLER en WiFi están contabilizados en forma implícita en el factor de proporción. Finalmente, se dimensionará la red de acuerdo a la máxima exigencia que requieran los servicios.

3.5.2.3.3. Planificación de Frecuencia Debido que se desplegará una red basada en 802.11g, se utilizarán los canales 1, 6 y 11 en sitios trisectoriales. Al momento de realizar las comparaciones con las otras tecnologías se considerará que WiFi utilizará 6624 [MHz] en la banda de 2.4 [GHz], y un tope de 60 [MHz] en la banda de 3.5 [GHz] para el despliegue de WiMAX fijo.

24

22 [MHz] por cada canal. 93

3.5.2.4. WiMAX En el despliegue de esta red se utilizará la interfaz física OFDMA con duplexación TDD y con las siguientes características. Tabla 3-20: Valores de los parámetros de la interfaz OFDMA. Parámetros BW NFFT Fs n ∆f Tb Ts

Valor 5,00 512 5,6

10 1024 11,2 1,12 10,940 91,40 102,9

unidad MHz MHz KHz µs µs

En particular se utilizarán canales de 10 [MHz] y se dispondrá de a lo más 6 canales, esto para equiparar las condiciones de despliegue entre tecnologías. Existen 2 esquemas para la utilización de un ancho de banda de 10 [MHz], Tabla 3-21, los cuales se diferencian en el número de subportadoras destinadas al tráfico de datos de usuarios. En particular, se utilizará el esquema que cuenta con mayor capacidad, es decir, 720 subportadoras de datos. Tabla 3-21: Características de OFDMA versión móvil. Parámetros BW en MHz Tamaño de la FFT Subportadoras Nulas Subportadoras Piloto Subportadoras de Datos Subcanales Subp-datos/subcanal

Valores 10 1024 184 120 720 30 24

184 280 560 35 16

3.5.2.4.1. Planificación de Cobertura Se utilizará el modelo desarrollado por el grupo 802.16, revisar [32] y [19], donde se hacen correcciones a los modelos que se utilizan en las tecnologías celulares. Dentro de este modelo se definen tres tipos de entornos y, en particular para la comparativa, se caracterizará la zona en estudio como un entorno tipo B, que corresponde a uno intermedio entre una zona densa y una plana con pocos obstáculos.

3.5.2.4.2. Planificación de Capacidad En la planificación de capacidad se estimará que se podrá utilizar el esquema de modulación más alto, 64 QAM, el cual se asegurará a través de la planificación de cobertura. La capacidad bruta que se obtenga será disminuida para considerar un 15% de overhead y un BLER del 10%. El 15% de overhead corresponde a los recursos utilizados por los mecanismos de control y señalización descritos en la sección 3.3.4. 94

Finalmente la capacidad que se obtenga deberá ser mayor que la demandada, en caso contrario se deberá modificar la cobertura hasta lograr un cierto balance. Se dimensionará la red de acuerdo al servicio que demande más recursos en la hora de mayor tráfico.

3.5.2.4.3. Planificación de Frecuencia En primera instancia se utilizará un mismo canal para cada celda, y en el caso de que la densidad de BS sea considerable se utilizará una mayor cantidad de canales, con un límite de 60 [MHz]. La banda que se utilizará será la de 2.5 [GHz]. La utilización de subcanalización dependerá del despliegue, donde lo que se buscará será disminuir la interferencia entre celdas.

3.5.3. Comparativa Para comparar las tecnologías abordadas en este documento bajo los enfoques de planificación desarrollados (capacidad, frecuencia y cobertura), se tienen varias posibilidades, por tener las 3 variables. Para poder hacer la distinción en la comparativa de deben fijar 2 y desarrollar ésta en base a la variable libre. Las posibles opciones a las cuales se hace referencia son:

• Establecer una cobertura determinada para cada celda y operar con una cierta cantidad de espectro. En este escenario la variable bajo la cual se hacen las comparaciones es la capacidad de cada celda, o en otras palabras, la tasas de transferencia que pueden ofrecer cada tecnología para cada servicio. • Exigir que se ofrezcan todos los servicios con determinadas tasas de transferencia y con un límite para el recurso espectral. En este caso lo que variará entre tecnologías será la cobertura de cada celda y por lo tanto el número de sitios, lo cual tiene una directa relación con los costos de implementación. • Establecer una cobertura y tasas de transferencia determinadas para todos los servicios, a medida que se le exija una mayor cobertura a las celdas, mayor será el tráfico que deberá soportar. Esto finalmente, se reflejará en el recurso radioeléctrico necesario. Es esta la variable bajo la cual se realizaría la comparación, donde la tecnología mejor evaluada sería la que necesite menos espectro.

95

Capítulo 4 Resultados Los resultados presentados en la primera sección de este capítulo corresponden a algunas herramientas utilizadas en el despliegue y planificación de redes inalámbricas, donde tres de éstas son revisadas con mayor detalle en el anexo. En la segunda sección se entregan las líneas generales y consideraciones a tomar en el proceso de co-planificación de una red WCDMA-GSM. Por último se entregan los resultados de la comparativa, en una primera parte, por tecnología para luego presentar tablas resumen.

4.1. Herramientas Las herramientas que se describen a continuación son software tanto comerciales como de acceso gratuito. La mayoría de los programas abordados no tienen como función principal la planificación de redes inalámbricas, más bien son módulos complementarios.

4.1.1. Herramientas Comerciales 4.1.1.1. Predicplan Predicplan corresponde a una de las herramientas más utilizadas en Chile, debido a su desarrollo local, el cual permite realizar estudios de línea de vista a través de perfiles además de pronósticos de cobertura. En el sitio de Internet del programa, [37], se pueden realizar perfiles de enlaces en línea con una muy buena precisión. El programa en sí, además de construir perfiles, permite realizar simulaciones de cobertura de redes celulares. En la sección L del anexo se muestran algunas de las opciones que se pudieron revisar a través de la copia de evaluación del programa.

4.1.1.2. EDX SignalPro(R) Es una herramienta completísima que permite realizar un acabado estudio sobre el despliegue de una red inalámbrica. Permite simular áreas de cobertura, caracterizar el área de estudio a través de parámetros como el BER o la tasa de transferencia que se puede lograr. En la sección L.3 se muestra algunas opciones de la copia de evaluación de este programa.

4.1.1.3. ML Designer Es una plataforma de simulación que integra la modelación de la arquitectura de la red y sus funciones con la modelación de eventos discretos, modelos de máquinas de estado finito, flujo de 96

datos y eventos discretos de tiempo continuo. Esta herramienta permite realizar análisis de redes (cableadas e inalámbricas), diseño de protocolos y análisis de sistemas celulares [38].

4.1.1.4. QualNet Es una herramienta de modelación para redes inalámbricas y tradicionales. Su simulador, QualNet Animator, permite el diseño gráfico del modelo de la red usando una amplia librería de componentes. QualNet está basado en GloMoSim, corresponde a la versión comercial, y se puede obtener una copia de evaluación del programa haciendo el pedido en el sitio de Internet [39].

4.1.1.5. NetMate Fue el primer programa utilizado en la planificación inalámbrica a comienzos de los 90, cuando se preparaban los planes para varias redes GSM de segunda generación en Europa [40].

4.1.1.6. CAPEX Planning Tool for WiMAX Es un modelo CAPEX basado en Excel que permite la planificación del diseño de una red WiMAX. Algunas de las funcionalidades de esta herramienta permiten analizar que sucede cuando la tasa máxima de datos es cambiada, cuál es el impacto en los parámetros de la red al cambiar la cantidad de frecuencias y la cantidad de espectro a utilizar [41].

4.1.1.7. Calcucell Esta herramienta permite realizar cálculos relacionados con redes celulares, en particular de tecnología GSM, Advanced Mobile Phone System (AMPS) y Nordic Mobile Telephony (NMT). En su versión gratuita tiene limitaciones pero permite el uso de funcionalidades que pueden ser útiles, como un convertidor de tráfico donde se pueden utilizar 3 modelos: Poisson, Erlang B y C. Permite realizar cálculo de las pérdidas en los cables, además de un convertidor de unidades. En el anexo sección L se muestran las pantallas con las funciones antes mencionadas.

4.1.2. Herramientas Gratuitas. 4.1.2.1. OMNet++ Este programa proporciona un ambiente de simulación modular y de arquitectura abierta con un soporte fuerte de la interfaz gráfica con el usuario. El simulador puede ser usado para simular: protocolos de comunicación, redes de computadores, modelación de tráfico, sistemas multiproceso y distribuidos. OMNet++ soporta animaciones y ejecución interactiva [42].

4.1.2.2. NS 2 Es un simulador discreto de eventos enfocado a la investigación de networking. NS provee soporte para simulación de TCP, ruteo, protocolos multicast, protocolos sobre redes tradicionales e inalámbricas (locales y satelitales). NS es desarrollado por el Information Science Institute (ISI) en la escuela de ingeniería de la University of Southern California (USC). El código de NS 2, en forma integra, puede ser bajado desde la red y puede ser compilado en múltiples plataformas, incluyendo varias versiones de Unix y Windows [43]. 97

4.1.2.3. GloMoSim Es un ambiente de simulación escalable para redes cableadas e inalámbricas. El programa emplea capacidades de simulación paralelas de eventos discretos provistas por Parsec. Este simulador tiene como función principal la simulación de redes inalámbricas. En la actualidad soporta protocolos para redes puramente inalámbricas. El programa junto con su código fuente sólo puede ser obtenido, a través de su sitio en Internet, por instituciones académicas sólo para propósitos de investigación [44].

4.1.2.4. SWANS Es un simulador escalable de redes inalámbricas ad-hoc construido sobre la plataforma JiST. SWANS está organizado como componentes de software independientes de modo que puedan formar redes completamente inalámbricas. Sus características son similares a las de NS2 y GloMoSim, pero con una capacidad mayor [45].

4.1.3. Otras Herramientas Además de las herramientas listadas en las secciones 4.1.1 y 4.1.2, existen algunas que son más especializadas que permiten, por ejemplo, realizar los cálculos de los radioenlaces, necesarios para el determinar la cobertura de los enlaces inalámbricos. Como se vio en los capítulos anteriores, y en los anexos, se han desarrollado muchos modelos para determinar la propagación de los enlaces inalámbricos. Es por esto que la herramienta más utilizada ha sido la hoja de cálculo, en parte por su sencillez y a su fácil intercambio entre personas dedicadas a su estudio.

98

4.2. Co-Planificación WCDMA-GSM [22] En esta sección se aborda la co-planificación WCDMA-GSM, la cual consiste en cómo se debe planificar una red WCDMA teniendo en cuenta que está funcionando una red GSM. Este escenario trae consigo varios retos en el diseño de la red, entre los cuales se pueden contar:

• • • •

Cobertura y desempeño. Métodos de transmisión y planificación. Sitios a utilizar y posibles co-sitios. Uso ajustado del espectro de frecuencias.

La cobertura de la red deberá ser planificada de acuerdo a los objetivos que tenga cada operador, ya que dependerá de los servicios que se quiera ofrecer y en que tipo de área (entorno rural, urbano, suburbano, etc.). La forma más fácil de mejorar la cobertura es agregando más sitios, pero probablemente no es la más barata. Otras formas utilizadas para mejorar la cobertura son, por ejemplo, el uso de diferentes formas de diversidad, mayor potencia de transmisión y una mejor selección de las antenas. Para mantener una cobertura del servicio aceptable es necesario que las soluciones implementadas soporten características de interfuncionamiento entre los sistemas, para permitir que los servicios trabajen en tecnologías 3G y 2/2.5 G, logrando que la experiencia del usuario y la cobertura de servicios sean fluidas.

4.2.1. Proceso de Co-Planificación Un escenario recurrente en estos días es aquel donde el operador, que ya tiene operando una red GSM, ha obtenido las licencias para desplegar una red WCDMA. Desde el punto de vista del operador la solución preferida es reutilizar los sitios GSM para los WCDMA, pero esto trae consigo algunos problemas. El primero de ellos es que la calidad de la red 2G limita la de la red WCDMA, en el caso de un reuso uno a uno. Si la red 2G existente tiene problemas de interferencia también los tendrá la red WCDMA. Es por esto que se recomienda realizar un catastro con los sitios, identificando aquellos que tengan mayores problemas de interferencia de modo de no utilizarlos. En el caso que el despliegue siga con un reuso uno a uno de los sitios, se deberá tener en cuenta el problema de la interferencia ‘heredada’ al momento de realizar la planificación. En la Figura 4-1 se muestra un esquema con los pasos más importantes a seguir en la planificación de una red WCDMA, cuando se hace un reuso uno a uno de los sitios GSM. El primer paso consiste en evaluar la calidad de la red 2G, ya que WCDMA es un sistema limitado por interferencia y no tiene una planificación de frecuencia como el de los sistemas 2G. Luego se debe verificar si existe el espacio suficiente en los sitios para los equipos WCDMA, pudiendo darse el caso que ciertos sitios no puedan ser utilizados por falta de espacio en las salas de equipo o en los techos.

99

Figura 4-1: Proceso de planificación de una red WCDMA reutilizando una red GSM.

Una vez que la ubicación de los sitios ha sido decidida, se deben chequear las áreas de cobertura requeridas, y, si el caso así lo amerita, se deberá modificar el plan de modo de alcanzar los requerimientos de cobertura con una carga de tráfico preestablecida. Se deberán definir las reglas de distribución de tráfico entre sistemas, así como las de handover, para finalmente analizar los resultados del desempeño conjunto de la red y compararlos con los objetivos planteados al comienzo del proceso.

4.2.1.1. Reuso de Sitios El reuso de sitios puede ser beneficioso para un operador que posee otras redes ya desplegadas y activas, ya que al reutilizar los sitios existentes los costos de adquisición se hacen nulos y los costos por posibles trabajos de ingeniería se reducen. Al utilizar la misma antena para ambos sistemas disminuye el espacio necesario, lo cual puede ser imperativo en sitios donde no existe lugar para colocar más antenas, por ejemplo, murallas de edificios y techos. No obstante, tal vez sea necesario cambiar la antena actual por una que sea capaz de trabajar en más de una frecuencia. Uno de los problemas que se presenta al utilizar una misma antena es que no se puede ajustar la posición de ésta de acuerdo a cada sistema, pudiendo darse el caso que cierta posición de la antena provoque excelentes resultados en un sistema pero en el otro éstos sean pobres. También se debe tener en cuenta que al utilizar una misma antena se deberá 100

contar con equipos que separen la señal GSM de la WCDMA, cuyas pérdidas deberán ser incluidas en el cálculo del radioenlace. En la práctica la reutilización de los sitios ya existentes para poder desplegar una red WCDMA, muchas veces dependerá de factores que poco tienen que ver con radiofrecuencia. A continuación se listan algunos de ellos.

• • • • • • •

Condiciones de permiso de construcción. Disponibilidad de espacio para los equipos. Disponibilidad de espacio para la antena. Conectividad de la transmisión. Potencia consumida. Restricciones de máxima radiación permitida. Rechazo de los vecinos al lugar del sitio.

4.2.1.2. Configuración de las Antenas La interferencia que puede existir entre GSM y WCDMA depende fuertemente de las configuraciones de las antenas de cada sistema. Se ha identificado que el principal problema de interferencia de WCDMA lo tiene con los sistemas GSM de la banda de 1800 [Hz]. En la configuración de un sitio con tres sectores, se recomienda disponer las antenas como se muestra en la Figura 4-2, con lo cual se logra un nivel de aislamiento aproximado de 30 [dB]. En los casos donde se necesite utilizar diversidad se puede compartir una misma antena para ambos sistemas, ver Figura 4-2. Cuando las antenas están en los techos de los edificios se puede mejorar el aislamiento de los sistemas forzando que no exista LOS entre las antenas.

Figura 4-2: Posible configuración de antenas GSM y WCDMA (con diversidad).

4.2.1.3. Distribución de Tráfico y Servicios entre los Sistemas El tráfico que maneje cada sistema puede ser separado de acuerdo al tipo. Por ejemplo, los servicios de voz y de una baja tasa de transmisión de datos pueden ser atendidos por la red GSM, mientras que el tráfico de los servicios que requieren tasas de transmisión mayores puede ser atendido por la red WCDMA. Otra alternativa es distribuir el tráfico a través de capas haciendo que el tráfico de mayor velocidad se concentre en pico y micro celdas, mientras que el tráfico producido por la voz y los 101

servicios de baja velocidad en macro celdas. Esto es factible ya que en WCDMA la cobertura está estrechamente ligada a la velocidad de los datos, donde la cobertura de las mayores tasas de transmisión es limitada. Los suscriptores podrán ser separados en grupos de acuerdo a los diferentes derechos que tengan dada su suscripción. Los suscriptores de menor prioridad podrían ser atendidos directamente por la red 2G, la cual poseerá las tasas mínimas de transmisión, mientras que los clientes con mayores privilegios utilizarían la red WCDMA.

4.2.1.4. Cobertura y Capacidad Cuando un operador comience el despliegue de WCDMA la cobertura no será continua, sólo habrán ciertos lugares, islas, en donde esté implementado. Sin embargo la red WCDMA estará conectada a la red GSM, dando lugar al handover entre tecnologías. En los lugares donde la cobertura WCDMA sea continua los terminales podrán trabajar en modo dual, pero deberán comenzar las llamadas en la red WCDMA para una apropiada configuración de parámetros. Para lograr con éxito este interfuncionamiento se deberá hacer un balanceo de la carga entre las 2 redes. En la Figura 4-3 se muestra un diagrama con el handover de la red WCDMA a la GSM para la extensión de la cobertura de la primera, y el handover entre WCDMA y GSM para el caso de descongestionamiento de las redes 2G o para realizar la distribución de servicios y tráficos mencionados en la sección 4.2.1.3.

Figura 4-3: Diagrama con los posibles handovers entre la red GSM y la WCDMA.

Al compartir la carga entre las redes se puede lograr explotar un uso completo de sus capacidades y alcanzar cierta ganancia de trunking25. La operación de compartir carga está relacionada estrechamente con el cómo los servicios y el tráfico son distribuidos en estas redes (revisar sección 4.2.1.3).

Ganancia de Trunking (Trunking Gain) corresponde a la ganancia que se obtiene cuando la capacidad de un conjunto de canales aumenta debido a que se utilizan como un sólo gran canal. 25

102

4.2.2. Planificación de la Transmisión El objetivo de la planificación de transmisión es conectar las BTSs (o Nodos B) a los BSCs (o RNCs). El medio de transmisión puede ser alambre de cobre, cable coaxial, enlace microonda o líneas de fibra óptica. La diferencia entre cada uno de estos medios son las capacidades de transmisión y la facilidad con la cual pueden ser implementadas. La topología de la red de transmisión determina su capacidad, protección y posible expansión, donde los cambios de topologías deben ser evitados.

4.2.2.1. Topologías de Transmisión Al implementar una red WCDMA que comparte los mismos recursos que la red GSM, se debe tener en cuenta que se tendrá que, al menos, aumentar la capacidad de transmisión, ya que una TRX WCDMA entrega cerca de 1.5 [Mbps]26 de datos a través de la interfaz Iub. Se estima que el tráfico de datos es alrededor de cuatro veces mayor al cursado por GSM, considerando que el tráfico GPRS es hecho por la red GSM. Los tipos de topologías utilizados pueden ser divididos en 5 estructuras: cadena, estrella, árbol, loop y mesh. Una topología tipo cadena puede ser utilizada a lo largo de una carretera, pero la protección ante posibles fallas es más bien pobre. Las topologías tipo loop y mesh son las que brindan mayor protección, pero son más costosas que las anteriores. Como se puede apreciar las características de una estructura son las debilidades de otras, motivo por lo cual es necesario llegar a un cierto equilibrio entre éstas y así poder asegurar cierto nivel de protección a un costo razonable. Por lo tanto sea cual sea el tipo de topología utilizada en la red GSM, ésta deberá ser chequeada de modo de verificar que logra ofrecer la capacidad y protección suficiente.

4.2.2.2. Compartir medios de Transmisión entre Sistemas El compartir la red de transmisión entre los sistemas GSM y WCDMA puede ser muy útil, ya que se podría hacer un uso completo de los recursos de hardware y así no tener que construir una red de transmisión nueva. En la mayoría de los casos no será estrictamente necesario el cambio de la topología, pero si el cambio de los equipos que manejen el tráfico por otros con mayores capacidades.

26

Esta velocidad no incluye el uso de sistemas como HSDPA o posteriores. 103

4.3. Comparación entre Tecnologías En esta sección se muestran los resultados obtenidos al realizar una comparación entre WCDMA, GSM-EDGE, WiFi y WiMAX al momento de ser desplegadas. Para revisar el marco de trabajo y los detalles de la comparativa se debe consultar la sección 3.5 del capítulo Metodologías. En cada una de las tecnologías se planificó un caso base en el cual se buscó ofrecer todos los servicios en sus tasas máximas de transferencia, sin importar la cobertura que se obtenga y con los recursos de espectro limitados a 60 [MHz]. En los anexos se revisa la variación de la cobertura al momento de relajar la restricción de ofrecer los servicios a sus tasas máximas establecidas en la comparativa. En particular se revisaron 3 casos, donde se mantuvo el límite de los 60 [MHz] para el ancho de banda máximo disponible en cada tecnología.

4.3.1. GSM-EDGE 4.3.1.1. Frecuencia Se utilizó un cluster 7/21 principalmente por ser unos de los esquemas más utilizados y porque permite obtener un bajo nivel de interferencia. Además se utilizaron sitios trisectoriales, es decir, tres antenas de 120º. Debido a resultados obtenidos en la planificación de capacidad se determino que se emplearía un ancho de banda de 30 [MHz], lo cual equivale a 150 bandas de frecuencia y un promedio de 7 por celda para cada enlace. La disposición de las bandas de frecuencia se debe hacer de modo de minimizar la interferencia entre celdas que utilizan bandas cercanas dentro del espectro. En la Figura 4-4 se muestran 2 ejemplos de un cluster 7/21, donde cada FX representa un conjunto de frecuencias que, en este caso, corresponde, en promedio, a 14 (7 para cada dirección del enlace).

Figura 4-4: Ejemplos de cluster 7/21.

La elección de un esquema u otro depende del nivel de interferencia que presenten las celdas que utilicen el mismo conjunto de frecuencias para distintos esquemas de cluster. Un programa 104

especializado que permitiera simular las interferencias en estos dos casos ayudaría a determinar cual esquema escoger.

4.3.1.2. Capacidad Dentro de este proceso se decidió limitar el ancho de banda que sería utilizado en el despliegue a 60 [MHz]. A partir de esta información se establecieron las condiciones para ofrecer los servicios que están considerados en la comparativa. Estos 60 [MHz] se traducen a 150 bandas de frecuencia por enlace. A consecuencia de la limitación del ancho de banda y la restricción que obliga ofrecer los servicios de FTP y Video Streaming en sus tasas de transferencia máximas se obtuvo, después de un proceso iterativo, a una determinada cobertura, la cual a su vez especificó la cantidad de usuarios y tráfico que debe soportar cada celda. En este proceso se llegó a que cada celda debe soportar 60 usuarios, cuyo desglose se muestra a continuación. Tabla 4-1: Desglose de los tipos de usuario por celda. Porcentaje Usuarios por Celda

Tipo I Tipo II Tipo III Total 60% 30% 10% 100% 36 18 6 60

En la Tabla 4-2 se muestra la cantidad de usuarios que deben ser soportados en las horas peak. Tabla 4-2: Número de usuarios por celda en las 3 horas peak. 60% del total 60% usuarios 60% usuarios Total de usuarios Tipo II Tipo III Usuarios gen. tráfico 36 11 4 51

Con los datos de la Tabla 4-2 se calculó el tráfico generado en cada hora peak, Tabla 4-3, de donde se obtuvo que el tráfico generado por los usuarios Tipo II representa la mayor carga. El escenario más exigente se presenta cuando todos los usuarios de este tipo están utilizando el servicio FTP llegando a 1648.2 [Kbps]. Este tráfico peak con el cual se dimensionó la red está compuesto por el tráfico generado por el servicio que está en su hora peak más el 10% del tráfico peak de los otros servicios. Tabla 4-3: Tráficos peak generados de acuerdo a cada servicio. Voz Web FTP Video Stream [TS] [Kbps] [Kbps] [Kbps] 100% 8 110.0 1012.0 1536.0 Voz [TS] 1 1 1 Web [Kbps] 11 11 11 10% FTP [Kbps] 101.2 101.2 101.2 Video Stream [Kbps] 153.6 153.6 153.6 Tráfico demandado [Kbps] 265.8 364.8 1176.6 1648.2

Los datos presentados en la Tabla 4-3 corresponden al tráfico que debería soportar una celda. En la primera fila de datos se muestra el tráfico peak para cada uno de los servicios y las siguientes al 10% de éstos. La última fila corresponde sólo a la suma de los tráficos generados por los servicios de datos, es decir, no está considerado el tráfico de voz.

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Los tráficos que se muestran en la Tabla 4-3 son los que puede soportar una celda con la limitación del ancho de banda antes mencionado. En la planificación de frecuencia se determinó que se utilizaría un cluster 7/21, lo cual se traduce en que cada celda cuenta con 7 frecuencias, dado un ancho de banda de 30 [MHz] por enlace, donde sólo un sitio contará con 8 frecuencias por celda. En cada sitio, del total de bandas de frecuencia, se utilizará una banda para los canales de control tanto de GSM como EDGE. Finalmente en cada celda se dispone, en promedio, de 53 TS cuya capacidad depende del tipo de codificación que se utilice, pero de acuerdo al tráfico peak determinado en la Tabla 4-3 de 1648.2 [Kbps], es necesario utilizar al menos el esquema MCS-7, ver Tabla 4-4. La disponibilidad de utilizar este esquema de modulación y codificación es asegurada a través de la planificación de cobertura. En la Tabla 4-4 se muestra la capacidad de tráfico que tiene el sistema, dependiendo del esquema utilizado y bajo las condiciones antes mencionadas, en los dos escenarios que establece el tráfico peak de la Tabla 4-3. Estos escenarios son función de la hora peak producida por el servicio de voz. El primero corresponde a la hora peak de este servicio donde se deben utilizar 8 TS, de los 53 disponibles, con lo cual quedan 45 TS para tráfico de datos y cuya capacidad se lista en la primera columna de datos. El segundo caso se presenta cuando no se está en la hora peak del servicio de voz y, por lo tanto, se asume que se está generando el 10% de su tráfico peak, 1 TS, en la hora peak de cualquier otro servicio. Tabla 4-4: Tráfico disponible de acuerdo al esquema de codificación. Nº TS MCS-1 MCS-2 MCS-3 MCS-4 MCS-5 MCS-6 MCS-7 MCS-8 MCS-9

Tráfico disponible [Kbps] 45 52 359.040 414.480 456.960 527.520 603.840 697.080 718.080 828.960 913.920 1055.040 1109.760 1281.120 1827.840 2110.080 2219.520 2562.240 2415.360 2788.320

El tráfico disponible que se muestra en la Tabla 4-4 tiene considerado un BLER del 10%, esto se puede observar, por ejemplo, multiplicando la capacidad del esquema MCS-8, 54.4 [Kbps], por 45 TS, donde no se obtiene 2219.52 [Kbps] sino que 2448 [Kbps].

4.3.1.3. Cobertura Como se adelanto en la sección anterior, se debió realizar un proceso iterativo para encontrar el balance entre cobertura y capacidad, de donde se obtuvo una cobertura de 210 metros para cada celda. Al utilizar celdas con una cobertura de 210 metros27 son necesarias aproximadamente 998 celdas, lo que se traduce en 333 sitios y alrededor de 48 cluster 7/21. En la Figura 4-5 se muestra un esquema a escala de la situación descrita. En este documento cuando se cita la cobertura de una celda a través de una cantidad determinada de metros, se está haciendo referencia a la distancia máxima a la cual puede estar el usuario de la antena. Además esta distancia es utilizada como el diámetro de los hexágonos que representan una celda. 27

106

Figura 4-5: Cobertura del área en estudio utilizando celdas de 210 metros de diámetro.

En los Anexos sección O, se presentan 3 casos donde se busca mostrar la variación de la cobertura al momento de relajar las exigencias en las tasas de transferencia para los servicios de Video Streaming y FTP. En cada uno de estos casos se buscó alcanzar un tráfico peak parecido al obtenido en el caso original (1648.2 [Kbps]).

107

4.3.2. UMTS-WCDMA 4.3.2.1. Capacidad En la tecnología WCDMA la planificación de cobertura y capacidad están más relacionadas que en el resto de las tecnologías abordadas en este documento. Esto se debe a que el sistema CDMA en que está basada la tercera generación de telefonía celular es uno limitado por capacidad. Esto significa que a medida que la celda debe soportar más tráfico, debido al aumento de usuarios o de transferencias de alta velocidad, su cobertura disminuye. Este fenómeno obligó limitar la cobertura de cada celda a 250 metros y así poder soportar la carga más exigente, pudiendo ofrecer a sus usuarios las tasas máximas de transferencia para todos los servicios. Con una cobertura de 250 metros cada celda debe soportar aproximadamente 84 usuarios, los cuales se pueden dividir de acuerdo a su tipo, tal como se muestra en la Tabla 4-5. Tabla 4-5: Desglose de los usuarios de cada celda según tipo. Porcentaje Usuarios por Celda

Tipo I Tipo II Tipo III Total 60% 30% 10% 100% 50 25 8 84

Para obtener la capacidad que debe soportar cada celda se utilizó el número de usuarios que generan tráfico en las distintas horas peak, cuyo desglose se muestra en la Tabla 4-6. Tabla 4-6: Números de usuario por celda en las horas peak. 60% del total 60% usuarios 60% usuarios Total de usuarios Tipo II Tipo III Usuarios gen. tráfico 50 16 6 72

En la tecnología WCDMA la capacidad de cada celda puede ser determinada a través de los factores de carga, ver sección 3.3.2.1, los cuales, entre otros parámetros, dependen del número de usuarios y la tasa de transferencia de datos utilizada. Tabla 4-7: Factores de carga del enlace DL (ηDL) para cada hora peak 100% Voz Web 10% FTP Video Stream Tráfico demandado

Voz 19.48% 0.83% 5.21% 7.35% 32.87%

Web 8.34% 1.95% 5.21% 7.35% 22.84%

FTP Video Stream 52.06% 73.49% 1.95% 1.95% 0.83% 0.83% 5.21% 7.35% 62.19% 81.48%

Para obtener estos factores de carga se supuso un BLER del 10% para los servicios de datos y de un 2% para el de voz. Los factores de carga para el enlace UL son menores que los del enlace DL, debido a la hipótesis que considera una relación 70/30 entre el tráfico DL y UL. Por lo tanto, considerando esta asimetría, se dimensionó tomando en cuenta sólo los factores de carga del enlace DL, ya que se estaba trabajando con duplexación FDD. En el caso que se hubiera utilizado TDD se habrían tenido que agregar los factores de carga del enlace UL a los listados en la Tabla 4-7. 108

En la Tabla 4-8 se muestra los tráficos correspondientes a los factores de carga listados en la tabla anterior. Tabla 4-8: Tráficos peak generados de acuerdo a cada servicio en cada celda. Voz Web FTP Video Stream [Kbps] [Kbps] [Kbps] [Kbps] 100% 622.2 160.0 1472.0 2304.0 Voz [Kbps] 62.2 62.2 62.2 Web [Kbps] 16 16 16 10% FTP [Kbps] 147.2 147.2 147.2 Video Stream [Kbps] 230.4 230.4 230.4 Tráfico demandado [Kbps] 1015.8 599.8 1780.6 2529.4

4.3.2.2. Cobertura Para estimar la cobertura de una celda se utilizó el cálculo del radioenlace ascendente (UL), mientras que los valores para los parámetros fueron tomados de [17], los cuales también son mostrados en la Tabla 3-3. En un principio se calculó la cobertura utilizando los modelos COST 231 Hata y COST 231 Walfisch-Ikegami, los cuales son abordados en la sección C del anexo. El peor caso variando los parámetros que influyen en el cálculo del enlace, con una velocidad de 384 [Kbps], se obtuvo una cobertura máxima de 1.58 [Km] con el modelo Walfisch-Ikegami.

Figura 4-6: Cobertura del área en estudio utilizando celdas de 250 metros de diámetro.

A pesar de la buena cobertura alcanzada a través de los modelos de propagación, se debió limitar la cobertura de cada celda a 250 metros por motivos de capacidad. Con celdas de 250 metros de cobertura se debe brindar servicio a 84 usuarios, siendo necesarias alrededor de 713 celdas para cubrir toda el área en estudio. 109

En los Anexos sección O, se presentan 3 casos donde se muestra cómo la cobertura de cada celda varía al modificar las tasas de transferencia de los servicios de Video Streaming y FTP. En cada uno de estos casos se buscó obtener un factor de carga parecido al determinado en la situación original, de 81.48%, dejando un margen de ±2%.

4.3.2.3. Frecuencia Como se mencionó anteriormente, se utilizó duplexación FDD, además de considerar el uso de 12 canales de 5 [MHz], con el motivo de equiparar los 60 [MHz] utilizados en GSM-EDGE. Finalmente esto significa que se podrán desplegar como máximo 6 celdas con distintas frecuencias. Para poder minimizar la interferencia debido al tamaño de las celdas, se utilizaron sitios trisectoriales con antenas direccionales, lo cual se traduce en el uso de un cluster 2/6.

Figura 4-7: Ejemplo de un posible despliegue de los 6 pares de frecuencia disponible.

En la Figura 4-7: se muestra un ejemplo de una posible configuración de los 6 pares de frecuencia que se pueden utilizar para desplegar la red. En este paso se recomienda el uso de alguna herramienta computacional que permita encontrar la disposición óptima.

110

4.3.3. WiFi 4.3.3.1. Frecuencia Como se estableció en el marco de trabajo de esta comparativa, el despliegue de la red WiFi contemplaría el uso del estándar 802.11g y el uso de los canales 1, 6 y 11. Ver sección H del anexo.

Figura 4-8: Disposición de los canales WiFi para minimizar interferencia.

En la Figura 4-8 se muestra la disposición de los canales en cada sitio para minimizar la interferencia entre celdas que utilicen el mismo canal. En cada sitio habría 3 celdas y en cada una se utilizaría una antena WiFi direccional que trabajaría en un canal distinto con respecto a las celdas del mismo sitio.

4.3.3.2. Capacidad Para determinar la capacidad que sería necesaria, se estimó el tráfico en las horas peak de cada servicio a partir del número de usuarios que estaría generando tráfico. En la Tabla 4-9 se muestra este desglose de usuarios en las horas peak. Tabla 4-9: Número de usuarios en las 3 horas peak por celda. 60% del total 60% usuarios 60% usuarios Total de usuarios Tipo II Tipo III Usuarios gen. tráfico 8 3 1 12

El tráfico máximo está compuesto por el servicio que está en su hora peak, más el 10% del tráfico máximo de cada uno de los otros servicios. En la Tabla 4-10 se muestra el tráfico máximo demandado en cada caso. Se puede apreciar (Tabla 4-10) que el escenario que representa la mayor carga ocurre en la hora peak del servicio de Video Streaming, llegando a 421 [Kbps]. Los valores de los tráficos peak que se muestran en la Tabla 4-10, suponen los valores óptimos para cada uno de los servicios. 111

Tabla 4-10: Tráficos peak generados de acuerdo a cada servicio en cada celda. VoIP Web FTP Video Stream [Kbps] [Kbps] [Kbps] [Kbps] 100% 64.0 30.0 276.0 384.0 VoIP [Kbps] 6.4 6.4 6.4 Web [Kbps] 3 3 3 10% FTP [Kbps] 27.6 27.6 27.6 Video Stream [Kbps] 38.4 38.4 38.4 Tráfico demandado [Kbps] 133.0 102.4 323.8 421.0

La cobertura determinada, al igual que en las otras tecnologías, está influenciada por la capacidad que puede brindar cada celda. En WiFi se trabajó suponiendo un cierto comportamiento de la tasa de transferencia en función de la distancia (Ver sección H.3.1 del anexo). A partir de la velocidad estimada a una determinada distancia, se obtuvo el throughput, segunda columna de la Tabla 4-11, el cual permite cubrir la mayor demanda de tráfico a una distancia de 100 metros. En la Tabla 4-11 se muestra la disponibilidad que tiene la celda para soportar el tráfico más exigente en función de la distancia. En ella se puede apreciar que a la distancia de 100 metros se obtiene un throughput útil de 554 [Kbps], suficiente para los requerimientos de los usuarios. El parámetro p que aparece en la Tabla 4-11, corresponde a la proporción del tráfico nominal que puede ser utilizado por el usuario, es decir, el throughput útil. Tabla 4-11: Disponibilidad de servicio en función de la distancia Distancia [m] 10 30 50 70 90 100 110 120 130 140 150

Bit rate [Mbps] 54.000 21.117 7.509 2.670 0.949 0.566 0.338 0.201 0.120 0.072 0.043

p 0.46 0.68 0.85 0.94 0.97 0.98 0.98 0.99 0.99 0.99 0.99

Throughput útil Disponibilidad [Mbps] 24.824 Ok 14.411 Ok 6.410 Ok 2.502 Ok 0.922 Ok 0.554 Ok 0.332 no disp 0.199 no disp 0.119 no disp 0.071 no disp 0.042 no disp

4.3.3.2.1. Transporte WiMAX (Backhaul) El despliegue de esta red cuenta con el uso de la versión fija de WiMAX, donde se utiliza un CPE WiMAX para alimentar uno o más sitios. En este punto existe un compromiso de costos, el cual depende de las posibles implementaciones de esta solución. El compromiso de costos se produce al momento de decidir cuantos sitios se proveerán de un CPE, ya que a medida que más sitios dependan de un CPE, el tráfico que deberá soportar éste aumentará y, por lo tanto, también el de la antena WiMAX que lo provee de la conexión, provocando en un determinado momento el extremo en que sea necesario utilizar una antena WiMAX por cada CPE. 112

En la Tabla 4-12 se muestra la relación entre el tráfico que debería soportar cada CPE, primera columna, el número de sitios por CPE y el total de CPEs necesarios para cubrir toda el área en estudio. Tabla 4-12: Relación entre la capacidad demandada y el Nº de CPEs. Capacidad demandada [Mbps] 1.2630 2.5260 3.7890 5.0520 6.3150 8.8410 11.3670 13.8930 16.4190 18.9450 20.2080

Nº de sitios por CPE 1 2 3 4 5 7 9 11 13 15 16

Total CPEs para la red 1486 743 496 372 298 213 166 136 115 100 93

A continuación se presentan el escenario original (caso base) y 3 casos, en los cuales se modifica la carga más exigente que debe soportar cada celda, variando las tasas de transferencia de los servicios de Video Streaming y FTP. En cada uno de estos casos se presenta una matriz, donde se muestra la posibilidad de poder desplegar la red variando el número de sitios por CPE y el de CPEs por celda WiMAX. Los casos que se presentan a continuación tienen como base el uso de WiMAX fijo con las siguientes características. Tabla 4-13: Parámetros utilizados en WiMAX fijo. Parámetros Fs n BW NFFT ∆f Tb G Ts

Valor 11,42 1,14 10,00 256,00 0,045 22,41 0,03125 23,1092437

unidad MHz MHz MHz µs µs

A partir de estos datos se obtuvo la capacidad que podía ofrecer el enlace, el cual depende de la modulación y codificación que se utilice. En la Tabla 4-14 se muestran las velocidades que se pueden alcanzar en la celda WiMAX. Tabla 4-14: Velocidades soportadas por una celda basada en WiMAX fijo. OCR 0,75 0,67 0,50

QPSK 9,534 8,475 6,356

16QAM 19,068 16,949 12,712

64QAM 28,602 25,424 19,068 113

Caso Base En el caso base se trabajó con los datos de tráfico peak de los servicios citados al comienzo de esta sección, es decir, tasas de transferencias máximas dentro de la comparativa. Tabla 4-15: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 19.06 [Mbps] en el Caso 1. Sitios por CPE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 ×

2 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × ×

3 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × × ×

4 9 9 9 × × × × × × × × × × × × ×

5 9 9 9 × × × × × × × × × × × × ×

CPEs por Celda WiMAX 6 7 8 9 10 11 12 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

13 9 × × × × × × × × × × × × × × ×

14 9 × × × × × × × × × × × × × × ×

15 9 × × × × × × × × × × × × × × ×

16 × × × × × × × × × × × × × × × ×

En la Tabla 4-15 se muestran las posibilidades de despliegue, marcadas con ‘9’, variando el número de sitios por CPE y el de CPEs por celda WiMAX. Considerando que la celda puede ofrecer a todos los CPEs dentro de ella un throughput total de 19.06 [Mbps]. En la Tabla 4-16 se muestra el caso en que el throughput total disponible es de 28.60 [Mbps], el cual se obtiene en el esquema de modulación más alto y un esquema de codificación con baja redundancia. (Ver Tabla 4-14) Tabla 4-16: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 28.60 [Mbps] en el Caso 1. Sitios por CPE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

2 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × ×

3 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × ×

4 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × × ×

5 9 9 9 9 × × × × × × × × × × × ×

CPEs por Celda WiMAX 6 7 8 9 10 11 12 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × 9 9 × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

13 9 × × × × × × × × × × × × × × ×

14 9 × × × × × × × × × × × × × × ×

15 9 × × × × × × × × × × × × × × ×

16 9 × × × × × × × × × × × × × × × 114

Caso 1 En este caso se trabaja con las tasas de transferencia mínimas establecidas en la comparativa, es decir, 28 [Kbps] para el servicio FTP y 28.8 [Kbps] para el servicio de Video Streaming. Para este escenario la mayor carga de tráfico ocurre en la hora peak del servicio FTP, llegando a tan sólo 96.28 [Kbps]. Tabla 4-17: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 19.06 [Mbps] en el Caso 1. Sitios por CPE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

2 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

3 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

4 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

5 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × × ×

CPEs por Celda WiMAX 6 7 8 9 10 11 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × × 9 9 9 × × × 9 9 × × × × 9 × × × × × 9 × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

12 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × × ×

13 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × × ×

14 9 9 9 9 × × × × × × × × × × × ×

15 9 9 9 9 × × × × × × × × × × × ×

16 9 9 9 9 × × × × × × × × × × × ×

En la Tabla 4-17 se muestra la disponibilidad que se tiene en este caso con un throughput de 19.06 [Mbps], y en la Tabla 4-18 con un throughput de 28.60 [Mbps]. Tabla 4-18: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 28.60 [Mbps] en el Caso 1. Sitios por CPE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

2 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

3 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

4 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

5 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

CPEs por Celda WiMAX 6 7 8 9 10 11 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × × 9 9 9 9 × × 9 9 9 × × × 9 9 × × × × 9 9 × × × × 9 × × × × × 9 × × × × ×

12 9 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × ×

13 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × ×

14 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × ×

15 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × ×

16 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × × 115

Caso 2 En este caso se quisieron reflejar los cambios en el posible despliegue de la red al momento de entregar un servicio FTP óptimo en desmedro del de Video Streaming, es decir, se trabajó con una tasa de transferencia de 92 [Kbps] para el servicio FTP y 28.8 [Kbps] para el servicio de Video. El tráfico peak ocurrió durante la hora peak del servicio FTP, exigiendo en total una capacidad de 288.28 [Kbps]. Tabla 4-19: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 19.06 [Mbps] en el Caso 2. Sitios por CPE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

2 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × × × × ×

3 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × ×

4 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × × ×

5 9 9 9 9 × × × × × × × × × × × ×

CPEs por Celda WiMAX 6 7 8 9 10 11 12 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × 9 9 × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

13 9 × × × × × × × × × × × × × × ×

14 9 × × × × × × × × × × × × × × ×

15 9 × × × × × × × × × × × × × × ×

16 9 × × × × × × × × × × × × × × ×

En la Tabla 4-19 se muestra la disponibilidad que se tiene en este caso con un throughput de 19.06 [Mbps], y en la Tabla 4-20 con un throughput de 28.60 [Mbps]. Tabla 4-20: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 28,60 [Mbps] en el Caso 2. Sitios por CPE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

2 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × × × × ×

3 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × × × × ×

4 9 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × ×

5 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × ×

CPEs por Celda WiMAX 6 7 8 9 10 11 12 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × 9 9 9 × × × × 9 × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

13 9 9 × × × × × × × × × × × × × ×

14 9 9 × × × × × × × × × × × × × ×

15 9 9 × × × × × × × × × × × × × ×

16 9 9 × × × × × × × × × × × × × × 116

Caso 3 En este caso se trabaja con una tasa de transferencia de 28 [Kbps] para el servicio FTP y 64 [Kbps] para el servicio de Video Streaming, y, al igual que en el caso 1, este cambio provocó que el tráfico peak lo provoque el servicio FTP, exigiendo en total una capacidad de 100.4 [Kbps]. Tabla 4-21: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 19.06 [Mbps] en el Caso 3. Sitios por CPE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

2 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

3 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

4 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 ×

5 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × × × ×

CPEs por Celda WiMAX 6 7 8 9 10 11 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × 9 9 9 9 × × 9 9 × × × × 9 9 × × × × 9 × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ×

12 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × × ×

13 9 9 9 9 × × × × × × × × × × × ×

14 9 9 9 9 × × × × × × × × × × × ×

15 9 9 9 9 × × × × × × × × × × × ×

16 9 9 9 × × × × × × × × × × × × ×

En la Tabla 4-21 se muestra la disponibilidad que se tiene en este caso con un throughput de 19.06 [Mbps], y en la Tabla 4-22 con un throughput de 28.60 [Mbps]. Tabla 4-22: Posibilidades de despliegue con un throughput total de 28.60 [Mbps] en el Caso 3. Sitios por CPE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

1 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

2 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

3 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

4 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

5 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9

CPEs por Celda WiMAX 6 7 8 9 10 11 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 × 9 9 9 9 × × 9 9 9 × × × 9 9 × × × × 9 9 × × × × 9 × × × × × 9 × × × × × × × × × × ×

12 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × ×

13 9 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × ×

14 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × ×

15 9 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × ×

16 9 9 9 9 9 × × × × × × × × × × × 117

Consideraciones Generales Para cada uno de los casos antes mencionados, se debe tener en cuenta el total de celdas WiMAX que se deberían utilizar. La Tabla 4-23 muestra el número de celdas necesarias para cubrir el área en estudio en función del número de sitios por CPE, columna A, y el de CPEs por celda, columna B. Los valores de la matriz tienen como base que cada AP WiFi tiene la cobertura determinada originalmente, es decir, 100 metros. Tabla 4-23: Número de celdas en función del nº de sitios por CPE (A) y de CPEs por celda (B). B A 1 2 1 1486 743 2 743 372 3 496 248 4 372 186 5 298 149 6 248 124 7 213 107 8 186 93 9 166 83 10 149 75 11 136 68 12 124 62 13 115 58 14 107 54 15 100 50 16 93 47

3 496 248 166 124 100 83 71 62 56 50 46 42 39 36 34 31

4 372 186 124 93 75 62 54 47 42 38 34 31 29 27 25 24

5 298 149 100 75 60 50 43 38 34 30 28 25 23 22 20 19

6 248 124 83 62 50 42 36 31 28 25 23 21 20 18 17 16

7 213 107 71 54 43 36 31 27 24 22 20 18 17 16 15 14

8 186 93 62 47 38 31 27 24 21 19 17 16 15 14 13 12

9 166 83 56 42 34 28 24 21 19 17 16 14 13 12 12 11

10 149 75 50 38 30 25 22 19 17 15 14 13 12 11 10 10

11 136 68 46 34 28 23 20 17 16 14 13 12 11 10 10 9

12 124 62 42 31 25 21 18 16 14 13 12 11 10 9 9 8

13 115 58 39 29 23 20 17 15 13 12 11 10 9 9 8 8

14 107 54 36 27 22 18 16 14 12 11 10 9 9 8 8 7

15 100 50 34 25 20 17 15 13 12 10 10 9 8 8 7 7

16 93 47 31 24 19 16 14 12 11 10 9 8 8 7 7 6

4.3.3.3. Cobertura Para obtener la cobertura que tendría un AP WiFi se utilizó el modelo simplificado citado en la sección 3.2.3 de planificación de cobertura, donde se tomó un margen de 13 dB con lo cual se obtuvo una cobertura máxima de 100 metros por AP. Dada esta cobertura son necesarios 154 APs para cubrir 1 Km2 y aproximadamente 4457 para cubrir toda el área en estudio, donde cada AP debe dar servicio a 13 usuarios. En la Figura 4-9 se muestra un diagrama a escala del despliegue de las más de 4000 celdas necesarias para cubrir el área de estudio. Como se mencionó, una celda de 100 metros de diámetro alcanza cubrir a 13 usuarios cuyo desglose se muestra en la Tabla 4-24. Tabla 4-24: Desglose de los tipos de usuario por celda. Porcentaje Usuarios por Celda

Tipo I Tipo II Tipo III Total 60% 30% 10% 100% 8 4 1 13

118

Figura 4-9: Cobertura del área en estudio utilizando celdas de 100 metros de diámetro.

En los Anexos sección O, se presentan 3 casos en los cuales se estudia la variación de la cobertura al momento de variar las tasas de transferencia de los servicios de FTP y Video Streaming. En cada uno de estos casos se consideró el uso de un CPE por cada 3 sitios y 5 CPEs por celda WiMAX. Esta condición de uso es factible en el escenario más exigente, es decir, en aquel donde los servicios son entregados a su tasa de transferencia máxima y se cuenta con la capacidad mínima de la modulación 64QAM (Ver Tabla 4-15).

119

4.3.4. WiMAX 4.3.4.1. Capacidad Para la planificación de capacidad se dispuso de 6 canales de 10 [MHz] cada uno, con el motivo de equiparar los recursos del espectro radioeléctrico que se dispuso en las otras tecnologías y minimizar la interferencia entre celdas que utilicen el mismo canal, ya que se debió reducir las coberturas que fueron obtenidas en primera instancia con la planificación de cobertura. La capacidad de la cual se dispone por canal depende de la modulación, el esquema de codificación y el número de subportadoras que se utilice (Ver Tabla 3-21). En la Tabla 4-25 se muestra la capacidad disponible en Mbps al utilizar un canal de 10 [MHz], donde los valores que son listados corresponden al throughput útil que puede ser utilizado en el tráfico generado por el uso de los servicios, ya que está considerado un 15% de overhead y un 10% de BLER. Tabla 4-25: Capacidad en Mbps de un canal de 10 [MHz] dependiendo de la cantidad de subportadoras. Subportadoras 560

720

OCR 0.75 0.67 0.50 0.75 0.67 0.50

BPSK 3.122 2.776 2.082 4.015 3.569 2.676

QPSK 6.245 5.551 4.163 8.029 7.137 5.353

16QAM 12.490 11.102 8.327 16.058 14.274 10.706

64QAM 18.735 16.653 12.490 24.087 21.411 16.058

Se utilizó el esquema que permite trabajar con 720 subportadoras para el transporte de datos y se consideró que la calidad de la señal permite trabajar siempre con la modulación 64QAM, con lo cual se puede entregar todos los servicios en óptimas condiciones, tasas máximas de transferencia, a 407 usuarios. En la Tabla 4-26 se muestra el total de usuarios que generan tráfico en las 3 horas peak que debe soportar la red. Tabla 4-26: Número de usuarios por celda en las 3 horas peak. 60% del total 60% usuarios 60% usuarios Total de usuarios Tipo II Tipo III Usuarios gen. tráfico 245 74 25 344

A partir del número de usuarios que provocan el tráfico peak en cada servicio, Tabla 4-26, se obtuvo que la mayor carga que debe soportar una celda es en la hora peak del servicio de Video Streaming, tal como lo muestra la Tabla 4-27. Tabla 4-27: Tráficos peak por celda generados de acuerdo a cada servicio. VoIP Web FTP Video Stream [Kbps] [Kbps] [Kbps] [Kbps] 100% 1960.0 740.0 6808.0 9600.0 VoIP [Kbps] 196 196 196 Web [Kbps] 74 74 74 10% FTP [Kbps] 680.8 680.8 680.8 Video Stream [Kbps] 960 960 960 Tráfico demandado [Kbps] 1714.8 2576.8 8038.0 10550.8 120

Los valores listados en la Tabla 4-27 suponen el uso de las tasas máximas de transferencia para todos los servicios (Ver sección 3.5.1.2). El tráfico que se muestra en la Tabla 4-27 corresponde al enlace UL. Dado a que se está trabajando con duplexación TDD, se dimensionó la capacidad utilizando la hipótesis que establece una relación de 70/30 entre el enlace DL y UL, con lo cual se obtiene 15072.5 [Kbps] como el tráfico peak que debe soportar una celda.

4.3.4.2. Cobertura En la planificación de cobertura se utilizó el cálculo del radioenlace que se cita en la sección 3.2.4.2 de planificación de cobertura de WiMAX Móvil, pero con algunas modificaciones que posibilitaron obtener una señal con un nivel tal que permitió trabajar con las modulaciones más altas. Para obtener las pérdidas por propagación y la cobertura se utilizó el modelo recomendado por el WiMAX Forum [18] [19]. La cobertura obtenida fue de 3.87 [Km], lo cual implicaba soportar el tráfico generado por 20127 usuarios, cuyo peak alcanza a 729.26 [Mbps]. Claramente no se puede cubrir estos requerimientos utilizando un canal por celda, que es la estrategia que se está utilizando, por lo cual, después de un proceso iterativo, se obtuvo que la cobertura debía ser de 550 metros, lo que se traduce en 407 usuarios. Para cubrir toda el área de estudio son necesarias alrededor de 147 celdas, en la Figura 4-10 se muestra un diagrama a escala donde se utilizaron 143 celdas.

Figura 4-10: Diagrama a escala del despliegue de celdas necesarias para cubrir el área en estudio.

En los Anexos sección O, se presentan 3 casos en los cuales se muestra como la cobertura de cada celda varía al modificar las tasas de transferencia de los servicios de Video Streaming y FTP. En cada uno de estos casos se busca no sobrepasar una demanda de 16 [Mbps], ya que éste es aproximadamente el límite inferior que soporta un canal de 10 [MHz] al utilizar modulación 64QAM con 720 subportadoras para el transporte de datos (Ver Tabla 4-25). 121

4.3.4.3. Frecuencia En la planificación de capacidad se mencionó que se utilizarían 6 canales de 10 [MHz] cada uno para poder minimizar la interferencia entre celdas, ya que debido a su tamaño, 550 metros, la interferencia entre celdas habría sido elevada. Debido a que se cuenta con 6 canales no se utilizó subcanalización, es decir, no se reservaron subcanales para ser utilizados en los bordes de las celdas, lo que, en otras palabras, significa que dentro de una misma celda se utilizarán todos los subcanales. El despliegue considera el uso de sitios trisectoriales y antenas directivas, es decir, se estará utilizando un cluster 2/6. La disposición de los canales debe ser tal que los que se encuentren más cercano en el espectro de frecuencia sean utilizados por celdas que no sean adyacentes, con el fin de disminuir la interferencia co-canal.

Figura 4-11: Posible implementación de los canales de frecuencia en el despliegue de la red.

En la Figura 4-11 se muestra una posible disposición de los canales al momento de desplegar la red.

122

4.3.5. Resumen Comparativo En esta sección se resumirán los principales parámetros involucrados en el despliegue de cada tecnología, de modo de realizar una comparación más directa. El objetivo es comparar elementos que resultaron del despliegue de cada tecnología y no parámetros que dan cuenta del funcionamiento de cada una. Las tablas que se presentan a continuación representan cada uno de los casos revisados en cada tecnología, ver sección O de los Anexos, donde se modificaron las tasas de transferencia de los servicios de FTP y Video Streaming. Los casos mencionados son listados a continuación. - Tasa de 28,8 [Kbps] para el servicio de Video Streaming y 28 [Kbps] para el FTP. - Tasa de 28,8 [Kbps] para el servicio de Video Streaming y 92 [Kbps] para el FTP. - Tasa de 128 [Kbps] para el servicio de Video Streaming y 64 [Kbps] para el FTP. También se incluyo el caso original en donde se debían entregar estos servicios a su tasa máxima de transferencia. En la Tabla 4-28 se muestran los resultados de este escenario. Tabla 4-28: Comparación en el escenario FTP 92 [Kbps] y Video Streaming 384 [Kbps]. Cobertura de cada celda Nº de celdas Nº de usuarios por celda Nº de sitios trisectoriales necesarios Cobertura de usuarios Cobertura del área en estudio Espectro utilizado por celda Espectro utilizado en la red Tráfico máx. por celda DL Tráfico máx. por celda UL y DL Eficiencia espectral Tipo de cluster

GSM-EDGE WCDMA WiFi WiMAX Móvil Unidades 210 250 100 550 metros 998 713 4457 147 60 84 13 407 333 238 1486 49 99.80 99.82 96.57 99.72 % 98.57 99.81 99.82 99.59 % 2.80 10.00 22.00 10.00 MHz 60 60 66 60 MHz 1648.20 2529.40 421.00 10550.80 Kbps 2354.57 3613.43 601.43 15072.57 Kbps 0.841 0.361 0.027 1.507 bps/Hz 7/21 2/6 1/3 2/6 -

Tabla 4-29: Comparación en el escenario FTP 28 [Kbps] y Video Streaming 28.8 [Kbps]. GSM-EDGE WCDMA WiFi WiMAX Móvil Unidades Cobertura de cada celda 350 480 120 1160 metros Nº de celdas 362 193 3095 33 Nº de usuarios por celda 165 310 19 1809 Nº de sitios trisectoriales necesarios 121 65 1032 11 Cobertura de usuarios 99.55 99.72 98.01 99.50 % Cobertura del área en estudio 99.32 99.59 99.82 99.45 % Espectro utilizado por celda 2.80 10.00 22.00 10.00 MHz Espectro utilizado en la red 60 60 66 60 MHz Tráfico máx. por celda DL 898.80 2536.72 131.35 10636.72 Kbps Tráfico máx. por celda UL y DL 1284.00 3623.89 187.64 15195.31 Kbps Eficiencia espectral 0.459 0.362 0.009 1.520 bps/Hz Tipo de cluster 7/21 2/6 1/3 2/6 123

Dentro de los parámetros bajo los cuales se comparan las tecnologías está la cobertura que se obtiene por celda. La Tabla 4-28 es la que presenta los menores valores y la Tabla 4-29 los mayores. La Tabla 4-29 corresponde al caso en que se trabajó con las tasas mínimas de transferencias para los servicios de FTP y Video Streaming. Tabla 4-30: Comparación en el escenario FTP 92 [Kbps] y Video Streaming 28.8 [Kbps]. GSM-EDGE WCDMA WiFi WiMAX Móvil Unidades Cobertura de cada celda 230 310 110 690 metros Nº de celdas 831 464 3683 93 Nº de usuarios por celda 72 129 16 640 Nº de sitios trisectoriales necesarios 277 155 1228 31 Cobertura de usuarios 99.72 99.76 98.21 99.20 % Cobertura del área en estudio 98.46 99.87 99.81 99.17 % Espectro utilizado por celda 2.80 10.00 22.00 10.00 MHz Espectro utilizado en la red 60 60 66 60 MHz Tráfico máx. por celda DL 1223.40 2350.20 289.88 11207.52 Kbps Tráfico máx. por celda UL y DL 1747.71 3357.43 414.11 16010.74 Kbps Eficiencia espectral 0.624 0.336 0.019 1.601 bps/Hz Tipo de cluster 7/21 2/6 1/3 2/6 -

En la Tabla 4-30 y en la Tabla 4-31 se muestran los casos intermedios. La primera corresponde al caso en donde se favorece el servicio FTP por sobre el de Video Streaming, y la segunda, en donde se trabaja con tasas relativamente altas, 64 [Kbps] para el servicio FTP y 128 para el de Video Streaming. Como se puede observar las coberturas en este último caso son mayores a pesar de que en promedio la tasa es mucho mayor, debido a que la cantidad estimada de usuarios que utiliza el servicio FTP es mucho mayor. Tabla 4-31: Comparación en el escenario FTP 64 [Kbps] y Video Streaming 128 [Kbps]. GSM-EDGE WCDMA WiFi WiMAX Móvil Unidades Cobertura de cada celda 270 250 110 800 metros Nº de celdas 611 713 3683 69 Nº de usuarios por celda 98 84 16 861 Nº de sitios trisectoriales necesarios 204 238 1228 23 Cobertura de usuarios 99.80 99.82 98.21 99.02 % Cobertura del área en estudio 99.76 99.81 99.81 98.91 % Espectro utilizado por celda 2.80 10.00 22.00 10.00 MHz Espectro utilizado en la red 60 60 66 60 MHz Tráfico máx. por celda DL 1246.80 2529.40 215.80 11154.20 Kbps Tráfico máx. por celda UL y DL 1781.14 3613.43 308.29 15934.57 Kbps Eficiencia espectral 0.636 0.361 0.014 1.593 bps/Hz Tipo de cluster 7/21 2/6 1/3 2/6 -

A continuación se muestra la Tabla 4-32 donde se comparan parámetros como las técnicas de modulación, el ancho de banda de cada canal y tipo de acceso para las tecnologías abordadas en este documento. La información que se muestra en la Tabla 4-32 se obtuvo de la memoria de la Srta. Priscila López Pavez, donde se hace una comparativa acabada de las principales tecnologías emergentes [46]. 124

Tabla 4-32: Parámetros técnicos. Modulación BW canal Método de acceso Espectro

GSM-EDGE

WCDMA-HSDPA

WiFi WiMAX Móvil Unidades QPSK-BPSKQPSK-BPSK16QAM-64QAM 16QAM-64QAM 22 1.5 a 20 (escalable) MHz

GMSK y 8PSK

QPSK-16QAM

0.2

5

TDMA/FDMA

TDMA/CDMA

OFDMA

SOFDMA

-

450-486/ 824894/ 876-960/ 1710-1880/ 18501990

824-894/ 830-885/ 1710-1880/ 17102155/ 1850-1990/ 1920-1980/ 2110 2170

2401-2473

2000-11000

MHz

125

Capítulo 5 Discusión Al comienzo de este capítulo se realizan discusiones generales sobre el documento y los objetivos de este trabajo. Luego, en secciones separadas, se discute sobre los posibles escenarios de despliegue de WiMAX, abordando, de paso, el posible interfuncionamiento con WiFi, la coplanificación de una red WCDMA-GSM, en particular su despliegue en Chile, y por último se discute sobre los resultados obtenidos en la comparativa de tecnologías. Uno de los objetivos específicos que tal vez no se logró en su totalidad fue el de uso y/o programación de una herramienta en alguno de los tipos de planificación. La programación de una herramienta no fue posible debido a la cantidad de tiempo que esto demandaría, ya que no se contaba con una herramienta base a la cual introducir mejoras y, si bien fue posible utilizar herramientas de planificación de redes inalámbricas, éstas correspondían a versiones de prueba las que no permitían realizar estudios en zonas particulares, motivo por el cual no se utilizaron en la comparativa de tecnologías. Dentro de las metodologías que existen para abordar la planificación de redes inalámbricas, la estudiada en este documento corresponde a una de las líneas más clásicas, y a pesar de que no se abordó el enfoque de diferenciación de servicios a través de la calidad de éstos como parte de la metodología, si está implícita en la comparativa realizada donde se diferenciaron tipos de servicios y niveles de calidad en algunos de ellos. El estudio de la planificación de cada una de las tecnologías se vio directamente relacionado con la bibliografía encontrada al respecto. Como se pudo apreciar, la tecnología que presenta un mayor detalle es GSM, mientras que pocos de los documentos relacionados con WiMAX presentaban el enfoque técnico necesario para realizar este documento, debido a su carácter de tecnología emergente. Uno de los temas que no se abordó en detalle dentro de la metodología de planificación fue la calidad de servicio, la cual tiene directa relación con la planificación de capacidad y en cierto grado con la de cobertura. Esto se debió principalmente al enfoque utilizado en la planificación de capacidad, donde lo que se estudió fueron parámetros y procesos que afectan la capacidad bruta de la interfaz física de una red inalámbrica y, si bien dentro de estos procesos pudo haber estado algún mecanismo que asegurara la calidad de servicio, no se hizo una mayor distinción respecto a los demás. Por otro lado, la incorporación de la calidad de servicio puede realizarse en otras capas dentro de la red. Además para poder asegurar cierta calidad de servicio en una red que comprenda más de un operador, se hace necesario el uso de una arquitectura que tenga los mecanismos correspondientes para poder ofrecerla de extremo a extremo. La planificación de redes inalámbricas es y será un tema en desarrollo donde la incorporación de nuevas técnicas permitirán obtener un mayor desempeño. En particular el estudio de nuevas 126

metodologías para la planificación es, sin duda, un tema que puede ser utilizado para la obtención de un título de magíster o de doctorado, donde el campo de las predicciones de propagación y la obtención de coberturas es una de las aristas más estudiadas, lo cual se ve reflejado en la gran cantidad de modelos desarrollados. Uno de los escenarios que habría sido interesante abordar es el de interfuncionamiento entre redes celulares y redes de datos, en particular el de WiFi con WCDMA debido a la apuesta que están realizando algunos fabricantes de terminales, los cuales ya han lanzado al mercado dispositivos que permiten utilizar ambas redes. Una arista importante en la planificación de capacidad, y que no fue abordada en este documento, es la consideración de la capacidad extremo a extremo de la red. En la planificación de toda red se debe planificar la capacidad de cada una de las partes e interfaces, desde la red de acceso (parte que fue revisada en este documento) hasta la conexión con proveedores de servicios (ejemplo: servidores de aplicaciones). En particular, en las redes inalámbricas se debe considerar el transporte entre BTS y el centro de control y el de éste con el centro de conmutación. Se debe hacer una planificación de capacidad integrada para evitar cuellos de botella, lo cual provocaría una merma en toda la red.

5.1. Escenarios WiMAX En está sección se discuten en forma breve los posibles despliegues que se pueden realizar utilizando WiMAX, además de analizar su posible interfuncionamiento con WiFi, a la luz de los resultados obtenidos.

5.1.1. WiMAX como Transporte (Backhaul) En las redes celulares el uso de enlaces microondas PP para conectar las estaciones base con sus controladoras (BSC o RNC) corresponde a la alternativa más utilizada cuando no es posible utilizar fibra óptica, ya sea porque no existe o porque el costo de realizar el enlace es mayor. El uso de WiMAX como backhaul por parte de los operadores de telefonía móvil, ver Figura 5-1, les permitiría aumentar su capacidad de tráfico, el cual tendría su cuello de botella en la capacidad de los controladores de estaciones base.

Figura 5-1: WiMAX como backhaul.

127

La posible implementación de WiMAX como backhaul para redes celulares sólo se llevará a cabo si los costos de implementarla son menores que los de un enlace microondas tradicional. Además con el nivel de penetración que ha alcanzado la telefonía celular y la madurez de su mercado en Chile, no parece razonable seguir desplegando sitios celulares, salvo en lugares donde se necesite entregar mayor capacidad. Sin embargo estos lugares corresponden generalmente a centros urbanos donde probablemente la mejor opción es la fibra óptica. En la comparativa se desplegó una red WiFi con la ayuda de CPEs WiMAX, el cual tiene cierto parecido al de la Figura 5-1, pero, como se vio en la comparativa, esta interacción es poco eficiente y posiblemente el despliegue de casos como el de la Figura 5-2 sean más recurrentes. En este escenario se utiliza WiFi como punto de acceso, donde el tráfico es llevado a través de un troncal WiMAX a través de uno o más CPEs en un edificio, el cual alimentaría a la red de APs WiFi, tal como se muestra en la Figura 5-2. Este tipo de despliegues tiene una mayor factibilidad en ciudades medianas donde no existe un gran despliegue de fibra óptica, ya que en ciudades como Santiago se deberían dar varias condiciones, entre ellas bajos costos, como para que un edificio que cuenta con una conexión cableada utilice esta solución.

Figura 5-2: Escenario WiMAX-WiFi.

El escenario que se muestra en la Figura 5-2 posiblemente sea el más probable, durante los primeros años en que WiMAX penetre el mercado, primero en su versión fija, estando posiblemente orientado al sector empresarial, en especial para pequeñas y medianas empresas que no poseen grandes infraestructuras. Con respecto a la dinámica que se producirá cuando comience la comercialización masiva de WiMAX móvil, desde la perspectiva del autor, será tal como está sucediendo con la telefonía fija y la voz sobre IP, en donde será más conveniente utilizar equipos WiMAX por sobre los WiFi. Sin embargo para que esto comience deberá ocurrir un cambio cultural de los usuarios, el mismo que está ocurriendo en el mundo de la telefonía donde son más las personas que están utilizando programas como skype y contratando telefonía IP, algo que ya sucedió en la mayoría de las empresas y entidades tanto gubernamentales como de educación. El cambio de utilizar WiFi por WiMAX móvil no es tan profundo como en el caso de la telefonía, pero también presentará la oposición de aquellos que tengan redes WiFi y vean a WiMAX como el inevitable reemplazo.

128

5.1.2. WiMAX como Wireless DSL En los últimos años se ha manifestado la importancia de poder ofrecer conexiones de banda ancha hasta el usuario común, lo cual se vio reflejado en Chile cuando los operadores locales doblaron las tasas de transmisión a los clientes sin costo alguno. A pesar de lo anterior, la cantidad de usuarios que poseen estos servicios no representan un gran porcentaje del total de clientes potenciales. Las causas de esto son variadas, desde razones técnicas hasta la falta de soluciones efectivas desde del punto de vista económico, lo cual es recurrente en zonas rurales. Bajo estos escenarios aparece WiMAX como la gran solución, permitiendo ofrecer velocidades similares a las que brinda las tecnologías DSL. Algunos de estos escenarios donde se podría utilizar WiMAX como solución DSL son:

• Donde la red de cobre no es lo suficientemente amplia o ha tenido muchos años operando como para soportar DSL, sin una mejora sustancial. • Para suscriptores remotos o en zonas rurales. • Para un ISP que necesita arrendar líneas de cobre, tramas E1, para poder ofrecer sus servicios. En la Figura 5-3 se muestra un ejemplo del uso de WiMAX en zonas rurales, donde realizar la instalación de cable no resulta factible debido a los costos que esto implica. Dentro de los servicios que se podrían ofrecer está la telefonía e Internet banda ancha.

Figura 5-3: WiMAX utilizado en zonas rurales.

Sin duda la masificación de WiMAX puede tener su beta en este escenario debido a la completa gama de servicios que podría ofrecer a sitios aislados, funcionando no sólo como una red que soporta servicios de valor agregado, sino que también como una red de comunicación en casos de emergencia en donde el corte de caminos o la caída de postes imposibilite el uso de medios cableados. Sin embargo esto significa un compromiso y una apuesta también por parte del estado, donde a su vez el uso de estas redes puede ayudar a disminuir la brecha digital entre personas de zonas rurales y urbanas. 129

5.2. Co-Planificación WCDMA-GSM Como en todo tipo de planificación existe una dependencia de varios parámetros y decisiones, las cuales, en su mayoría, son tomadas por un equipo estratégico multidisciplinario. Estas decisiones dependen principalmente de la estrategia de marketing que tenga la empresa, pero probablemente estas sean enfocadas a obtener las mejores prestaciones y capacidades de la red WCDMA, dentro de un presupuesto que variará de empresa a empresa. Debido a que el sistema WCDMA es limitado por interferencia, no resulta una buena solución hacer un reuso de los sitios GSM. Sin embargo, circunstancias como la falta de un lugar físico disponible para emplazar el nuevo sitio, problemas de permisos o limitaciones económicas, obligarán finalmente a incurrir en la reutilización de sitios. Un posible escenario en el cual un operador haga una alta reutilización de los sitios GSM, es aquel en que el operador no quiera perder ante su competidor por el posicionamiento de mercado en la telefonía de tercera generación, por lo cual realiza un despliegue reutilizando la mayoría de sus sitios GSM, lo que le llevará mucho menos tiempo y dinero. El despliegue de una red WCDMA en forma paulatina es sin duda la estrategia más recomendable, ya que permite obtener resultados que, dependiendo de los lugares de despliegue, pueden ser representativos de toda la zona de operación de la empresa, permitiendo pronosticar de mejor manera las capacidades y necesidades de la red. Al momento de realizar este despliegue se debe asegurar el interfuncionamiento entre la red GSM y la WCDMA, de modo que la experiencia del usuario, al momento de cambiar de sistema, sea fluida y sin que éste lo note. A continuación se discute sobre el despliegue de una red 3.5G por parte de un operador chileno en algunas comunas de Santiago.

Caso chileno En diciembre de 2006 Entel lanzó al mercado 3.5G utilizando WCDMA con HSDPA. Contrariamente a la propuesta planteada en la sección anterior, Entel ha apostado, en una primera etapa, por su uso con computadores portátiles y no a través de teléfonos celulares, ofreciendo Internet inalámbrico a través de esta red. Esta estrategia es comprensible, si se tiene en cuenta que el porcentaje que representa el tráfico de datos a través de las redes celulares es menor al 10%, siendo un mercado poco desarrollado, debido al escaso incentivo de los operadores a los usuarios para utilizar servicios relacionados. Entel ha dicho en diferentes medios de comunicación que durante el primer semestre del 2007 se finalizará la primera etapa de implementación, donde se dará cobertura a la Región Metropolitana y a las principales ciudades de la Quinta Región. La estrategia adoptada por Entel parece ser la más acertada, considerando la poca experiencia que se tiene en estas redes, ya que corresponde a la primera red de su tipo en Latinoamérica. Uno de los problemas con los cuales está lidiando Entel es el espectro de frecuencias, el cual todavía no ha sido licitado, por lo que ha debido utilizar los recursos con los que cuenta actualmente. Espera, lógicamente, aumentar sus recursos de espectro cuando se realice la licitación.

130

Con respecto a los competidores directos, Movistar y Claro, no ha habido ninguna reacción directa, ni se han tenido noticias de adquisiciones de equipos 3G, por parte de estas compañías. Movistar ha incrementado el marketing en los servicios multimedia y de tiempo real, pero sin hacer alusión a la tecnología que está utilizando. Por otro lado Claro, hace algunas semanas, relanzó su red GSM ampliando su cobertura. Lo que ha hecho Entel es una gran apuesta, la misma que realizó cuando implementó, también en forma pionera, la red GSM. Esto le permite ganar experiencia en la tecnología 3G, además de cumplir con su promesa de marketing ‘vivir primeros el futuro’. Otro punto donde está apostando corresponde a la convivencia de WiMAX con WCDMA, ya que también se ha dado conocer que Entel ha estado desplegando una red WiMAX a lo largo del país, pero aún no ha sido lanzada en forma oficial como producto.

5.3. Comparativa entre Tecnologías En esta sección se discutirán los resultados obtenidos en la comparativa de tecnologías comenzando con los aspectos generales para luego entrar al detalle de cada tipo de planificación abordada. Una de las consecuencias de las hipótesis utilizadas es que el tamaño de las celdas en cada tecnología es el mismo, lo que resulta ser una situación poco realista pero permite obtener resultados promedios sobre la planificación de una red. Debido a que en general la cobertura de las celdas en cada tecnología no superaba el kilómetro se pudo cubrir de mejor forma el área en estudio, prueba de ello es que el porcentaje menor de cobertura fue de 99,17%. En consecuencia el porcentaje de cobertura a usuarios también fue alto, donde la menor cobertura fue del 96,57%. Ambos valores están por sobre los requeridos en el marco de trabajo de la comparación. Por último se debe mencionar que la comparativa realizada está basada en el despliegue, ya que en todos los casos se utilizó gran parte de los recursos para entregar los servicios, y no se dejó una holgura suficiente para el crecimiento de la demanda de servicios y de clientes.

5.3.1. Capacidad Al momento de dimensionar una red para un determinado servicio, como lo es el acceso a Internet o el de video streaming, se debe tener en cuenta que probablemente la fuente de estos servicios esté fuera de la red del operador, pudiendo producirse retardos o cuellos de botella en tramos donde el operador no podrá interceder. Posiblemente este problema sea la principal causa de la creación de arquitecturas como IMS o simplemente la creación de la distinción de tráfico a través de la calidad de servicio. En particular, en la comparación realizada la capacidad que se estimó para cada servicio sólo abarca la interfaz de aire, es decir, se obtuvo la capacidad que ofrece un determinado ancho de banda y la cantidad de usuarios que podía soportar dada esta capacidad. No se estimaron las capacidades de las interfaces entre entidades de cada tecnología porque estaban fuera de los alcances de la comparativa. 131

La planificación de capacidad resultó ser el factor determinante en la comparación realizada debido a la limitación del ancho de banda disponible, lo que provocó en cada una de las tecnologías, excepto en WiFi, disminuir la cobertura de las celdas obtenidas en la planificación de cobertura. Esta situación tiene una de sus causales en la hipótesis sobre la densidad uniformemente distribuida de usuarios y de tráfico. Una buena forma de comparar las capacidades de las tecnologías es a través de la eficiencia espectral, donde los que obtuvieron los valores más altos fueron WiMAX Móvil y GSM-EDGE. En una primera instancia puede resultar raro que GSM-EDGE tuviera mejor eficiencia espectral que WCDMA, pero esto puede explicarse, en parte, porque se utilizó duplexación FDD en WCDMA. Si bien en GSM-EDGE también se utilizó el mismo tipo de duplexación, el factor que inclinó la balanza fue el ancho de banda con el cual se trabajó cada tecnología, ya que al realizar el mismo análisis para de la red completa se obtuvo, en todos los casos, mejores resultados con WCDMA.

5.3.2. Cobertura Dentro de la planificación de cobertura los modelos de propagación juegan un rol importantísimo, y, por lo tanto, una buena elección resulta prioritaria. Esto se debe principalmente a que el uso de uno u otro modelo de propagación hace que varíen también las predicciones de cobertura, por lo cual en la planificación de una red inalámbrica real se realizan ciertas visitas a terreno a los posibles emplazamientos de las estaciones base, que en la literatura es llamado como el site survey, donde se hacen pruebas y se toman medidas para corroborar que el modelo utilizado, el de propagación, es un buena aproximación. El uso de mapas digitales con la geografía urbana del sitio de interés disminuye el margen de error al momento de realizar las predicciones de cobertura, pero llevan consigo un compromiso entre tiempo de procesamiento y detalle de los mapas urbanos. En cada uno de los casos revisados WiMAX Móvil resultó con la mayor cobertura, sobrepasando por el doble en la cobertura lineal a su competidor más cercano. Esta gran diferencia podría deberse al modelo de propagación utilizado, [19], que no fue el mismo con el cual se obtuvieron las coberturas en GSM-EDGE y WCDMA,[47], a pesar de que finalmente fue la capacidad la que limitó la cobertura en WCDMA y la necesidad de contar con cierto esquema de modulación en GSM-EDGE. Debido a los altos requerimientos de los servicios utilizados en la comparativa, la cobertura de las celdas en cada tecnología resultó ser menor al promedio comúnmente desplegado. Si bien la estrategia de utilizar celdas más pequeñas permite aumentar la capacidad por m2 también provocan deterioro de la señal, debido al reuso de las frecuencias y la interferencia entre éstas. Precisamente estos aspectos no fueron revisados en el análisis o, dicho de otra forma, no se reflejó este hecho en la capacidad, salvo en la tecnología WCDMA, en la cual el parámetro “factor de carga” tiene en forma explícita esta situación. Probablemente sea ésta una de las causas por las cuales WCDMA obtuviera menor eficiencia espectral que GSM-EDGE.

5.3.3. Frecuencia Aparentemente los resultados obtenidos en la planificación de frecuencia en cada una de las tecnologías no parecen demasiados, sin embargo su importancia radica en su influencia sobre la 132

capacidad y el presupuesto de la implementación, ya que los costos de las licencias de bandas de frecuencia son un ítem importante dentro de éste al momento de desplegar una red inalámbrica. Un factor discriminante en el despliegue de redes inalámbricas es la posibilidad de utilizar bandas de frecuencia libres, en particular todas las tecnologías abordadas, excepto WiFi (802.11g), necesitan bandas de frecuencia licenciadas y que han sido especificadas por la UIT. En el caso de la comparativa, WiFi se desplegó utilizando un backhaul basado en WiMAX Fijo, por lo cual, finalmente, también debió utilizar bandas licenciadas, haciendo, de paso, menos eficiente el despliegue de una red con las características utilizadas en la comparación. Cabe mencionar que la eficiencia espectral obtenida por WiFi resultó ser la peor en todos los casos a pesar de que se consideró el uso sólo de los 66 [MHz] de la banda de 2.4 GHz. Dentro del despliegue de una red inalámbrica, el uso de ciertas bandas dependerá, entre otros factores, de los servicios que se quieran ofrecer y la naturaleza del enlace (PP o PMP). Esto se debe a que bandas de mayores frecuencias son menos resistentes ante fenómenos como la reflexión, difracción y desvanecimientos por obstáculos, ya que son señales con una mayor directividad que las de menos frecuencia. En particular, en la comparación realizada para las tecnologías celulares se utilizó la banda de 1.9 [GHz], para WiMAX Fijo la de 3.5 [GHz] y la banda de 2.5 [GHz] para WiMAX móvil. El uso de estas bandas siempre está sujeto a las normativas del ente correspondiente de cada país. En la comparativa se supuso que en cada caso se utilizaría una banda de 60 [MHz], lo cual tal vez no hubiera sido necesaria en la tecnología WCDMA haciendo de alguna forma menos eficiente su uso. En casos como éstos resulta útil contar con herramientas de simulación que permitan cuantificar la diferencia en la interferencia producida en una red WCDMA, al utilizar uno o seis pares de frecuencias.

133

Capítulo 6 Conclusiones El proceso de planificación de una red inalámbrica no es secuencial y los tipos de planificación revisados en este documento no son la excepción. En particular, la planificación de cobertura, capacidad y frecuencia tienen en algunos casos, dependiendo de la tecnología, una relación causa efecto, la cual varía de acuerdo a la estrategia de cada operador y de sus objetivos. Así, si se desea ofrecer ciertos servicios con un determinado QoS, se deben planificar las capacidades correspondientes, las cuales entregarán las especificaciones para los procesos de planificación, de cobertura y de frecuencia. Al final de esta etapa se repite el proceso, donde se relajan ciertas restricciones o se restringen otras. El proceso se repite hasta llegar a un punto en donde las diversas entidades de la empresa (gerencia general, de ingeniería y de desarrollo) llegan a un acuerdo. De los objetivos planteados se logró cumplir con la mayoría de ellos y sólo el que tiene relación con el uso de programas para la planificación de redes no fue alcanzado de la forma en que se pretendía. El motivo no fue la falta de tiempo sino las restricciones que presentan las copias de evaluación y la inexistencia de programas de libre acceso con las funcionalidades de éstos. Si bien se utilizaron algunos programas, no fue posible aplicarlos directamente a casos particulares, que era la intención original, como el de la comparativa. A partir de la necesidad de contar con una herramienta de planificación de código abierto nace una línea de continuación del presente trabajo, donde se desarrolle una herramienta que incorpore los criterios y metodologías presentados en este documento. Probablemente el candidato ideal sería un estudiante del departamento de computación, pero esto no excluye a estudiantes del departamento de ingeniería eléctrica que cada año acuden en mayor cantidad a cátedras del departamento de ingeniería en computación. En la planificación de capacidad fue donde más diferencias se encontraron entre tecnologías debido a las distintas técnicas de acceso. El proceso de planificación de capacidad se puede realizar a la luz de distintos criterios, por ejemplo, la calidad de servicio, los tipos de servicios o como consecuencia de la planificación de frecuencia o de cobertura. Esto porque se puede planificar una red de modo de utilizar la menor cantidad de BSs, lo cual limitará la capacidad de la red. Por otro lado, si se tiene recursos limitados de espectro radioeléctrico se deberá transar entre capacidad y costos, ya que si se utiliza una gran cantidad de BSs se podrá ofrecer una mayor capacidad para los servicios, pero el uso de más BSs puede provocar que no se trabaje dentro de los presupuestos establecidos. Dentro de la planificación de capacidad se estima cuánto tiempo podrá funcionar la red sin mayores cambios, denominados días inventario, los cuales deben ser los suficientes de modo que permita al operador realizar los pedidos de equipos y trámites correspondientes para la expansión de la red. 134

El criterio utilizado en la planificación de cobertura fue el del cálculo de los radioenlaces, a partir del cual es posible estimar la cobertura máxima que tendría cada tecnología, bajo ciertas condiciones. La metodología utilizada resulta ser un trabajo de primer orden, debido a las herramientas computacionales que pueden utilizar hoy en día los operadores, a las que se les puede incorporar información tridimensional del área en estudio, permitiendo realizar estimaciones mucho más precisas sobre las áreas de cobertura y los servicios que se podrían ofrecer de acuerdo a la calidad de la señal. A pesar de esto, la ventaja de estas herramientas sobre la metodología utilizada se ve opacada debido al mayor tiempo de procesamiento que requieren, más aún cuando el detalle de los mapas tridimensionales es mayor. La metodología utilizada entrega una muy buena primera aproximación, pero se debe tener la cautela de no situarse en casos extremos ya que se caerá en una sobre o subestimación de los recursos necesarios. Al igual que los tipos de planificación anteriores, la planificación de frecuencia puede realizarse utilizando distintos criterios y metodologías. El más utilizado responde a las especificaciones que se desprenden tanto de la planificación de capacidad como de cobertura, pero a su vez es común encontrar las limitaciones del recurso radioeléctrico como parte de las entradas de la planificación de éstas. La planificación de frecuencia en las redes celulares 2G resulta ser primordial debido a su técnica de acceso, no así en 3G donde es posible utilizar la misma banda en cada una de las celdas de la red. En el caso de WiFi es parecido al de GSM pero con mayores restricciones, debido a que se cuentan con menos canales, en la versión 802.11g y 802.11b, pero la disposición de cada canal sigue el mismo principio que en las redes 2G: disminuir al máximo posible la interferencia entre celdas que utilizan los mismos canales. Las redes 2G actualmente en uso seguirán siendo utilizadas por muchos años, a pesar del ingreso de nuevas tecnologías como WiMAX o la evolución de las mismas. Esto se debe a la gran inversión realizada por los operadores en su red que abarca gran parte del país, y por la gran penetración que presenta este mercado en Chile, considerado ya un mercado maduro en donde el éxito de nuevos operadores debería basarse sólo en el uso de una nueva tecnología con las mismas o mejores características y prestaciones a un menor costo de operación, que permita a los nuevos operadores diferenciarse en precio de sus competidores. La necesidad de poder conectarse de forma inalámbrica pero pudiendo acceder a mayores tasas de velocidad, son probablemente unas de las razones de la creación de WiMAX, además de representar una evolución sobre WiFi, de la cual no sólo se aprendió sobre la tecnología, sino que también de la importancia de contar con una entidad que realice la certificación de sus productos y así asegurar el interfuncionamiento entre fabricantes. Esto, en conjunto con las características de WiMAX, ha provocado que ésta sea una tecnología en la cual han confiado un gran número de operadores alrededor del mundo, donde Chile no es la excepción ya que al menos 2 de sus operadores de telecomunicaciones ya han comenzado el despliegue de una red WiMAX en su versión fija. Con respecto a los resultados obtenidos en la comparativa, sin duda la tecnología que se perfila como la responsable de hacer posible la convergencia de servicios, es WiMAX, no sólo por sus capacidades sino que también por su versatilidad y el amplio rango de acción que posee. Otro punto importante que juega a favor en el éxito de WiMAX, es que fue desarrollado tomando en cuenta los errores cometidos en WiFi. La coexistencia de WiMAX con redes como WCDMA parece necesaria, hasta al momento, debido a que, en su versión móvil, WiMAX todavía sufre deficiencias en cuanto al proceso de handover, lo cual se hace crítico en servicios de voz y de tiempo real. 135

Dentro de los resultados presentados, la co-planificación WCDMA-GSM será un tema recurrente durante el 2007 en Chile, debido al despliegue de la red 3.5G por parte de Entel. El gran punto de discusión dentro de la co-planificación será la reutilización de los sitios GSM, lo cual finalmente se evitará dado el crecimiento que debería presentar el tráfico de servicios de datos a través de las redes celulares. Esto incitará a los operadores a contar con la infraestructura correspondiente que esté a la altura de estos requerimientos, con el fin de no repetir lo sucedido con el servicio de voz, donde la Subtel decidió intervenir entregando indicadores de calidad de cada operador al público, en respuesta al mal servicio que están entregando. Los resultados obtenidos del despliegue de una red WiFi de alta densidad con el apoyo de WiMAX reflejó una gran ineficiencia, y considerando que en un futuro cercano se desplegarán redes de WiMAX Móvil, es poco probable una masificación de la interacción propuesta en la comparativa.

TRABAJO FUTURO Dentro de las tareas que faltó realizar se encuentra el utilizar un programa que permitiera visualizar las predicciones de cobertura dentro del escenario de la comparativa. Esto se vio entorpecido debido a que no se encontró un programa gratuito que lo permitiera. Por otro lado, en los programas de prueba que se logró utilizar se podían realizar algunas pruebas, pero no cambiar parámetros que permitieran realizar un mejor estudio sobre los diferentes modelos de propagación. Dentro del trabajo no se alcanzó a abordar, con mayor detalle, la planificación de expansión, tanto en cobertura como en capacidad, lo cual puede ser tomado como un nuevo tema de memoria debido a los aspectos de predicción y de teoría de probabilidades, pudiendo ahondar en sus diferentes tipos. Una arista que está tomando relevancia en la planificación de capacidad y cobertura, y que no fue revisada en el presente documento, es el uso de sistemas MIMO y de antenas adaptivas, que permiten mejorar la señal y la comunicación entre el dispositivo del usuario y la estación base. El uso de estas tecnologías se ven reflejados en ganancias en el cálculo del enlace y en un aumento en las capacidades del sistema. En este trabajo no se aborda ninguno de estos tópicos, a pesar de que tanto WiMAX como 3G promueven su uso, debido a que se priorizó revisar contenidos más tradicionales sobre la planificación. Sin duda sería interesante poder revisar con más detalles estas características y su real influencia en la planificación de una red inalámbrica.

136

Acrónimos 2G 3G 3GPP

Redes de segunda generación Redes de tercera generación Third Generation (3G) Partnership Project

A AAA AAS ACK AGCH AMPS AMR AN AP ASN ASP ATM AuC

Authorization Authentication Accounting Adaptive Antenna System Acknowledgment Access Grant Channel Advanced Mobile Phone System Adaptive Multi Rate Access Network Access Point Access Service Network Application Service Provider Asynchronous Transfer Mode Authentication Centre

B BE BLER BPSK BS BSC BSS BTS BW BWA

Best Effort Block Error Rate Binary Phase Shift Keying Base Station Base Station Controller Base Station System Base Transceiver Station Bandwidth Bandwidth Wireless Access

C C/I CCCH CCITT CBR CDMA CIF CN COST CP CPE CRC

Carrier to Interference Ratio Common Control Channel Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique Constant Bit Rate Code Division Multiple Access Common Intermediate Format Core Network European Co-operation in the Field of Scientific and Technical Research Cyclic Prefix Customer Premise Equipment Cyclic Redundancy Check 137

CS CSMA-CA CSN

Circuit Switched Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance Connectivity Service Network

D DAMA D-AMPS dB DCD DCF DIFS DL DSL DSSS

Demand Assigned Multiple Access Digital - Advanced Mobile Phone System Decibeles Downlink Channel Descriptor Distributed Coordination Function Distributed Interframe Spacing Down Link Digital Subscriber Line Direct Sequence Spread Spectrum

E EDGE EIR EIRP ErtPS ETSI

Enhanced Data Rates for Global Evolution Equipment Identity Register Equivalent Isotropically Radiated Power Extended Real-Time Polling Services European Telecommunications Standards Institute

F FBWA FCC FCH FDD FDM FDMA FEC FFT FHSS FTP FUSC

Fixed Broadband Wireless Access Federal Communications Commission Frame Control Header Frequency Division Duplex Frequency Division Multiplexing Frequency Division Multiple Access Forward Error Correction Fast Fourier Transform Frequency Hopping Spread Spectrum File Transfer Protocol Fully Used Sub-Channel

G GGSN GMSC GoS GPRS GSM GTP

Gateway GPRS Support Node Gateway MSC Grade of Service General Packet Radio Service Global System for Mobile communications GPRS Tunneling Protocol

H HLR HTTP HSDPA HSS HSUPA Hz

Home Location Register HyperText Transfer Protocol High Speed Downlink Packet Access Home Subscriber Server High Speed Uplink Packet Access Hertz 138

I IE IEEE IFFT IMS IMSI IMT-2000 IP IR ISDN ISI ISM IWF

Information Element Institute of Electrical and Electronics Engineers Inverse Fast Fourier Transform IP Multimedia Subsystem International Mobile Subscriber Identity International Mobile Telecommunications, iniciativa de la UIT Internet Protocol Infrarrojo Integrated Services Digital Network Inter-Symbol Interference Industrial, Scientific and Medical Interworking Function

L LA LAN LMSI LOS

Location Area Local Area Network Local Mobile Station Identity Line Of Sight

M MAC MAN MAU MCS ME MIMO MMS MP MPMP MS MSC MSISDN MSRN

Medium Access Control Metropolitan Access Network Minimum Allocation Unit Modulation and Coding Scheme Mobile Equipment Multiple Input Multiple Output Multimedia Messaging System MultiPunto MultiPunto a MultiPunto Mobile Station Mobile-services Switching Centre Mobile Station International ISDN number Mobile Station Roaming Number

N NAP NMT NRM nrtPS NSP

Network Access Provider Nordic Mobile Telephony Network Reference Model Non-Real-Time Polling Services Network Service Provider

O OCR OFDM OFDMA

Overall Coding Rate Orthogonal Frequency Division Multiplex Orthogonal Frequency Division Multiple Access

P PCCCH PCF

Packet Common Control Channel Point Coordination Function 139

PCH PCMCIA PDN PDTCH PDU PIRE PLCP PLMN PMP PP PS PSTN PUSC

Paging Channel Personal Computer Memory Card International Association Public Data Network Packet Data Traffic Channel Protocol Data Unit Potencia Isotrópica Radiada Equivalente Physical Layer Convergence Procedure Public Land Mobile Network Punto a MultiPunto Punto a Punto Packet Switched Public Switched Telephone Network Partially Used Sub-Channel

Q QAM QCIF QoS QPSK

Quadrature Amplitude Modulation Quarter Common Intermediate Format Quality of Service Quadrature Phase Shift Keying

R RACH RAE RF RNC RNS RS rtPS Rx

Random Access Channel Real Academia de la lengua Española Radio Frecuencia Radio Network Controller Radio Network System Repeater Station Real-Time Polling Services Recepción/Receptor

S SC SDCCH SDMA SDU SIFS SIM SGSN SMS SN SNR SOFDMA SS STC Subtel

Single Carrier Stand-alone Dedicated Control Channel Spatial Division Multiple Access Service Data Unit Short Interframe Spacing Subscriber Identity Module Serving GPRS Support Node Short Message Service Sequence Number Signal to Noise Ratio Scalable OFDMA Subscriber Station Space Time Coding Subsecretaría de Telecomunicaciones

T TBF TCH TCP

Temporary Block Flow Traffic Channel Transmission Control Protocol 140

TDD TDMA TE TMSI TS Tx

Time Division Duplex Time Division Multiple Access Terminal Equipment Temporary Mobile Station Identity Time slot Transmisión/Transmisor

U UCD UGS UIT UL UMTS USIM UTRAN

Uplink Channel Descriptor Unsolicited Grant Services Unión Internacional de Telecomunicaciones Up Link Universal Mobile Telecommunications System Universal Subscriber Identity Module (SIM 3G) UMTS Terrestrial Radio Access Network

V VLR VoIP

Visitor Location Register Voice over IP

W WCDMA WiFi WiMAX WLAN

Wideband CDMA Wireless Fidelity Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless LAN

141

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Anexos A. Evolución de las Tecnologías de Telefonía Móvil En esta sección se hace una breve revisión de la evolución de la telefonía móvil desde sus principios, donde se utilizaba tecnología análoga, Advanced Mobile Phone System (AMPS), hasta lo que se está desplegando hoy con Universal Mobile Telecommunications System – Wideband Code Division Multiple Access (UMTS-WCDMA) en el marco del International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000).

A.1 Primera Generación (1G) La primera generación de las redes celulares se caracterizó por ser tecnologías análogas. Aparecieron a fines de la década de los setenta y a principios de los ochenta, representando un gran avance de la telefonía tanto en capacidad como en movilidad. Una de las tecnologías más representativas de esta generación fue el sistema AMPS, a pesar de que también hubo otros sistemas como Nordic Mobile Telephony (NMT) y Total Access Communication System (TACS). Con la aparición de la primera generación de telefonía móvil su mercado experimento un gran crecimiento llegando a tasas de un 30 hasta un 50% anual, alcanzando a principio de la década de los 90 cerca de 20 millones de suscriptores.

A.2 Segunda Generación (2G) El gran crecimiento del mercado de la telefonía celular provoco que se desarrollaran múltiples sistemas que pretendían ser los sucesores de la primera generación. El nacimiento de esta generación se debió a la necesidad de mejorar la calidad de la transmisión, la capacidad y cobertura de los sistemas vigentes. Los avances en materiales semiconductores y dispositivos microondas permitieron que los sistemas 2G utilicen transmisiones digitales. El tráfico de voz prevalece en estas redes, aunque la demanda por SMS y transmisión de datos va aumentando cada año. Los sistemas celulares 2G son Global System for Mobile Communications (GSM), Digital- AMPS (DAMPS), Code Division Multiple Access (CDMA) y Personal Digital Communication (PDC), pero sin duda el estándar GSM introducido por la ETSI es el sistema más difundido en todo el planeta. Su éxito se debió a que cada entidad de su arquitectura está estandarizada, logrando que los operadores pudieran abastecerse de más de un fabricante. Luego aparecieron mejoras al sistema GSM, como lo son General Packet Radio Service (GPRS) (2.5G) y Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE) (2.75G), las cuales son etapas transitorias entre 2G y 3G.

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A.3 Tercera Generación (3G) e IMT-2000 La principal características de los sistemas 3G, conocidos como IMT-2000, son una misma familia de estándares compatibles que tienen las siguientes características.

• • • • •

Uso universal. Usados por todas las aplicaciones móviles. Soportan ambos tipos de transmisión, packet switched (PS) y circuit switched (CS). Ofrecen altas tasa de transmisión. Ofrecen alta eficiencia espectral.

IMT-2000 es un conjunto de requerimientos definidos por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). Todos los estándares 3G fueron desarrollados por organizaciones regionales de estandarización, ya que fue la UIT quién realizó el llamado al desarrollo de estándares que cumplieran con los requerimientos de IMT-2000. Así a la UIT se propusieron 17 estándares, 11 para uso terrestre y 6 para sistemas satelitales. A fines de 1998 se término la evaluación de las propuestas, donde todas fueron aceptadas como estándares del IMT-2000. Las más importantes propuestas del IMT-2000 son el UMTS-WCDMA como el sucesor de GSM, CDMA2000 como el sucesor de IS-95 (CDMA) y Time Division – Synchronous CDMA (TDSCDMA). UMTS permite introducir muchas más aplicaciones a la base mundial de usuarios ofreciendo un enlace vital entre los múltiples sistemas GSM actuales e IMT-2000. UMTS está siendo desarrollada por la organización 3GPP, en un esfuerzo conjunto con otras organizaciones de estandarización como ETSI (Europa), ARIB/TTC (Japón), ANSI (EE.UU.), TTA (Sur Corea) y CWTS (China). Para lograr una mayor aceptación la 3GPP está introduciendo UMTS en fases anuales y la primera fue dada a conocer en diciembre de 1999 (UMTS Rel. ’99). Dentro de la generación 3G, al igual que en la 2G, existen ciertas actualizaciones y adaptaciones de nuevas métodos que permiten aumentar la velocidad de transferencia. En WCDMA el uso de High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) es sinónimo de 3.5G debido a que mejora en forma sustancial la velocidad de transferencia en el enlace DL. Finalmente cuando además se tiene implementado High Speed Uplink Packet Access (HSUPA), que es similar a HSDPA pero en el enlace UL, se dice que será una red 4G.

146

B. Arquitecturas de Tecnologías de Telefonía Móvil [9] Tanto para GSM como para UMTS-WCDMA se define la red móvil como PLMN que es el acrónimo de Public Land Mobile Network. PLMN corresponde a la red completa de un operador en donde conviven servicios en base a la conmutación de paquetes y circuitos. Antes de comenzar con la revisión de las principales entidades se da a conocer una serie de conceptos útiles para entender la arquitectura de las redes celulares.

B.1 Definiciones B.1.1 Core Network (CN) y Access Network (AN) Una PLMN se divide lógicamente en las infraestructuras Core Network (CN) y Access Network (AN). La infraestructura CN está lógicamente dividida en un dominio de conmutación de circuitos (CS), uno de conmutación de paquetes (PS) y un subsistema multimedia IP (IMS). Por otro lado la infraestructura de la AN es llamada Base Station System (BSS) en la tecnología GSM y Radio Network System (RNS) en la tecnología UMTS.

B.1.2 Dominios Circuit Switched (CS) y Packet Switched (PS) El CN está constituido por los dominios CS y PS, los cuales se diferencian por la forma en la cual soportan el tráfico de los usuarios. Estos dominios tienen un cierto grado de traslape que se ve reflejado en entidades que tienen en común.

B.1.2.1 Dominio CS El dominio CS hace referencia al conjunto de todas las entidades del CN que ofrecen “conexiones del tipo CS” para el tráfico generado por los usuarios y aquellas entidades que permiten realizar la señalización relacionada. Una “conexión del tipo CS” es una conexión en la cual se le asignan recursos de la red en forma dedicada al usuario, los cuales son liberados sólo cuando la conexión ha finalizado. Las entidades que son exclusivas de este dominio son: Mobile-services Switching Centre (MSC), Gateway MSC (GMSC) y Visitor Location Register (VLR). Existen otras que son mencionadas en la sección B.2.1 debido a que son comunes con las entidades del dominio PS.

B.1.2.2 Dominio PS El dominio PS hace referencia al conjunto de entidades del CN que ofrecen “conexiones del tipo PS” para el tráfico generado por los usuarios y aquellas entidades que permiten realizar la señalización relacionada. Una “conexión del tipo PS” transporta la información del usuario a través de paquetes, donde cada paquete puede ser ruteado independientemente. Las entidades específicas del dominio PS son las entidades GPRS, es decir, el Serving GPRS Support Node (SGSN) y Gateway GPRS Support Node (GGSN). 147

B.1.3 IP Multimedia Subsystem (IMS) IMS comprende todos los elementos del CN que permiten el provisionamiento de servicios multimedia IP a través del dominio PS que conlleven el uso por separado o de la combinación de audio, video, texto, etc.

B.1.4 Location Register Para que un terminal móvil pueda comunicarse con la red ésta debe saber su ubicación. Esta información es almacenada en una función la cual es llamada location register. El location register es manejado por cuatro entidades.

• • • •

El Home Location Register (HLR). El Visitor Location Register (VLR). El Serving GPRS Support Node (SGSN). El Gateway GPRS Support Node (GGSN).

B.1.5 Celda La celda es el área de cobertura identificada por una BTS o un Nodo B.

B.1.6 Área Base Station Controller (BSC) El área BSC es un área de cobertura compuesta por una o más celdas controladas por un BSC. Los límites del área BSC y el área de localización (LA) son independientes. El área de localización puede abarcar el área BSC y viceversa.

B.1.7 Área Radio Network Controller (RNC) El área RNC es el área de cobertura que está compuesta por una o más celdas controladas por un RNC. Los límites del área RNC y el área de localización (LA) son independientes. El área de localización puede abarcar el área RNC y viceversa.

B.1.8 Location Area (LA) El área de localización (LA) está definida como el área en la cual el Mobile Station (MS) puede moverse libremente sin que se produzca la actualización del VLR. Un área de localización puede abarcar una o más celdas.

B.1.9 Área MSC El área MSC es la parte de la red que está cubierta por un MSC. El área MSC puede estar constituida por una o varias áreas de localización, como por una o varias áreas BSC.

148

B.1.10 Área VLR El área VLR es la parte de la red controlada por un VLR. El área VLR puede estar constituida por una o varias áreas MSC.

B.1.11 Área SGSN El área SGSN es la parte de la red que es servida por un SGSN. Un área BSC puede consistir de una o varias áreas BSC. Y no es necesario que exista una relación uno-a-uno entre las áreas SGSN y MSC/VLR.

B.1.12 Área de Servicio El área de servicio está definida como el área en la cual un suscriptor móvil puede ser contactado por otro suscriptor (móvil o fijo), sin que éste sepa cual es la ubicación actual del MS dentro del área. Un área de servicio puede consistir de varias PLMNs. Un área de servicio puede abarcar un país, una parte de éste o incluso abarcar varios.

B.2 Entidades del Core Network (CN) B.2.1 Entidades Comunes a los Dominios PS Y CS B.2.1.1 Home Subscriber Server (HSS) El HSS es la base de datos maestra para un conjunto dado de usuarios. Es la entidad que contiene información relacionada con la suscripción, servicios que tiene habilitado o que puede utilizar el usuario, por lo tanto da este soporte a las entidades que manejan las llamadas/sesiones. El número de HSS que se utilicen en una red dependerá de la capacidad de los equipos, el número de usuarios y de la organización de la red. El HSS es la entidad responsable de mantener la siguiente información del usuario:

• • • •

Identificación del usuario, información de direccionamiento y numeración. Información del usuario que permita el control del acceso, autentificación y autorización. Información de la localización del usuario a un nivel de inter-sistemas. Información sobre el perfil del usuario (datos personales).

B.2.1.2 Home Location Register (HLR) Es la entidad en la cual se almacenan información de los usuarios asociados con un determinado operador. Generalmente habrá un HLR por PLMN, el cual podrá estar distribuido en más de una base de datos por efectos de limitaciones de capacidad. Puede ser considerado como una parte del HSS y debe tener las siguientes funcionalidades: 149

• Debe ser capaz de dar el soporte necesario a las entidades correspondientes, en el dominio PS, de modo que permita a los suscriptores el acceso a los servicios que se encuentren en este dominio. Es decir debe brindar soporte a entidades tales como la SGSN y la GGSN. • Debe ser capaz de dar el soporte necesario a las entidades correspondientes, en el dominio CS, de modo que permita a los suscriptores el acceso a los servicios que se encuentren en éste dominio y dar el soporte para el roaming al domino CS de las redes legacy GSM/UMTS.

B.2.1.3 Authentication Centre (AuC) El AuC puede ser considerado como una parte de la HSS. Es la entidad que realiza la autentificación del MS (tarjeta SIM o USIM), generalmente al momento en que el MS es encendido, además de ser la encargada de generar claves para encriptar la comunicación entre el MS y la red El AuC puede ser considerado como una parte de la HSS y que debe tener las siguientes funcionalidades para los dominios PS y CS:

• El AuC está asociado con un HLR y almacena una clave de identificación para cada suscriptor registrado con el HLR asociado. • El AuC se comunica sólo con su HLR asociado a través de una interfaz no estandarizada denominada interfaz-H. El HLR pide los datos necesarios para la autentificación y el cifrado desde el AuC a través de la interfaz-H, los almacena y luego se los entrega al VLR y al SGSN, el cual los necesita para realizar las funciones relacionadas con la seguridad para la estación móvil.

Figura B-1: Diagrama de la arquitectura GSM.

150

B.2.1.4 Visitor Location Register (VLR) Una estación móvil (MS) en roaming en un área MSC es controlado por el VLR. Cuando un MS entra a una nueva área de localización comienza el procedimiento de registro. Este procedimiento es llevado a cabo por el MSC que está a cargo en esa área y transfiere la identidad del área de localización, donde esta situado el MS al VLR. Un VLR puede estar a cargo de una o varias áreas MSC. Los elementos que contiene el VLR se listan a continuación.

• El International Mobile Subscriber Identity (IMSI). • El Mobile Station International ISDN number (MSISDN). • El Mobile Station Roaming Number (MSRN). • El Temporary Mobile Station Identity (TMSI), si es aplicable. • El Local Mobile Station Identity (LMSI), si es usado. • El área de localización en donde el MS ha sido registrado. • La identidad del SGSN donde el MS ha sido registrado. Aplicable cuando está habilitado el servicio GPRS. • La última ubicación conocida y la primera del MS.

B.2.1.5 Equipment Identity Register (EIR) El Equipment Identity Register (EIR) en el sistema GSM es una entidad lógica, la cual es responsable de almacenar en la red el International Mobile Equipment Identities (IMEIs), usado en el sistema GSM, el cual permite identificar de manera única cada ME.

B.2.1.6 SMS Gateway MSC (SMS-GMSC) El SMS Gateway MSC (SMS-GMSC) trabaja como una interfaz entre el Short Message Service Centre (SMSC) y el PLMN, permitiendo que los mensajes cortos sean entregados a los MS desde los SMSC.

B.2.1.7 SMS Interworking MSC (SMS-IWMSC) El SMS Interworking MSC trabaja como una interfaz entre el PLMN y un Short Message Service Centre (SMSC), permitiendo que los mensajes cortos sean enviados desde el MS al SMSC.

B.2.2 Entidades en el Dominio CS B.2.2.1 Mobile-services Switching Centre (MSC) El Mobile-services Switching Centre (MSC) constituye la interfaz entre el sistema de radio y la red fija. El MSC realiza todas las funciones necesarias para manejar los servicios de conmutación de circuitos desde y hacia los MSs. El MSC es una especie de central telefónica, la cual realiza todas las funciones de señalización y conmutación para los MS ubicados en un área geográfica determinada, designada como área MSC. La principal diferencia entre una central telefónica de red fija y el MSC, es que el MSC tiene que tomar 151

en cuenta el impacto de la disposición de los recursos de radio y la naturaleza móvil de los suscriptores, además de realizar procedimientos específicos como el handover. Cuando es necesario el MSC puede ser implementado en dos entidades diferentes: El servidor MSC, manejando sólo la señalización, y el CS-MGW, manejando los datos del usuario.

B.2.2.2 Gateway MSC (GMSC) Si una red que está enviando una llamada a la PLMN y no puede interrogar al HLR la llamada es ruteada al MSC. El MSC interroga al HLR apropiado, entonces la llamada es ruteada al MSC en donde se encuentra el MS. El MSC que realiza la función de ruteo a la ubicación actual del MS es llamado Gateway MSC (GMSC). La elección de cual será el MSC que actúe como GMSC es una decisión del operador, pudiendo ser todos o sólo uno.

B.2.2.3 Interworking Function (IWF) El Interworking Function (IWF) es una entidad funcional asociada con el MSC. El IWF provee de las funcionalidades necesarias para permitir el interfuncionamiento entre la PLMN y las redes fijas (ISDN, PSTN y PDNs). Las funciones del IWF dependen de los servicios y del tipo de red fija.

B.2.3 Entidades en el Domino PS B.2.3.1 Serving GPRS Support Node (SGSN) Esta entidad es la encargada de transformar la información, en formato “radio”, recibida desde los BSCs y encapsularla en el protocolo GTP (GPRS Tunneling Protocol), además de la información necesaria para realizar los cobros por los servicios. La función de registro de localización en el SGSN almacena dos tipos de datos del suscriptor, necesarios para manejar la inicialización y término de la transferencia de paquetes. Información del suscriptor. • El IMSI. • Una o más identidades temporales. • Cero o más direcciones PDP. Información de la ubicación. • El área en donde está registrado el MS. • El número VLR del VLR asociado (Si la interfaz Gs es implementada). • La dirección de cada GGSN para el cual existe un contexto PDP activo.

B.2.3.2 Gateway GPRS Support Node (GGSN) El GGSN es el responsable de tomar los paquetes GTP, enviados por el SGSN, desencapsularlos y enviarlos en paquetes IP hacia la red externa. 152

La función de registro de localización en el GGSN almacena los datos del suscriptor, recibidos desde el HLR y el SGSN. Hay dos tipos de datos de suscriptor necesarios para manejar la inicialización y término de la transferencia de paquetes. Información del suscriptor. • El IMSI. • Cero o más direcciones PDP. Información de la ubicación. • La dirección del SGSN donde el MS está registrado. En la Figura B-2 se muestra el diagrama de la arquitectura GSM con las entidades incorporadas en el upgrade GPRS (Las líneas punteadas hacen referencia a los nombres de las interfaces entre entidades).

Figura B-2: Diagrama de la arquitectura GSM-GPRS.

B.3 Entidades del Access Network (AN) Dos tipos diferentes de redes de acceso son usadas por el CN: El BSS y el RNS. El MSC (o el SGSN) pueden conectarse a una o ambas de estas redes de acceso.

B.3.1 Base Station System (BSS) El Base Station System (BSS) es el sistema de los equipos de la estación base (transceivers, controladores, etc.), el cual es visto por el MSC a través de una interfaz única, A y/o Iu-CS, como la entidad encargada de la comunicación con el MS en un área determinada. Similarmente, en una PLMN que soporta GPRS, el BSS es visto por el SGSN a través de una interfaz única Gb o Iu-PS. 153

Los equipos de radio del BSS soportan una o más celdas. Un BSS consiste de una o más estaciones base, donde la interfaz Abis es implementada. Las entidades que componen el BSS son un BSC y una o más BTS.

B.3.1.1 Base Station Controller (BSC) Un Base Station Controller (BSC) es un componente de la red dentro de la PLMN con las funciones necesarias para el control de una o más BTS.

B.3.1.2 Base Transceiver Station (BTS) Un Base Transceiver Station es un componente de la red que permite manejar el tráfico en una celda.

B.3.2 Radio Network System (RNS) EL Radio Network System (RNS) es el sistema de los equipos de la estación base (transceivers, controladores, etc.), el cual es visto por el MSC a través de una interfaz única, Iu, como la entidad encargada de la comunicación con el MS en un área determinada. Similarmente, en una PLMN que soporta GPRS, el RNS es visto por el SGSN a través de una interfaz única Iu-PS. En resumen corresponde a la evolución de un BSS, la cual puede trabajar en conjunto con éste. Los equipos de radio del RNS soportan una o más celdas, un RNS puede consistir de una o más estaciones base. El RNS consiste de un RNC y uno o más Nodos B.

Figura B-3: Diagrama del RNS de UMTS.

En la Figura B-3 se muestran las entidades que componen el RNS, y el nombre de las interfaces entre las distintas entidades.

154

B.3.2.1 Radio Network Controller (RNC) Un Radio Network Controller (RNC) es un componente de la red en la PLMN con las funciones que permiten controlar uno o más Nodos B. Es el equivalente, en una red 3G, a los BSC.

B.3.2.2 Nodo B Un Nodo B es un componente lógico de la red que permite manejar el tráfico en una celda. Es el equivalente, en la red 3G, de una BTS.

B.4 El Mobile Station (MS) El Mobile Station (MS) consiste en el equipo físico usado por un suscriptor de una PLMN, el cual incluye el Mobile Equipment (ME) y el Subscriber Identity Module (SIM), ver Figura B-4 (a), llamado en las especificaciones28 para la implementación de 3G como UMTS Subscriber Identity Module (USIM), ver Figura B-4 (b). El ME incluye el Mobile Termination (MT), el cual, dependiendo de la aplicación y el servicio, puede soportar varias combinaciones de Adaptadores de Terminal (TA) y grupos funcionales de Equipos Terminales (TE).

(a) (b) Figura B-4: Esquemas de los MS de GSM (a) y de UMTS (b).

Finalmente en la Figura B-5 se muestra a un diagrama de la arquitectura de una red celular que tiene implementado GSM y UMTS. Las líneas en negrita corresponden a interfaces que soportan el tráfico de los usuarios y las líneas punteadas corresponden a las interfaces que proveen la señalización.

28

A partir del Release 99 de la organización 3GPP. 155

Figura B-5: Diagrama de la arquitectura híbrida UMTS-GSM.[9]

156

C. Modelos de Propagación [47] En un principio cuando aparecieron las redes inalámbricas se utilizaban pocas antenas y ubicadas a una gran altura. Esta implementación era válida debido a que la demanda por el servicio era mínima. Con el aumento del número de usuarios fue necesario disponer de más antenas y canales, con lo cual fue necesario poder hacer reuso de las frecuencias, lo que permite volver a utilizar el mismo canal en otro lugar. Entonces para disminuir al máximo la interferencia en los límites de las celdas se debió obtener mejores predicciones de cobertura Actualmente en la literatura se pueden encontrar 4 tamaños de celdas: Macro Celda, Mini Celda, Micro Celda y Pico Celda. La definición del tamaño de cada una de estas varía en la misma, en los siguientes párrafos sólo se abordara las Macro y Micro celdas. En la Tabla C-1 se muestran algunas características de éstas. Tabla C-1: Tipos de celdas y sus características. Tipo de Celda

Radio de la Celda

Macro Celda

1 a 30 Km.

Micro Celda

0.5 a 5 Km.

Posición de la antena TX Outdoor, montada sobre el nivel de los techos, las alturas que la rodean son menores a ésta. Outdoor, montada a una altura menor que la mayoría de las edificaciones, y las que la rodean son más altas.

Los modelos que se presentan a continuación están clasificados en teóricos y empíricos, en los primeros se debe tener mayor información acerca de la ciudad en particular y la estructura de las edificaciones. Por otro lado los modelos empíricos fueron desarrollados utilizando una serie de mediciones, de las cuales se obtuvieron las formulas de propagación.

C.1 Modelos para Macro Celdas A continuación se listan algunos de los modelos empíricos, semi-empíricos y teóricos utilizados en la propagación de Macro Celdas. Se puede apreciar que existe una gran variedad de modelos y sólo se revisarán los más utilizados. Modelos Empíricos. • Rec 529 (Recomendación de la UIT). • Modelo Hata. • Hata Modificado. • Modelo COST 231 Hata. • El Modelo Ibrahim y Parsons – The London Model. • Predicciones de propagación de Young. • Modelo de Allsebrook. • Modelo McGeehan y Griffiths. • Modelo Atefi y Parsons. 157

• El Modelo Lee. Modelos Semi-Empíricos y Teóricos. • Modelo Flat Edge. • Modelo Walfisch-Bertoni. • COST 231 Walfisch-Ikegami. • Modelo Sakagami-Kubai. • Modelo para Macro Celdas MBX. • Modelo Ikegami. Mediciones de Okumura. Okumura obtuvo curvas experimentales a través de mediciones hechas en Tokio Japón. Las mediciones que realizó fueron bajo los siguientes parámetros.

• • • •

Frecuencias entre 450 y 900 MHz. La altura de la antena del terminal móvil era de 1.5 metros. Las alturas de las estaciones base estaban entre 30 y 1000 metros. Las curvas que genero relacionaban el campo eléctrico recibido en función de la distancia.

C.1.1 Modelos Empíricos C.1.1.1 Modelo Hata En este modelo se obtiene una formula empírica para las pérdidas por propagación a partir de las mediciones hechas por Okumura. El modelo trata de representar las mediciones hechas por Okumura a través de la forma A+B log10 R, donde A y B son funciones de la frecuencia y la altura de la antena, y R corresponde a la distancia entre la antena y el usuario. Las aproximaciones hechas por Hata involucran dividir las áreas de predicción categorizadas por el tipo de terreno, llamadas área abierta, urbana y suburbana. Área urbana: Corresponde a las grandes ciudades con altas edificaciones y casas con 2 o más pisos, o donde existen una gran concentración de casas. Área suburbana: Ciudades o carreteras en donde hay árboles y casas en forma dispersa, existen obstáculos cerca del usuario pero no provocan congestión. Área abierta: Son los espacios abiertos sin grandes árboles o edificaciones en el camino de la señal. La fórmula del modelo Hata corresponde a la Expresión C-1.

L pu {Area Urbana } = 69 .55 + 26 .16 log 10 f − 13 .82 log 10 hb − a ( hm ) + ( 44 .9 − 6.55 log 10 hb ) log 10 R Expresión C-1: Expresión del modelo Hata para las pérdidas en áreas urbanas.

Donde a(hm) corresponde al factor de corrección para la altura de la antena del equipo móvil del usuario. Para ciudades pequeñas y medianas se tiene laExpresión C-2.

158

a(hm ) = (1.1 log10 f − 0.7)hm − (1.56 log10 f − 0.8) Expresión C-2: Factor de corrección a(hm) para ciudades pequeñas y medianas.

Para ciudades grandes se tiene dos expresiones, ver Expresión C-3, que dependen del valor de la frecuencia. a (hm ) = 8.29(log10 1.54hm ) 2 − 1.1 = 3.2(log10 11.75hm ) 2 − 4.97

; f ≤ 200 MHz ; f ≥ 400 MHz

Expresión C-3: Factor de corrección a(hm) para ciudades grandes.

Como se aprecia en la Expresión C-3 a(hm) no está definida para frecuencias entre 200 [MHz] y 400 [MHz], por lo cual en esos casos se recomienda utilizar otro modelo. L ps {Area Suburbana} = L pu {Area Urbana} − 2{log 10 ( f / 28)} − 5.4 2

L pa {Area Abierta} = L pu {Area Urbana} − 4.78(log 10 f ) 2 − 18.33 log 10 f − 40.94 Expresión C-4: Pérdidas por propagación en áreas abiertas y suburbanas.

Las aproximaciones hechas por Hata son válidas dentro los límites de los parámetros de la Tabla C-2. Tabla C-2: Rangos de validez del modelo Hata. Parámetros Frecuencia (f) en [MHz] Altura efectiva de la estación base (hb) en [m] Altura de la antena del móvil (hm) [m] Distancia (R) en [Km]

Rango de Valides 100-1500 30-200 1-10 1-20

Como se menciono anteriormente este modelo está basado en una serie de mediciones hechas en Tokio, por lo cual el uso del mismo en otras ciudades puede no dar buenos resultados debido al cambio de escenario, así existen factores de corrección propuestos por otros autores que son revisados en [47].

C.1.1.2 Modelo COST 231 Hata Con la primera generación GSM, la cual operaba en la banda de los 900 [MHz], se podía utilizar el modelo Hata el cual es válido para frecuencias entre 100 y 1500 [MHz]. Con el incremento de usuarios y la evolución de los servicios ofrecidos se comenzaron a utilizar otras bandas como la de 1800 y 1900 [MHz]. Debido a lo anterior el grupo europeo COST 231 propuso un nuevo modelo que complementa el modelo Hata y que es valido para frecuencias entre 1500 y 2000 [MHz]. El modelo COST 231 Hata entrega la Expresión C-5 para las pérdidas por propagación.

159

L p = 46.3 + 33.9 log10 f − 13.82 log10 hb − a(hm ) + (44.9 − 6.55 log10 hb ) log10 R + C m Expresión C-5: Pérdidas por propagación dado por el modelo COST 231 Hata.

Donde hm es la altura de la antena del móvil y Cm es un factor de corrección para tomar en cuenta el ambiente de propagación. Tabla C-3: Valores para el factor de corrección Cm del modelo COST 231 Hata.[21] Entorno Para ciudades urbanas densas (edificios altos, de más de 7 pisos) Para ciudades urbanas medias (Edificios más pequeños con calles pequeñas y medianas) Para ciudades urbanas medias con calles anchas Para entornos suburbanos con pequeños edificios Para entornos mixtos, pueblo y rural Para entornos rurales con pocos árboles y casi sin colinas

Valor [dB] 3 0 -5 -12 -20 -26

En la Expresión C-6 se muestra el término a(hm), el cual da cuenta de las variaciones en las pérdidas por propagación cuando el móvil se mueve verticalmente.

a(hm ) = (1.1 ⋅ log10 ( f ) − 0.7) ⋅ hm − (1.56 ⋅ log10 ( f ) − 0.8) Expresión C-6: Factor que permite considerar la altura del terminal móvil en las pérdidas por propagación.

Las restricciones del modelo se muestran en la Tabla C-4. Tabla C-4: Rangos de validez del modelo COST 231 Hata. Parámetros Frecuencia (f) en [MHz] Altura efectiva de la estación base (hb) en [m] Altura de la antena del móvil (hm) [m] Distancia (R) en [Km]

Rango de Valides 1500-2000 30-200 1-10 1-20

C.1.2 Modelos Teóricos C.1.2.1 Modelo COST 231 Walfisch-Ikegami (C231 W-I) Este modelo es la combinación de los modelos Walfisch-Bertoni y el modelo Ikegami con unas correcciones empíricas de algunos parámetros. Este modelo está restringido a terrenos urbanos planos. A continuación se hacen explicitas algunas relaciones que se desprenden de la Figura C-1, y que son utilizadas en las distintas expresiones del modelo.

160

∆hm = htecho − hm ∆h Base = hbase − htecho Expresión C-7: Relaciones utilizadas en el modelo C231 W-I.

Figura C-1: Parámetros utilizados en el modelo C231 W-I.

En el modelo se definen distintas expresiones para las pérdidas por propagación, dependiendo de si existe o no línea de vista (LOS). Si existe LOS entonces las pérdidas por propagación está dada por la Expresión C-8.

Llos = 42.6 + 26 log10 R + 20 log10 f

; R ≥ 20 m

Expresión C-8: Pérdidas por propagación cuando existe LOS en el modelo C231 W-I.

Sino existe LOS la expresión es la siguiente. ⎧ LFS + Lrts + Lmsd Lb = ⎨ ⎩ LFS

si Lrts + Lmsd < 0

Expresión C-9: Pérdidas por propagación cuando no existe LOS en el modelo C231 W-I.

Donde LFS corresponde a las pérdidas en el espacio libre, Lrts a las pérdidas por difracción en los techos de las edificaciones y las pérdidas por dispersión, ver Expresión C-10.

Lrts = −16.9 − 10 log10 w + 10 log10 f + 20 log10 ∆hm + Lori Expresión C-10: Pérdidas por difracción en los techos y por dispersión en el modelo C231 W-I.

El termino Lori es definido en la Expresión C-11.

161

Lori

⎧ ϕ ⎪− 10 + 0.354 grados ⎪ ⎪⎪ ⎛ ϕ ⎞ = ⎨2.5 + 0.075⎜⎜ − 35 ⎟⎟ ⎝ grados ⎠ ⎪ ⎪ ⎛ ϕ ⎞ ⎪4 − 0.114⎜⎜ − 55 ⎟⎟ ⎪⎩ ⎝ grados ⎠

para 0 ≤ ϕ < 35 para 35 ≤ ϕ < 55 para 55 ≤ ϕ < 90

Expresión C-11: Variación de las pérdidas de acuerdo al ángulo de incidencia de la onda al móvil.

Donde ϕ es el ángulo, en grados, entre la onda incidente de la estación base y el camino, como se muestra en la Figura C-2.

Figura C-2: Ángulo ϕ de incidencia entre la onda, desde la estación base y el camino.

El término LMSD corresponde a las pérdidas por multiscreen diffraction, la expresión corresponde a una integral cuya solución fue encontrada en forma aproximada en el modelo Walfisch-Bertoni, para el caso en que la altura de la antena de la estación base es mayor que el promedio de las techumbres. Luego el grupo COST 231 extendió esta solución para el caso en que la altura de la antena de la estación base es menor que el promedio de las techumbres incluyendo funciones empíricas. La expresión para LMSD es la siguiente. R f b + k f log10 − 9 log10 LMSD = Lbsk + k a + k d log10 Km MHz m Expresión C-12: Pérdidas por multiscreen difraction, LMSD, en el modelo C231 W-I.

Donde b corresponde a la distancia promedio entre edificios, medido en metros. El detalle de los otros términos se muestra en las siguientes expresiones. ⎧− 18 log10 (1 + ∆hbase ) Lbsk = ⎨ 0 ⎩

para hbase > htecho para hbase ≤ htecho

Expresión C-13: Valores del término Lbsk, componente de LMSD.

⎧ ⎪54 ⎪ k a = ⎨54 − 0.8∆hbase ⎪ R ⎪54 − 0.8∆hbase 0.5 ⎩

; hbase > htecho ; R ≥ 0.5Km y hbase ≤ htecho ; R < 0.5 Km y hbase ≤ htecho

Expresión C-14: Valores del término ka, componente de LMSD. 162

El término ka denota el incremento de las pérdidas cuando las antenas de las estaciones base están por debajo de las techumbres de los edificios que se encuentran alrededor.

⎧18 ⎪ kd = ⎨ ∆hbase ⎪18 − 15 h techo ⎩

; hbase > htecho ; hbase ≤ htecho

Expresión C-15: Valores del término kd, componente de LMSD.

Los términos kd y kf controlan la dependencia del LMSD de la distancia y la frecuencia.

⎧ ⎛ f ⎞ ⎪0.7⎜ 925 − 1⎟ ⎪ ⎝ ⎠ kf = ⎨ ⎪1.5⎛⎜ f − 1⎞⎟ ⎪⎩ ⎝ 925 ⎠ Expresión C-16: Valores del término kf, componente de LMSD.

El primer valor de kf, en la Expresión C-16, se utiliza cuando el escenario son ciudades medianas o centros suburbanos con una densidad moderada de árboles, y el segundo cuando son ciudades más urbanizadas como lo es el centro de Santiago. Las restricciones del modelo son las que se muestran en la Tabla C-5. Tabla C-5: Rangos de validez del modelo COST 231 Walfisch-Ikegami. Parámetros Frecuencia (f) en [MHz] Altura efectiva de la estación base (hbase) en [m] Altura de la antena del móvil (hm) [m] Distancia (R) en [Km]

Rango de Valides 800-2000 4-50 1-3 0.02-5

C.2 Modelos para Micro Celdas Hoy en día este tipo de modelos a tomado gran importancia debido a la gran concentración de usuarios en los centros urbanos, haciendo importante el desarrollo de buenos modelos que permitan predecir en una mejor forma la cobertura de cada celda. Los modelos empíricos son más bien escasos y generalmente se realizan mediciones para contrastarlas con las predicciones del modelo. Los siguientes son algunos de los modelos desarrollados para Micro Celdas. • Modelo Haret. • Modelo MBX para Micro Celdas. • Modelo Lee. • Modelo Harley. • Modelo Uni-Lund. • Modelo COST 231 Walfisch-Ikegami. 163

En esta sección no se revisará ninguno de los modelos listados porque se considera que el modelo más representativo y utilizado es el COST 231 Walfisch-Ikegami el cual puede ser consultado en la sección anterior.

164

D. Fenómenos de Propagación y Pérdidas por Penetración D.1 Desvanecimiento Lento [14] El principal entorno de las redes celulares actuales corresponde a ciudades densas o medianamente densas, donde los MSs están rodeados por edificios o estructuras que imposibilitan que exista LOS entre la antena de la celda y el MS. Por lo tanto la propagación ocurre principalmente por medio de reflexiones y difracciones.

Figura D-1: Propagación por difracción y reflexión.

El desvanecimiento lento (Slow Fading), a menudo llamado apantallamiento (shadowing), es causado porque el MS se está desplazando a través de la ‘sombra’ de edificios, árboles o cualquier obstáculo que se interponga en la LOS entre la antena y el MS. El desvanecimiento lento también es llamado desvanecimiento log-normal, porque el promedio de las pérdidas sigue una distribución lognormal. El desvanecimiento lento describe la variación del promedio de la fuerza de la señal debido a obstáculos en su camino. Si el desvanecimiento lento es expresado en decibeles la distribución de la señal sigue una distribución normal. Por lo tanto puede ser representada por la Expresión D-1.

px =

1 2πσ 2

( x − µ )2

e

2σ 2

Expresión D-1: Ecuación que describe una distribución normal.

En la Expresión D-1 x representa la variable aleatoria, que en este caso corresponde a la señal con desvanecimiento lento, µ es el valor medio de x y σ es la desviación estándar. La desviación estándar depende del entorno cercano al receptor. Así el valor utilizado para desvanecimiento lognormal en áreas urbanas es cercano a 8 [dB].

165

D.2 Modelo del Grupo COST 231 para las Pérdidas por Penetración Existen varios modelos que permiten aproximar las pérdidas que se producen debido a la penetración en edificaciones, pero uno de los más prácticos y usados es el desarrollado por el grupo de la comunidad europea COST 231, el cual entrega las pérdidas en función del tipo de muros de los edificios, número de pisos y número de muros divisorios internos. El grupo COST 231 ha desarrollado 2 modelos, uno que considera línea de vista y otro que no. En la Figura D-2 se definen los parámetros que utiliza el modelo que considera LOS, la distancia d corresponde al camino a través de murallas internas y d’ es el camino a través de un corredor (sin murallas internas). En estos modelos se obtiene una ganancia por piso, es decir, a medida que se sube un piso se obtiene menos pérdidas. Este fenómeno se hace más claro cuando se está a alturas cercanas o por sobre las edificaciones que rodean al edificio. Para el caso en que existe LOS esta ganancia no es relevante y no se considera en el modelo correspondiente.

Figura D-2: Parámetros usados en el modelo COST 231 para pérdidas por penetración con LOS.

En la Expresión D-2 se muestra la pérdida total por propagación, en decibeles, entre la antena de la BTS y el MS. 2

D⎞ ⎛ L = 32 .4 + 20 ⋅ log 10 ( f ) + 20 ⋅ log 10 ( S + d ) + W e + WG e ⋅ ⎜ 1 − ⎟ + max( Γ1 , Γ2 ) S ⎠ ⎝ 2

D⎞ ⎛ Γ2 = α ⋅ ( d − 2 ) ⋅ ⎜ 1 − ⎟ Γ1 = W i ⋅ p S ⎠ ⎝ Expresión D-2: Pérdidas por propagación, considerando penetración indoor con LOS. ;

Las distancias D y d son perpendiculares a la muralla externa y S corresponde a la distancia física entre la antena de la BTS y la muralla externa en el piso correspondiente. Estas distancias están en metros y la frecuencia en GHz. El ángulo θ se determina a través de la expresión sen(θ)=D/S. El único caso en que θ es 90° es cuando la antena de la BTS está a la misma altura que el piso, y en una ubicación perpendicular a la muralla externa, en este caso se tiene D=S. De esta forma θ varía considerablemente ante pequeñas variaciones de D. 166

We corresponde a las pérdidas en dB por la muralla externa cuando θ es 90°. WGe es una pérdida adicional en la pared externa cuando θ es 0°. Wi corresponde a las pérdidas, también en dB, debido a los muros internos y p corresponde al número de muros penetrados. Este modelo está basado en una serie de mediciones hechas para frecuencias entre 900 y 1800 [MHz] y para distancias de hasta 500 metros. En la Tabla D-1 se muestran los valores recomendados para los parámetros del modelo de pérdidas por penetración en edificaciones con línea de vista. Tabla D-1: Valores recomendados para el modelo de penetración indoor con LOS. Parámetro We Wi WGe α

Valor 4-10 [dB], (Concreto con ventanas de tamaño normal 7 dB, madera 4 dB) 4-10 [dB], (Murallas de concreto 7 dB, maderas y plásticos 4 dB) 20 [dB] aprox. 0.6 [dB/m] aprox.

Cuando no se tiene línea de vista (NLOS) las pérdidas por penetración son relativas a las pérdidas que hay en los alrededores de la edificación, L1 y L2 en la Figura D-3.y en la Figura D-4 La y Lb. Para ambos casos estos puntos se encuentra a una altura promedio de 1.5 metros.

Figura D-3: Propagación de la señal con NLOS, y la BTS está por sobre la edificación.

En la Figura D-3 se muestra el caso cuando la antena de la BTS está por sobre la edificación, en este caso el ancho de la calle que está hacia la antena de la BTS, W1 en la figura, incide en la ganancia que se obtiene por la altura, ganancia por piso. Se cumple que a medida que W1 crece la ganancia por altura en los pisos disminuye.

Figura D-4: Propagación de la señal con NLOS, y la BTS está por debajo la edificación. 167

En la Expresión D-3 se muestra las pérdidas por propagación totales, donde el término Lexterior representa las pérdidas que se obtienen hasta un punto en el exterior de la edificación, L1 o L2 en la Figura D-3. L = L exterior + W e + W ge + max( Γ1 , Γ3 ) − G FH ⎧n ⋅ G n G FH = ⎨ ⎩h ⋅ G h Expresión D-3: Pérdidas por propagación considerando penetración indoor sin LOS. Γ3 = α ⋅ d

;

Los términos Γ1, We y d tienen el mismo significado que en el modelo utilizado para escenarios con LOS. El término GFH representa la ganancia que se tiene por piso, la cual puede ser expresada en función del número de pisos, n representa el número de pisos y Gn es la ganancia en dB/pisos, o en función de la altura, h es la altura en metros y por lo tanto Gh es la ganancia en dB/m. El termino Wge representa las pérdidas por penetración del muro externo. Este término pretende normalizar esta componente de las pérdidas ya que las variaciones de éstas son bastantes. Se recomienda utilizar 2-3 [dB] como valor para Wge en el caso de 900 [MHz], y para 1800 [MHz] considerar 2 [dB] más que los considerados para 900 [MHz]. Los valores para We y α son los mismos recomendados en la Tabla D-1. La diferencia que hay en las ganancias por piso Gn o por altura Gh a distinta frecuencia es mínima. Los valores varían entre 1.5-2 [dB/piso] y 1.1-1.6 [dB/m].

168

E. Modelo de Propagación para WiMAX A pesar del gran número de modelos que existe para caracterizar las pérdidas por propagación en comunicaciones inalámbricas, el grupo de la IEEE 802.16 desarrollo un modelo para las pérdidas por propagación. En [19] se presenta un modelo recomendado que utiliza como base los modelos Okumura-Hata COST 231 y COST 231 Walfisch-Ikegami, vistos en la sección C, agregando factores de corrección de modo de ampliar su rango de operación y mejorar los resultados obtenidos.

E.1 Pérdidas por Propagación en Medio Suburbano El modelo utilizado por el grupo IEEE 802.16 es el propuesto en [32], el cual depende del terreno en el cual se realice el enlace. En el modelo se definen 3 categorías, terreno tipo A donde el terreno presenta varias colinas y cerros además de una densidad mediana a alta de árboles, representando el terreno con mayores pérdidas por propagación. El terreno tipo C corresponde al escenario contrario con una geografía más bien plana y con pocos árboles dentro del área. El escenario intermedio corresponde al terreno categoría tipo B. PL = A + 10 ⋅ γ ⋅ log10 (d / d 0 ) + s ; d > d 0 A = 20 ⋅ log10 (

4 ⋅π ⋅ d0

λ

)

Expresión E-1: Promedio de las pérdidas por propagación según modelo propuesto en [32].

En la Expresión E-1 se muestra el promedio de las pérdidas por propagación propuesto en [32], donde el resultado se obtiene en decibeles. El parámetro λ corresponde a la longitud de onda de la señal en metros, γ es el exponente de las pérdidas por propagación, d es la distancia entre un punto determinado y la antena de la BS, d0 es una distancia constante igual a 100 metros y por último s corresponde al termino que representa los efectos de desvanecimiento por sombra o apantallamiento en dB. c γ = a − b ⋅ hb + hb Expresión E-2: Exponente de las pérdidas por propagación del modelo presentado en [32].

En la Expresión E-2 a, b y c corresponden a parámetros que dependen de la categoría del terreno, cuyos valores se muestran en la Tabla E-1, y hb es la altura de la BS que puede variar entre 10 y 80 metros. A este modelo el grupo 802.16 de la IEEE le agrego ciertas factores de corrección, uno de frecuencia ya que este modelo fue realizado para frecuencia cercanas a los 2 [GHz] y otro factor que permite considerar que la antena del receptor pueda estar entre 2 y 10 metros, originalmente el modelo fue realizado para antenas de altura cercanas a los 2 metros. 169

Tabla E-1: Parámetros a, b y c del modelo propuesto en [32] Parámetro Terreno tipo A Terreno tipo B Terreno tipo C a 4.6 4 3.6 b 0.0075 0.0065 0.005 c 12.6 17.1 20

Luego el modelo con los factores de corrección mencionados es:

PLcorregido = PL + ∆PL f + ∆PLh ∆PL f = 6 ⋅ log10 (

f ) 2000

Expresión E-3: Pérdidas por propagación con los factores de corrección.

En la expresión para el factor de corrección de la frecuencia, ∆PLf, f está en MHz. En la Expresión E-4 se muestra que el factor de corrección para la altura de la antena receptora depende de la categoría del terreno. Cabe mencionar que la altura h de la antena puede variar sólo entre 2 y 10 metros. h ∆PLh = −10.8 ⋅ log10 ( ) ; para categorías A y B 2 h ∆PLh = −20 ⋅ log10 ( ) ; para categoría C 2 Expresión E-4: Factor de corrección de la altura de la antena receptora.

E.2 Pérdidas por Propagación en Medio Urbano El amplio uso del modelo COST 231 Walfisch-Ikegami se debe a las buenas predicciones que tiene en entornos urbanos con edificios con una altura uniforme, y que también da buenos resultados con entornos suburbanos planos, terreno tipo C en el modelo visto en la sección anterior. En [32] se demuestra lo anterior a través de varios experimentos.

Figura E-1: Comparación de modelos de propagación para entorno suburbano (Dallas). [19] 170

Así como el modelo COST 231 Walfisch-Ikegami resulto ser bueno en terrenos suburbanos y urbanos, también lo es el modelo utilizado para el tipo de terreno C. En [19] se realizó una comparación de desempeño de varios modelos de propagación en un entorno suburbano, ver Figura E-1, entre ellos estaba el COST 231 Walfisch-Ikegami y el modelo presentado en la sección anterior, Modelo de Erceg. En la Figura E-1 se aprecia que estos dos modelos arrojan resultados muy similares y además corresponde a los que siguen de mejor forma los datos, reales, tomados en un drive-test de Dallas.

171

F. OFDM OFDM es el acrónimo de Orthogonal Frequency Division Multiplex, corresponde a uno de los por qué WiMAX puede ofrecer enlaces a altas velocidades y con algunas características extras, como lo son la resistencia a desvanecimientos por multitrayectorias e interferencias. OFDM no es una tecnología nueva, fue patentado en 1970 por los laboratorios Bell e incorporado a las tecnologías DSL (Digital Subscriber Line), así como al estándar 802.11a y 802.11g logrando aumentar la velocidad de transferencia máxima, 11 [Mbps] del 802.11b, a 54 [Mbps] teóricos. OFDM es una técnica de comunicación que divide un canal, de frecuencia, en un número determinado de bandas de frecuencias equiespaciadas, en cada banda se transmite un subportadora que transporta una porción de la información del usuario. Cada subportadora es ortogonal al resto, dándole el nombre a esta técnica de multiplexación por división de frecuencia. OFDM es una técnica basada en la multiplexación por división de frecuencia (FDM), pero el hecho de que cada subportadora sea ortogonal al resto permite que el espectro de cada una estén traslapadas, ver Figura F-1, y no exista interferencia, aumentando la eficiencia del uso del espectro debido a que no se utilizan bandas de separación entre subportadoras.

Figura F-1: Subportadoras ortogonales permiten traslape de sus espectros sin interferencias.

Un sistema OFDM toma un flujo de datos y lo divide en N flujos paralelos, cada uno a una tasa 1/N de la original. Luego cada flujo es mapeado a una subportadora y combinado usando la transformada rápida inversa de Fourier (IFFT), obteniendo la señal en el dominio del tiempo a transmitir. Por ejemplo, si se utiliza un sistema con 100 subportadoras y se transmite un solo flujo con una tasa de 1 [Mbps], este es convertido en 100 flujos de 10 [Kbps]. Al crear flujos de datos paralelos más lentos, provoca que la duración de cada símbolo de la modulación aumente en un factor de 100. Con una adecuada elección de los parámetros del sistema, como el número de subportadoras y la distancia entre éstas pueden reducir enormemente, o incluso eliminar, la interferencia inter-simbólica (ISI) [48].

F.1 OFDM en WiMAX Hasta ahora se ha revisado en forma breve y general el concepto de OFDM, en los párrafos siguientes se abordará desde la perspectiva de WiMAX, con los parámetros y valores que especifican los estándares 802.16 de la IEEE. 172

En la capa Física del estándar 802.16-2004 se específica la interfaz WirelessMAN-OFDM, en la cual se establece que se utilizan 256 subportadoras, de las cuales 192 son utilizadas para datos, 8 son pilotos y 56 son nulas. Las subportadoras pilotos son utilizadas como referencia para minimizar los desplazamientos de frecuencia y fase. Por último las 56 subportadoras nulas son utilizadas para resguardo de la banda y la frecuencia DC, que corresponde a la frecuencia central del canal (ver Figura F-2).

Figura F-2: Diagrama con las subportadoras de OFDM.

Lo que se muestra en la Figura F-2 corresponde a OFDM en el dominio de la frecuencia, en el dominio del tiempo se puede establecer el tiempo de duración de un símbolo OFDM, así como el uso de un prefijo cíclico (CP: Cyclic Prefix) que corresponde a la última muestra, Tg, del periodo útil del símbolo (ver Figura F-3).

Figura F-3: Estructura del símbolo OFDM en el dominio del tiempo[30]

F.1.1 Parámetros del Símbolo OFDM y de la Señal Transmitida [30] A continuación se presentan los parámetros definidos en el estándar 802.16-2004 de la IEEE, Tabla F-1, para caracterizar los símbolos OFDM.

173

Tabla F-1: Parámetros primarios del símbolo OFDM. Parámetros Descripción BW Es el ancho de banda nominal del canal. Nused Número de subportadoras utilizadas. n Factor de muestreo. Este parámetro, en conjunto con BW y Nused determinan la distancia entre subportadoras, y el tiempo útil del símbolo. G Es la razón entre el tiempo del CP y el tiempo útil del símbolo.

A partir de los parámetros de la Tabla F-1 se derivan una serie de parámetros que son listados en la Tabla F-2. Entre los parámetros está la frecuencia de muestreo, la cual depende del factor de muestreo y el ancho de banda, en la expresión se utiliza la función floor que entrega como resultado el número entero menor o igual al argumento. Cabe mencionar que se debe utilizar el ancho de banda, BW, en Hertz. Tabla F-2: Parámetros derivados del símbolo OFDM. Parámetros NFFT Fs ∆f Tb Tg Ts Tsampling

Descripción Es la potencia de dos más pequeña, pero mayor a Nused. Frecuencia de muestreo: Fs = floor(n · BW/8000) × 8000 Espacio entre subportadoras: ∆f = Fs / NFFT Tiempo útil del símbolo: Tb = 1 / ∆f Tiempo del prefijo cíclico (CP): Tg = G · Tb Tiempo del símbolo OFDM: Ts = Tb + Tg Tiempo de muestreo: Tsampling = Tb / NFFT

En la Tabla F-3 se muestran algunos de los valores especificados para la interfaz WirelessMANOFDM en la transmisión de la señal OFDM, en el estándar 802.16-2004 de la IEEE. Tabla F-3: Valores para los parámetros de la señal OFDM transmitida. Parámetros NFFT Nused

n

G Nº de subportadoras utilizadas como resguardo en el límite inferior Nº de subportadoras utilizadas como resguardo en el límite superior

Valor 256 200 8/7 para canales con ancho de banda múltiplos de 1.75 MHz. 86/75 para canales con ancho de banda múltiplos de 1.5 MHz. 144/125 para canales con ancho de banda múltiplos de 1.25 MHz. 316/275 para canales con ancho de banda múltiplos de 2.75 MHz. 57/50 para canales con ancho de banda múltiplos de 2.0 MHz. 8/7 para canales con ancho de banda no especificados acá. 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 28 27

Cabe mencionar que en la enmienda 802.16e, que incorpora la movilidad al estándar 802.16, sólo se hace una modificación a los parámetros de la señal OFDM a transmitir, y este no se muestra en la Tabla F-3. La modificación se realiza a un valor de los índices de las subportadoras, página 320 del estándar 802.16e de la IEEE [12]. 174

F.2 OFDMA en WiMAX OFDMA consiste en una técnica de acceso múltiple basado en OFDM, en el cual a cada usuario se le asigna una o más subportadoras, con lo cual los usuarios comparten un determinado ancho de banda. La forma en que las subportadoras son asignadas dependerá de la estrategia de despliegue del operador, ya que tienen directa relación con la calidad de servicio y la tasa de transferencia de éstos. En la Figura F-4 se muestra un diagrama donde se ejemplifica cómo se agrupan subportadoras para formar un subcanal, el cual es asignado a un usuario. Para OFDMA se definen los mismos parámetros primarios, Tabla F-1, pero con la diferencia que se específica los valores a utilizar [12] [30]. Se hace explícito que Nused incluye la subportadora DC, el factor de muestreo, n, en [30] era fijado en 8/7 pero en [12] se hace una corrección, exigiendo lo siguiente: para canales con ancho de banda múltiplo de 1.75 [MHz] se utilizará n = 8/7; para múltiplos de 1.25, 1.5, 2 o 2.75 [MHz] se utilizará n = 28/25; y en el caso que el ancho de banda del canal no sea múltiplo de ninguna de las opciones antes mencionadas se utilizará n = 8/7. Finalmente para la razón entre el tiempo del prefijo cíclico y el útil, G, se deben soportar los siguientes valores: 1/32, 1/16, 1/8 y 1/4.

Figura F-4: Diagrama con la subcanalización utilizada en OFDMA.

Con respecto a los parámetros derivados, se conservan las expresiones especificadas para OFDM en la Tabla F-2, con la excepción que en la enmienda 802.16e se hace explícito que se deben soportar más tamaños de la FFT: 2048, 1024, 512 y 128. Por otro lado se establece que el MS deberá poseer un mecanismo de escaneo y búsqueda de la señal del enlace DL, reconociendo el tamaño de la FFT y el ancho de banda del canal que se está utilizando. A partir del hecho que el parámetro NFFT variará, nace la necesidad de utilizar OFDMA pero en forma flexible y así el uso de SOFDMA, el cual permite usar los diferentes tamaños de la FFT dependiendo del ancho de banda del canal.

175

F.2.1 SOFDMA Es el acrónimo para Scalable OFDMA y es el concepto en el cual está basada la enmienda 802.16e de la interfaz WirelessMAN-OFDMA. SOFDMA entrega la flexibilidad necesaria para todo tipo de despliegues y servicios, permitiendo a los operadores desplegar redes con capacidades de acuerdo a su plan de negocios. Esto gracias a que el número de subportadoras, tamaño de la FFT, depende del ancho de banda que se utilice, pudiendo así realizar despliegues más eficientes. En la Tabla F-4 se muestra la relación entre el ancho de banda y el tamaño de la FFT, además de otros parámetros. Debido a que la separación entre subportadoras y el tiempo de duración del símbolo es el mismo, el impacto en las capas superiores cuando se escala el ancho de banda es mínimo. Intel en una de sus revistas de publicaciones tecnológicas dio a conocer el documento [49], donde se realizó un estudio más detallado de SOFDMA. Los valores de la Tabla F-4 no coinciden con los publicados en este documento, esto por las modificaciones que ha tenido en el transcurso el estándar 802.16e, además los valores de la tabla han sido tomados de un documento del WiMAX Forum [18]. Tabla F-4: Parámetros y valores que se obtienen utilizando distintos tamaños de la FFT. [18] Parámetros Valor Ancho de Banda del canal en MHz 1.25 5 10 Frecuencia de muestreo en MHz 1.4 5.6 11.2 Tamaño de la FFT 128 512 1024 Número de subcanales 2 8 16 Distancia entre subportadoras 10.94 KHz Tiempo útil del símbolo 91.4 µs Tiempo del CP 11.4 µs Duración del símbolo OFDMA 102.9 µs Nº de símbolos OFDMA 48 (Cuadro de 5 ms.)

20 22.4 2048 32

En la Tabla F-5 se muestra el desglose de las subportadoras para el caso de bandas de 5 y 10 MHz, se cita estos tamaños porque el WiMAX Forum está trabajando para la certificación de equipos en estas bandas. El WiMAX Forum además está trabajando para el uso de bandas de 7 y 8.75 [MHz], con una FFT de 1024 puntos. Tabla F-5: Desglose de las subportadoras para los casos de 5 y 10 MHz. [18] Parámetros Ancho de Banda del canal en MHz Tamaño de la FFT Subportadoras Nulas Subportadoras Piloto Subportadoras de Datos Subcanales

Valor 5 10 512 1024 92 104 184 184 60 136 120 280 360 272 720 560 15 17 30 35

176

G. WCDMA [50] WCDMA es el acrónimo para Wideband Code-Division Multiple-Access es la principal tecnología para la implementación de 3G en los sistemas celulares ya que será el upgrade para las redes GSM/GPRS/EDGE que existen hoy. WCDMA está basado en una técnica de acceso de radio propuesto por el grupo alfa de la ETSI cuya especificación finalizó en 1999. WCDMA es una de las tecnologías que impulsa la UIT para la implementación de 3G, que está enmarcada dentro de la iniciativa conocida como IMT-2000. Corresponde a una técnica de multiplexación basada en Code Division Multiple Access (CDMA), la cual consiste en la asignación de un código digital diferente para cada usuario. Estos códigos son compartidos por el emisor y receptor. La diferencia entre WCDMA y CDMA es que en WCDMA utiliza códigos con una velocidad mucho mayor que la señal a transmitir. En el transmisor el código se utiliza para transformar la señal de usuario en una señal de banda ancha (espectro expandido). Mientras que en el receptor el código se utiliza para separar las diferentes comunicaciones que comparten una misma portadora. A los bits que componen el código WCDMA se les llama chips para diferenciarlos de los bits de usuario. WCDMA es un sistema Direct-Sequence Code Division Multiple Access (DS-CDMA), es decir, la información del usuario, bits, son ‘esparcidos’ en todo el ancho de la banda, a través de la multiplicación de los datos del usuario por una secuencia de bits seudo-aleatoria, llamada chips, derivada de los códigos de esparcimiento de CDMA. WCDMA soporta la operación de estaciones bases asíncronas, al contrario de los sistemas IS-95, por lo cual no es necesario una referencia global de tiempo, como por ejemplo GPS. El despliegue de micro estaciones bases es más fácil cuando no es necesario recibir una señal GPS.

G.1 Modos WCDMA Existen dos modos de funcionamiento para WCDMA en UMTS, uno es el Frequency Division Duplex (FDD) y el Time Division Duplex (TDD). Las características de cada uno de ellos son: Modo FDD. Cada transmisión se identifica por la portadora y por el código seudo aleatorio WCDMA. Se utiliza una portadora diferente para cada enlace, el UL y el DL, dentro de una banda ‘apareada’. Modo TDD. Cada transmisión se identifica por la frecuencia de la portadora, el código WCDMA y uno de los 15 intervalos de tiempo de la trama TDMA (Time Division Multiple Access). Se utiliza una misma portadora para ambos enlaces, tanto ascendente como descendente, dentro de la banda “desapareada”. Los intervalos de tiempo pueden ser repartidos de forma dinámica entre el enlace descendente y el ascendente. Este modo es idóneo para aplicaciones de tráfico asimétrico como puede ser el acceso a Internet. 177

G.2 Bandas de Frecuencia Normalmente se reconocen tres frecuencias de operación para UMTS, dos de ellas para la comunicación FDD, y la tercera para el enlace TDD. Originalmente se concibieron para FDD las bandas de 1920 – 1980 [MHz] para el uplink y 2110 – 2170 para el downlink, y para el modo TDD las bandas de 1900 – 1920 [MHz] y 2010 – 2025 [MHz]. Pero como cada país ha tenido un plan propio para la distribución del espectro de frecuencias, y sólo en las últimas décadas se ha estandarizado este proceso ha sido necesario agregar otras, llegando actualmente a nueve bandas emparejadas para FDD y seis bandas para TDD. En la Tabla G-1 se muestran las bandas para FDD. Tabla G-1: Bandas de Frecuencias para FDD. Banda I II III IV V VI VII VIII IX

Enlace Ascendente [MHz] 1920 – 1980 1850 –1910 1710-1785 1710-1755 824 – 849 830-840 2500-2570 880 – 915 1749.9-1784.9

Enlace Descendente [MHz] 2110 –2170 1930 –1990 1805-1880 2110-2155 869-894 875-885 2620-2690 925 – 960 1844.9-1879.9

Separación entre portadoras [MHz] 190 80 95 400 45 45 120 45 95

Las bandas definidas para TDD son las siguientes:

• • • •

1900 – 1920 [MHz] y 2010 – 2025 [MHz]. 1850 – 1910 [MHz] y 1930 – 1990 [MHz]. 1910 – 1930 [MHz]. 2570 – 2620 [MHz].

178

H. WiFi [23][24] Las redes inalámbricas LAN, como son conocidas las redes WiFi, son muy similares a los sistemas celulares, como se muestra en la Figura H-1, cada punto de acceso (AP) es una estación base que transmite la información entre la red fija y la inalámbrica. Los AP están conectados a la red fija a través de un hub o switch Ethernet. Los usuarios finales, o estaciones inalámbricas, acceden a la red inalámbrica utilizando adaptadores, los cuales pueden estar embebidos dentro de los laptops o en tarjetas.

Figura H-1: Red LAN inalámbrica.

El grupo 802.11 de la IEEE realizó las especificaciones para las redes inalámbricas LAN a través del estándar 802.11, el cual es comercializado bajo la marca WiFi. Esta marca proviene de una asociación sin fines de lucro fundada en 1999 llamada WiFi Alliance, ésta se ha dedicado a certificar los productos basados en el estándar IEEE 802.11 para garantizar la interoperabilidad entre distintos fabricantes. Hasta fines de noviembre de 2006 el número de empresas que son miembros regulares de esta asociación alcanzaba las 238. Los estándares IEEE 802.11 incluyen una familia de especificaciones para las redes LAN inalámbricas. El objetivo del estándar fue desarrollar las especificaciones de las capas MAC y Física para la conectividad inalámbrica de usuarios estacionarios y en movimiento dentro de un área local. El número de especificaciones realizadas y en desarrollo es cercano a las 27, partiendo desde la 802.11a hasta la 802.11y. A continuación se dará revisión a las especificaciones 802.11b, 802.11g y 802.11a.

179

H.1 802.11b La especificación 802.11b fue ratificada en 1999 y corresponde al primer sistema LAN inalámbrico comercial, desde entonces ha sido ampliamente utilizado en todo el mundo. Las redes basadas en esta especificación pueden ofrecer tasas de transferencia de hasta 11 [Mbps]. El estándar 802.11b opera en la banda de 2.4 [GHz], que es de libre acceso29, esta banda es conocida como ISM porque está destinada para fines industriales, científicos y médicos. En esta banda se utilizan 11 canales traslapados, los cuales tienen un ancho de 22 [MHz] centrados cada 5 [MHz] entre 2.412 [GHz] y 2.462 [GHz], lo cual significa que sólo 3 canales no se traslapan (los canales 1, 6 y 11). Cabe mencionar que en Europa se utilizan 13 canales y en Japón 14, esto porque tienen asignado un espectro mayor, la asignación de los 11 canales es en EE.UU., la cual se ha reproducido en gran parte de Latinoamérica, incluyendo Chile.

Figura H-2: Canales de la banda de los 2.4 [GHz].[23]

Esta especificación es conocida como la primera generación de WLAN, la cual especifica 3 posibles capas Físicas: Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS), Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) e Infrarrojo (IR). La cobertura que se logra en estos sistemas es cercana a los 150 metros. La tasa de transmisión depende de la distancia del usuario al AP, a medida que el usuario se aleja del AP disminuye la tasa de transferencia. Tabla H-1: Tasa de transferencia y esquema de modulación de 802.11b. Tasa de transferencia [Mbps] 1 2 5.5 11

Esquema de Modulación BPSK QPSK QPSK QPSK

En la Tabla H-1 se muestran las distintas tasas de transferencias que se pueden alcanzar con el esquema de modulación correspondiente, el aumento en la tasa de transferencia se logra modificando la tasa de codificación.

Que la banda sea de libre acceso significa que no se deben pagar licencias para utilizarla. Es de libre acceso en la mayoría de los países, incluyendo Chile. 29

180

802.11b utiliza CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access – Collision Avoidance) en la capa MAC para que los distintos usuarios puedan utilizar la interfaz radioeléctrica. Una estación inalámbrica que tiene que transmitir un paquete, primero ‘escucha’ en el medio inalámbrico para determinar si alguna estación está transmitiendo. Si el medio esta siendo utilizado, entonces la estación espera un tiempo aleatorio antes de volver a ‘escuchar’.

H.2 802.11a Esta especificación está asociada como una solución para empresas, y su uso está en el despliegue de redes LAN inalámbricas con los requerimientos propios de una empresa (mayor seguridad, confiabilidad, etc.). 802.11a ofrece una tasa de transferencia de hasta 54 [Mbps], y al compararla con la especificación 802.11b se observa que posee una mayor inmunidad al ruido y permite una mejor escalabilidad. 802.11a opera en la banda de los 5 [GHz], para hacer uso de esta banda es necesario contar con la licencia respectiva debido a que, al contrario de la banda de los 2.4 [GHz], no es libre. En parte es por esta característica que se dice que es una solución para empresas, debido a que el costo de utilizar la banda sería traspasado a los usuarios, los cuales no apreciarían las mejoras en relación con la versión 802.11b debido a los requerimientos que poseen (navegación en la Internet y descarga de archivos). Además al utilizar una banda que no es de uso libre el nivel de interferencia que existe en el canal es mucho menor, lo cual provoca que el servicio sea mejor. Esta especificación incorpora OFDM como uno de los esquemas de transmisión, utiliza 52 subportadoras por canal, las cuales son transmitidas en paralelo. Además de la incorporación de OFDM se utilizó Forward Error Correction (FEC), que permite mejorar la calidad de la transmisión y robustecer los canales ante los errores. En la Tabla H-2 se muestran las distintas tasas de transferencia que se pueden alcanzar utilizando 802.11a, pero en éste sólo las tasas de 6, 12 y 24 [Mbps] son requeridas y el resto son opcionales. La cobertura que posee 802.11a no mejora a su predecesor, pero si permite mayores tasas de transferencias a la misma distancia Tabla H-2: Tasa de transferencia, esquema de modulación y tasa de codificación de 802.11a. Tasa de transferencia [Mbps] 6 9 12 18 24 36 48 54

Esquema de Modulación BPSK BPSK QPSK QPSK 16QAM 16QAM 64QAM 64QAM

Tasa de codificación 1/2 3/4 1/2 3/4 1/2 3/4 2/3 3/4

802.11a al operar en la banda de los 5 [GHz] permite contar con 4 canales sin traslape por subbanda, pero los canales tienen un ancho de banda de 20 [MHz], 2 [MHz] menos que los canales de 802.11b/g. En la Figura H-3 se muestran los 12 canales sin traslape que se dispone en la banda de los 5 [GHz]. 181

La banda de los 5 [GHz] está compuesta por 3 sub-bandas las cuales se diferencian en el EIRP máximo que pueden transmitir. La primera banda entre 5.15 y 5.25 [GHz] tiene un límite de 200 [mW], y se pretende que se utilice en ambientes indoor. Luego está la sub-banda que opera entre 5.25 y 5.35 [GHz] cuyo límite para el EIRP es de 1 [Watt], esta sub-banda fue destinada para el uso de enlaces punto a punto entre edificios cercanos. Y por último la sub-banda que opera entre 5.725 y 5.825 [GHz], cuya finalidad es para comunicaciones de mayor alcance, permitiendo un EIRP de hasta 200 [Watts].

Figura H-3: Canales sin traslape de la banda 5 [GHz]. [23]

802.11a tiene bastantes diferencias con 802.11b, sobre todo en la capa Física, pero en lo concerniente a la capa MAC es lo contrario, y al igual que 802.11b, 802.11a utiliza CSMA-CA.

H.3 802.11g 802.11g es relativamente reciente, fue publicada en junio de 2003, vino a ofrecer lo mejor que se obtuvo con 802.11a pero en la banda de los 2.4 [GHz], además de una completa compatibilidad con 802.11b. Es así como la mayoría de las redes WiFi que se encuentran desplegadas, al menos en Chile, son 802.11g con compatibilidad 802.11b. 802.11g utiliza OFDM, y soporta las mismas tasas de transferencia que 802.11a (6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 y 54 [Mbps]). Además como se dijo es compatible con 802.11b, por lo cual soporta modulación CCK y codificación Barrer, con lo cual se obtienen las tasas de la especificación 802.11b (1, 2, 5.5 y 11 [Mbps]). Pero sólo las tasas de 1, 2, 5.5, 6, 11, 12 y 24 [Mbps] son de carácter mandatario en el estándar, tanto para la transmisión como la recepción. Los anchos de banda de los canales son los mismos que los del estándar 802.11b, al igual que su disposición. Naturalmente 802.11g utiliza el mismo método que 802.11a y 802.11b, para administrar el uso de la interfaz radioeléctrica, es decir, utiliza CSMA-CA.

H.3.1 Estimación de la tasa de transferencia de 802.11g En esta sección se da ha conocer una expresión matemática que permite relacionar la distancia entre un usuario y el AP con la tasa de transferencia del enlace. Para obtener esta expresión se utilizaron mediciones hechas en [24] a diferentes distancias de un AP. Los datos citados se muestran en la Tabla H-3.

182

Tabla H-3: Datos que relacionan distancia con la tasa de datos. [24] Distancia [m] 12,8 14,3 19,8 25,9 32,6 41,1 54,9

Tasa de datos [Mbps] 54 48 36 24 18 12 6

Cabe mencionar que la tasa de transferencia depende de otros factores, además de la distancia, y que estos valores pueden ser válidos en escenarios parecidos al que fueron tomados. Sin embargo fue necesario obtener esta relación para poder realizar la comparación entre tecnologías descrita en la sección 3.5. En la Expresión H-1 se muestra la relación entre la tasa de datos, en Mbps, en función de la distancia en metros.

Tasa de datos = 99,592 ⋅ e −0.057⋅dist Expresión H-1: Tasa de datos en función de la distancia.

La Expresión H-1 corresponde a una línea de tendencia exponencial cuyo coeficiente R2 es de 0,997 y es graficada en la Figura H-4.

Tasa de datos [Mbps]

120 100 80 60 40 20 0 0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

Distancia [m] Figura H-4: Comportamiento de la tasa de datos con la distancia.

En la Figura H-4 se muestran los puntos de la Tabla H-3 y la línea de tendencia que aproxima el comportamiento de la tasa de datos con la distancia.

183

I. WiMAX [30][31][51] WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) es la marca comercial de los estándares de la IEEE 802.16, así como WiFi de los estándares 802.11, que representa una iniciativa que busca promocionar la adopción de ésta y asegurar la interoperabilidad entre equipos de distintos fabricantes. El WiMAX Forum define a WiMAX como una tecnología de banda ancha inalámbrica de última milla, alternativa al servicio de cable modem y tecnologías DSL a través de las líneas de compañías de telefonía fija. WiMAX tiene la capacidad de reemplazar varias infraestructuras de telecomunicaciones hoy en uso, lo cual ha generado bastante expectación y entusiasmo de las empresas relacionadas, lo que se ve reflejado en el gran número de empresas que se han unido al WiMAX Forum (http://www.wimaxforum.org), logrando hasta principios de noviembre de 2006 superar las 330. Como se dijo WiMAX es el nombre bajo el cual se comercializan los estándares de la serie 802.16, de éstos los más importantes corresponden al 802.16-2004 que corresponde a las especificaciones para las aplicaciones inalámbricas fijas, y el 802.16e para las comunicaciones inalámbricas móviles. Los sistemas basados en WiMAX tendrán la ventaja de poseer menos costos de despliegue que una red cableada tradicional, y más aún en lugares en donde la geografía no permite un fácil acceso. WiMAX ofrece un alcance teórico cercano a los 50 kilómetros.

Figura I-1: Posibles escenarios de WiMAX.

184

I.1 Arquitectura Interna En las secciones siguientes se hace una breve revisión sobre la capa Física y MAC del estándar 802.16 de la IEEE. Se revisan las diferentes interfaces de la capa Física que son especificadas en el estándar, además de los rangos de frecuencias utilizados. Con respecto a la capa MAC se entrega una breve reseña de su composición.

I.1.1 Capa Física (PHY Layer) El estándar 802.16 de la IEEE esta siendo desarrollado para un amplio rango de frecuencias, un primer rango es el de las bandas licenciadas entre 10 y 66 [GHz]. El otro incluye bandas de libre uso y bajo licencia, comprendiendo frecuencias entre 2 y 11 [GHz]. Para el primer rango de frecuencias, 10 a 66 [GHz], la necesidad de LOS es prácticamente necesaria. El primer tipo de modulación implementado fue el SC (single carrier), con lo cual la interfaz fue llamada WirelessMAN-SC. Para aumentar la flexibilidad del uso del espectro, este tipo de interfaz soporta duplexación en el tiempo y en la frecuencia (TDD y FDD respectivamente), ambos tipos de transmisión a su vez soportan modulación y esquemas de codificación adaptivos para cada SS (Subscriber Station). En el caso de FDD se provee de la capacidad de comunicación full y half duplex. El método de acceso de esta interfaz está basado en una combinación de TDMA y DAMA. Esto porque en el enlace UL se divide en un número de time slots, el cual es controlado por la capa MAC en la BS, y pudiendo variar para mejorar el desempeño. Por otro lado el enlace DL usa TDM, la BS multiplexa la información de todos los SSs dentro de un flujo de datos, por lo tanto la información de todos los SSs es recibido por todos los SSs dentro del sector cubierto por la BS. El desarrollo de interfaces aéreas en el rango de 2 a 11 [GHz] nació de la necesidad de operar en condiciones de NLOS. Esto porque se espera llegar al usuario residencial, por lo tanto el techo de éstos, donde se ubicara la antena del CPE, puede estar demasiado bajo como para que exista LOS. Las interfaces de aire especificadas son WirelessMAN-SCa, WirelessMAN-OFDM, WirelessMANOFDMA y WirelessHUMAN. La interfaz WirelessMAN-SCa corresponde a la versión que soporta NLOS de la WirelessMANSC, el estándar 802.16-2004 define que debe soportar TDD o FDD; uso de TDMA en ambos enlaces, UL y DL; uso de codificación FEC en los enlaces UL y DL, entre otras especificaciones. Para ver más detalles revisar página 356 de [30]. La interfaz WirelessMAN-OFDM está basado en OFDM, ver sección F.1 del anexo, con 256 puntos. Usa acceso TDMA y su uso es obligatorio en bandas no licenciadas. Se planea utilizar principalmente para el despliegue de accesos fijos, donde los SSs están desplegados dentro de hogares y empresas. Esta interfaz soporta subcanalización, 16 subcanales, en el enlace UL; también tiene la capacidad de realizar transmisiones TDD y FDD; soporta distintos niveles de modulación, desde BPSK hasta 64QAM; por último, en forma opcional, soporta diversidad de transmisión en el enlace DL a través del uso de Space Time Coding (STC) y Adaptive Antenna System (AAS) con SDMA. En el caso de WirelessMAN-OFDMA se utiliza, como lo dice su nombre, OFDMA con 2048 puntos como técnica de acceso. En esta interfaz se asignan grupos de subportadoras a cada SS. Por requerimientos de propagación este tipo de interfaz soporta AAS. Esta interfaz además de las características de la interfaz anterior tiene la capacidad de utilizar sistemas Multiple Input Multiple 185

Output (MIMO). En [30] se específica que para las bandas licenciadas los anchos de banda no podrán ser menor a 1 [MHz]. Por último está la interfaz WirelessHUMAN, la cual está centrada en el uso de bandas de frecuencias entre los 5 y 6 [GHz], su creación responde a la necesidad de reglamentar el uso de esta banda y poder hacerla compatible con el estándar 802.11a. Las características son básicamente las mismas a las mencionadas en las interfaces anteriores, salvo que sólo soporta transmisiones TDD.

I.1.2 Capa MAC (Medium Access Control) Esta capa provee la función de interfaz de medio independiente para la capa Física. Dado que la capa Física de WiMAX es inalámbrica, la capa MAC se centra en administrar en forma eficiente los recursos de la interfaz de aire. El protocolo MAC fue diseñado, desde un principio, para soportar aplicaciones punto a multipunto (PMP) de banda ancha, tanto en el enlace DL como en el UL, y modelos con arquitectura mesh. Además soporta servicios de distintos requerimientos, desde voz sobre IP (VoIP) hasta transmisión de datos sobre IP, a los cuales se les exigirán distintos niveles de QoS (ver sección I.3). Además el protocolo MAC debe soportar diversas tecnologías en el backhaul, que conectará las BS con el núcleo de la red, incluyendo ATM y protocolos basados en el concepto de paquetes. Es por esto que en la parte superior de la capa MAC se encuentra una subcapa de convergencia. La seguridad es un elemento importantísimo en cualquier tipo de comunicación y más aún en redes inalámbricas, donde el medio de propagación no se puede controlar y puede ser fácilmente intervenido. Es por este motivo que dentro de la capa MAC existe una subcapa de seguridad que permite la autentificación, tanto para el acceso a la red como para el establecimiento de una conexión, permitiendo además la encriptación de datos.

I.2 802.16e WiMAX Móvil [18] La enmienda 802.16e corresponde a las correcciones y especificaciones extras hechas al estándar 802.16 de la IEEE, ratificado en diciembre de 2005 y publicado en febrero de 2006 por la IEEE, de modo que éste posea las características y atributos para soportar la movilidad de los usuarios. WiMAX móvil, nombre con el cual es conocida esta enmienda, es una solución inalámbrica de banda ancha que permitirá la convergencia de redes de banda ancha fija y móvil, a través de un área con una tecnología de acceso común y una arquitectura de red flexible. En esta enmienda se introduce en forma implícita el uso de SOFDMA (Scalable OFDMA) para soportar en forma escalable canales con anchos de banda desde 1.25 hasta 20 [MHz]. Las características que deberán tener los sistemas WiMAX móviles, para pasar la certificación del WiMAX Forum, está en desarrollo. En [18] se adelanta que las primeras especificaciones se harán para aquellos sistemas que utilicen anchos de banda de 5, 7, 8.75 y 10 [MHz], para las bandas de frecuencia ubicadas en 2.3, 2.5, 3.3 y 3.5 [GHz].

186

Algunas de las características más relevantes de WiMAX Móvil son: Altas Tasas de Transmisión: El uso de técnicas MIMO en las antenas, con esquemas de subcanalización flexible junto avanzados sistemas de codificación y modulación permiten a WiMAX Móvil soportar hasta 63 [Mbps] por sector en el enlace DL, y hasta 23 [Mbps] en el UL con un ancho de banda de 10 [MHz]. Calidad de Servicio (QoS): La premisa fundamental de la arquitectura MAC del estándar es la calidad de servicio. Esta define Flujos de Servicio que pueden ser mapeados a códigos DiffServ, o etiquetas MPLS permitiendo ofrecer QoS sobre IP de extremo a extremo. Escalabilidad: Los diferentes usos de las bandas de frecuencia alrededor del mundo hicieron necesario que los despliegues de WiMAX fueran escalables, desde 1.25 a 20 [MHz], y así permitir despliegues más eficientes que se adecuen a los requerimientos de cada zona, tanto geográficos como de servicios.

I.2.1 Aplicaciones de WiMAX Móvil El WiMAX Forum identifico varias aplicaciones que serán utilizadas en los sistemas basados en el estándar 802.16e. Las aplicaciones pueden ser agrupadas en 5 grandes clases. Estas clases están listadas en la Tabla I-1 con la caracterización de los parámetros latencia, jitter y ancho de banda que asegure al usuario un servicio de calidad. Tabla I-1: Clases de aplicaciones WiMAX. [18]

I.3 Clases de Servicios La capa MAC del estándar 802.16 provee de diferenciación de QoS para los diferentes tipos de aplicaciones que podrán funcionar en las redes WiMAX. El estándar define los siguientes tipos de servicios:

Unsolicited Grant Services (UGS) UGS está diseñado para soportar servicios que necesiten una velocidad de tasa constante de bit (CBR), como por ejemplo voz sobre IP (VoIP) sin eliminación del silencio.

187

Real-Time Polling Services (rtPS) rtPS está diseñado para soportar servicios de tiempo real que generan paquetes de datos de tamaños variables de forma regular, garantizando un tasa mínima de transferencia y un determinado retraso.

Extended Real-Time Polling Services (ErtPS) Esta clase de QoS fue incorporada en la enmienda 802.16e. ErtPS tiene las mismas características de rtPS, paquetes de datos de tamaño variable, salvo que la tasa máxima de transferencia puede ser modificada durante la transmisión. Se cree que se utilizará en servicios VoIP sin eliminación de silencio.

Non-Real-Time Polling Services (nrtPS) nrtPS está diseñado para soportar servicios que, al igual que los rtPS, requieren asignaciones de transmisión de tamaño variable de forma regular.

Best Effort (BE) Services Corresponden a los servicios que se ofrecen hoy en día a través de la Internet.

I.4 Arquitectura End-to-End Principios básicos de la arquitectura WiMAX.

• La arquitectura está basada en conmutación de paquetes. • La arquitectura permite desacoplar la arquitectura de acceso de la conectividad del servicio IP. • La arquitectura permite modularidad y flexibilidad para adecuarse al amplio rango de opciones de implementación, como por ejemplo: ƒ Redes WiMAX de pequeña a grande escala. ƒ Ambientes de radio-propagación urbano, suburbano y rural. ƒ Bandas de frecuencia bajo y sin licencia. ƒ Distintos tipos de topologías: jerárquico, plano, mesh. ƒ Co-existencia del uso de modelos fijo, nómada, portable y móvil. El WiMAX Forum propuso un modelo de referencia de red (Network Referente Model; NRM) como representación lógica de la arquitectura de red de WiMAX. El NRM identifica entidades funcionales y puntos de referencia, donde la interoperabilidad entre entidades funcionales es alcanzada. La arquitectura fue desarrollada con el objetivo de proveer un soporte unificado a las funcionalidades necesarias, en un rango de modelos de redes desplegadas y escenarios de uso. En la Figura I-2 se muestra el NRM, compuesta por las siguientes entidades lógicas: MS, ASN y CSN. Además de los puntos de referencia para la interconexión de éstas. Cada una de las entidades (MS, ASN, CSN) representa un grupo de entidades funcionales. Cada una de estas funciones puede ser realizada por un dispositivo físico o por múltiples dispositivos físicos distribuidos.

188

Figura I-2: Modelo de Referencia de Red (NRM) WiMAX. [18]

La agrupación y distribución de funciones en dispositivos físicos dentro de una entidad funcional (por ejemplo ASN) es una alternativa de implementación. Los fabricantes pueden escoger cualquier implementación física de las funciones, sólo se les exige los requerimientos de interoperabilidad y funcionamiento.

I.5 Requisitos del Receptor En [30] se establecen ciertos requisitos que el receptor debe cumplir, estos varían dependiendo de la interfaz física que se este utilizando, los cuales permiten estandarizar y garantizar el funcionamiento del sistema, con las características que distinguen al estándar 802.16 por sobre las otras tecnologías inalámbricas. Los requisitos para el receptor son especificados sólo para las interfaces que funcionan bajo los 11 [GHz], ver sección I.1.1. En la Tabla I-2 se muestran los requisitos de SNR para la interfaz física OFDMA corregidos en la enmienda 802.16e. Tabla I-2: Requisitos de SNR para el receptor (OFDMA). Modulación QPSK 16 QAM 64 QAM

Tasa de SNR Codificación [dB] 1/2 5 3/4 8 1/2 10.5 3/4 14 1/2 16 2/3 18 3/4 20

189

J. Zonas de Fresnel La zona de Fresnel es una zona de despeje adicional que hay que tener en consideración en un enlace microonda punto a punto, además de la visibilidad directa entre las dos antenas. Este factor deriva de la teoría de ondas electromagnéticas, respecto de la expansión de las mismas al viajar en el espacio libre. Esta expansión resulta en reflexiones y cambios de fase al pasar sobre un obstáculo. El resultado es un aumento o disminución en el nivel de intensidad de la señal recibida. La obstrucción máxima permisible para considerar que no hay obstrucción es el 40% de la primera zona de Fresnel. La obstrucción máxima recomendada es el 20%. Para establecer las zonas de Fresnel primero debemos determinar la línea de vista, que en términos simples es una línea recta entre la antena transmisora y la receptora. Ahora la zona que rodea el LOS son las zonas de Fresnel. La fórmula genérica de cálculo de las zonas de Fresnel se muestra en la Expresión J-1.

rn = 548

n ⋅ d1 ⋅ d 2 f ⋅d

Expresión J-1: Fórmula para el cálculo del radio de la enésima zona de Fresnel.

Donde: rn es el radio de la enésima zona de Fresnel [m]. d1 es la distancia desde el transmisor al objeto en [Km]. d2 es la distancia desde el objeto al receptor en [Km]. d es la distancia total del enlace en [Km]. f es la frecuencia en [MHz]. En la Figura J-1 se muestra un diagrama con los parámetros de la Expresión J-1, en particular para el radio de la primera zona de Fresnel.

Figura J-1: Diagrama explicativo de las zonas de Fresnel.

190

K. Altura Efectiva El concepto de altura efectiva aparece al momento de realizar las estimaciones de cobertura de las antenas de una red. La altura efectiva pretende llevar a condiciones normalizadas la altura real de la antena, la cual difiere en la mayoría de los casos con la altura efectiva. El cálculo de la altura efectiva toma en cuenta las alturas más importantes de la zona en estudio, ver Figura K-1 (a), llevando esta situación de terreno accidentado a una equivalente en terreno plano, tal como se muestra en la Figura K-1 (b). Así la altura efectiva de una antena se calcula utilizando la Expresión K-1, donde ht es la altura real de la antena, ho es la altura a la cual se encuentra la base de la antena por sobre el nivel del mar y hi son las alturas, consideras a partir del nivel del mar, de los accidentes que se consideran dentro del área de estudio.

hef = ht − ∑ (hi − ho ) i

Expresión K-1: Fórmula para la altura efectiva de un objeto cualquiera.[21]

(a)

(b) Figura K-1: Diagramas con la situación original y la equivalente al calcular la altura efectiva de la antena.

191

L. Herramientas L.1 PredicPlan Predicplan es una herramienta realizada en Chile por una empresa privada. A través de su sitio en Internet, [37], es posible realizar perfiles entre 2 puntos, convirtiéndose en una herramienta útil al momento de realizar enlaces punto a punto, donde la necesidad de contar con línea de vista es primordial. Esta funcionalidad está inserta en una herramienta comercial de mayores capacidades, donde se pueden realizar estudios de cobertura utilizando distintas configuraciones de antenas. En la Figura L-1 se muestra la pantalla en donde se ha realizado la simulación de cobertura de una estación base cerca de la ciudad de la Ligua. Esta imagen corresponde a una copia de evaluación del programa, la cual fue facilitada por el Sr. Patricio Santana autor de PredicPlan.

Figura L-1: Pantalla donde es posible apreciar las características de la cobertura de una estación base.

192

L.2 Calcucell Calcucell es sin duda una herramienta bastante útil, a pesar de las limitaciones que tiene la versión gratuita. Esta herramienta es relativamente antigua, al menos la versión de prueba que puede ser obtenida en la Internet, ya que los cálculos que permite realizar están limitados a redes celulares GSM, AMPS y NMT. En la Figura L-2 (a) se muestra la pantalla donde se pueden realizar cálculos de pérdidas por propagación, además de la cantidad de canales que se obtienen dado un cierto ancho de banda. Estas funcionalidades son utilizadas en la planificación de cobertura y capacidad respectivamente.

(a)

(b)

Figura L-2: Pantallas del programa Calcucell donde se puede obtener las pérdidas por propagación para las diferentes tecnologías (a) y donde se puede realizar los cálculos relacionados al tráfico.

En la Figura L-2 (b) se muestra la pantalla donde se pueden realizar los cálculos relacionados con el tráfico. Como se aprecia en la figura se puede estimar el tráfico de acuerdo a 3 modelos distintos: Poisson, Erlang B y Erlang C. En cada modelo se puede determinar el tráfico a partir del número de canales o del tráfico en Erlangs y el grado de servicio, que en la figura se muestra un valor del 2%. Estas funcionalidades son bastante útiles en la planificación de la capacidad de las redes GSM, en particular del tráfico generado por los servicios de voz. En la Figura L-3 (a) se muestra la pantalla del programa donde se pueden realizar los cálculos de las pérdidas que generan los cables en función de su largo, frecuencia de la señal y tipo. Calcucell además permite realizar cálculos relacionados con la antena y su comportamiento. En la Figura L-3 (b) se muestra la pantalla relacionada, en ella se puede obtener la ganancia de la antena en función de la distancia, la cual depende además de la ganancia de la altura, el ancho del lóbulo principal y del tilt de la antena.

193

(a)

(b)

Figura L-3: Pantallas del programa Calcucell en donde se puede calcular las pérdidas producidas en el cable (a) y el comportamiento de la ganancia de la antena de acuerdo a la distancia (b).

Finalmente en la Figura L-4 se muestra la pantalla donde se pueden realizar conversiones de unidades de tráfico, distancia, peso y de la fuerza de los campos electromagnéticos, como por ejemplo de V/m a dBm y viceversa.

Figura L-4: Pantalla del programa Calcucell donde permite realizar conversión de unidades.

194

L.3 EDX SignalPro(R) A continuación se presentan algunas imágenes de la copia de evaluación de esta herramienta, una de las limitantes de esta versión es que sólo permite realizar pruebas con una localidad de EE.UU. El programa además contiene ejemplos de despliegues de redes WiMAX y 3G, donde se pueden apreciar las áreas de cobertura, a través de un botón, con una configuración dada de BSs y sectores. En la Figura L-5 se muestra la pantalla del ejemplo de una red 3G, el ejemplo viene con la copia de evaluación, donde se muestra a través de colores (amarillo, azul, rojo y calipso) los niveles del BER.

Figura L-5: Pantalla donde se muestra los sitios y el BER que se obtiene en una determinada área.

La copia de evaluación permite modificar el ejemplo agregando o eliminando sitios, además permite modificar las características de cada uno de estos a través de la pantalla que se muestra en la Figura L-6, en el se pueden modificar parámetros como las características de los transmisores y receptores, el modelo de propagación a utilizar además del tráfico que soporta cada canal. Esta herramienta permite además realizar estudios de enlaces, en la Figura L-7 se muestra la pantalla en donde se muestran las características del enlace, pudiendo definir los modelos de propagación a utilizar, realizar análisis de confiabilidad del enlace. Además permite apreciar la degradación que obtiene la señal al poner un obstáculo en la línea de vista del enlace.

195

Figura L-6: Pantalla donde se configuran las opciones de un sitio.

Figura L-7: Pantalla en donde se muestran las características de un enlace. 196

M. Planificación de Cobertura En este apartado se explican los parámetros que son considerados en el capítulo 3 para la estimación de la cobertura en las distintas tecnologías abordadas.

M.1 GSM/GPRS/EDGE M.1.1 Parámetros de los Equipos Los equipos que se toman en cuenta son sólo aquellos que participan en el enlace de radiofrecuencia, es decir, el MS y la BTS. En la BTS se toman en cuenta todos los elementos que participan, desde la antena pasando por los cables, combinadores, receptores y transmisores. Con respecto al MS se toman en cuenta los requerimientos que establece el estándar.

M.1.1.1 Potencia de Salida de los Transmisores (Po) Corresponde a la potencia de salida tanto de las BTSs como de los MSs, estos valores dependen de la frecuencia en la cual se trabaje y de la clase en el caso de los MS. En la Tabla M-1 se muestran las máximas potencias de salida en una BTS normal, medidas a la entrada del combinador de transmisión del BSS, para las distintas bandas en la cuales trabaja GSM. En [52] se encuentran las potencias máximas para las distintas clases de MS, además de las potencias para las distintas bandas cuando la implementación de la BTS es para micro y pico celdas. Tabla M-1: Potencias de salida máximas para las distintas bandas de GSM. [52] GSM 400, GSM 900, GSM 850, DCS 1 800, PCS 1 900 y MXM 1900 MXM 850 y GSM 700 Clase de TRX Máxima Clase de TRX Máxima (potencia) potencia de salida (potencia) potencia de salida 1 320 - (< 640) W 1 20 - (< 40) W 2 160 - (< 320) W 2 10 - (< 20) W 3 80 - (< 160) W 3 5 - (< 10) W 4 40 - (< 80) W 4 2,5 - (< 5) W 5 20 - (< 40) W 6 10 - (< 20) W 7 5 - (< 10) W 8 2,5 - (< 5) W

Tanto los valores de la Tabla M-1 como los que se entregan en [52] están sujetos a los límites que impongan las regulaciones de cada país.

M.1.1.2 Pérdidas en el Combinador (Lc) Este parámetro es propio de las BTSs y se toma en cuenta sólo cuando varias TRX son conectadas a una antena común. Este valor depende del tipo de combinador y el número de canales que se está combinando. 197

M.1.1.3 Sensibilidad del Receptor (S) En el caso de las BTS este valor viene dado por las especificaciones del equipo, el cual puede variar entre fabricantes. Mientras que para los MSs este valor está estandarizado.

M.1.1.4 Ganancia de la Antena (Gi) La ganancia de la antena depende del equipo, en el caso de la BTS dependerá de si es una antena omnidireccional o direccional. Así en el caso de una antena omnidireccional Gi corresponde a la máxima ganancia isotrópica, medido en dBi, en todas las direcciones y para la antena direccional Gi será la máxima ganancia isotrópica, también medido en dBi, en la dirección de mayor radiación. Para el caso del MS se considera una ganancia aproximada de 2 [dBi] en todas las direcciones.

M.1.1.5 Pérdidas en el Cable y Conectores (Lo) Este parámetro puede representar parte importante de las pérdidas, porque la distancia entre los equipos de RF y las antenas puede ser considerable, desde 15 a 50 metros. Para los MS este parámetro es despreciable.

M.1.1.6 Pérdidas del Cuerpo (Lb) Este parámetro es intrínseco al MS y se produce sólo cuando los usuarios lo están transportando.

M.1.1.7 Ganancia por Diversidad en Recepción (Rd) Esta ganancia afecta sólo el enlace UL y existe sólo si se implementa diversidad, el motivo para implementarla puede originarse en la calidad de servicio. Depende de la instalación de la antena y en particular de la distancia de separación de las 2 antenas utilizadas para la recepción. Generalmente se utiliza un valor promedio.

M.1.2 Parámetros de Propagación Para lograr una buena probabilidad de servicio, es necesario dar márgenes para considerar al menos las principales pérdidas que pueda tener la señal en ambos enlaces, DL y UL. A continuación se presentan los márgenes antes mencionados y algunos fenómenos que producen pérdidas, y por los cuales también se deben considerar márgenes.

M.1.2.1 Margen de Desvanecimiento Lento o Margen de Sombra (Sm) Cuando se ha definido la distribución que tendrá la fuerza del campo el siguiente paso es determinar el margen de desvanecimiento lento. En el proceso de planificación de cobertura, uno de los objetivos es lograr cierta probabilidad de ubicación. Esto significa que la fuerza del campo este por sobre un cierto umbral con una determinada probabilidad. La fuerza del campo es fluctuante debido a varios factores, entre ellos el desvanecimiento lento (ver sección D.1 del anexo), motivo por el cual se utiliza cierto margen extra para tomar en cuenta este fenómeno. Es este margen el denominado margen de desvanecimiento lento y puede ser visto como una forma de mejorar la probabilidad de que la señal tenga un nivel lo suficientemente alto [14].

198

M.1.2.2 Penetración en Edificaciones (PI) [14] Las pérdidas por penetración en edificaciones son las producidas cuando un MS está dentro de una edificación y la señal debe traspasar techos, murallas y/o pisos, los cuales son las fuentes de estas pérdidas. Naturalmente este tipo de pérdidas dependen del material que fueron construidas las edificaciones. La 3GPP en [15] estima que las pérdidas por penetración en edificaciones de zonas urbanas varía entre 12 y 17 [dB], mientras que en zonas rurales se asume una pérdida de 10 [dB]. Estas pérdidas dependen de la frecuencia en la cual se está trabajando, en particular los valores dados corresponden a estimaciones para la banda de 1800 [MHz]. Cabe mencionar que se han realizado estudios, donde se ha demostrado que a medida que aumenta la frecuencia de una señal, también lo hacen las pérdidas de penetración. Como se menciono anteriormente las pérdidas por penetración en edificaciones dependen del material que éstas fueron construidas, pero además existen otros factores que también influyen. • Cambios en la altura de los pisos. • El entorno de propagación cercano a la edificación. • Diferentes porcentajes de superficie de ventanas en las murallas exteriores. • Diferentes orientaciones, de los edificios, con respecto a la dirección de irradiación de la antena. • Uso de distintos tipos de ventanas, con tratamientos especiales para el aislamiento del ruido y el calor. Como se puede apreciar no es fácil estimar las pérdidas que produce la penetración indoor. Por este motivo el grupo europeo COST 231 elaboró un modelo para lograr estimar con mayor precisión las pérdidas producidas por murallas y obstáculos. Tomando en cuenta si existe o no LOS, además de otros parámetros. En la sección D.2 del anexo se muestra el modelo propuesto por el grupo COST 231.

M.1.2.3 Factor de Penetración en Vehículos (Pc) Al igual que las pérdidas por penetración en edificaciones, las pérdidas por penetración en vehículos dependerán del material que están construidos éstos, cuando el material de la cubierta del vehículo es principalmente plástico y/o aleaciones las pérdidas son mínimas. Las pérdidas por penetración en vehículos, típicamente varía entre 5 y 15 [dB].

M.1.3 Parámetro del Enlace M.1.3.1 Potencia Isotrópica Radiada Equivalente (EIRP) El termino EIRP representa la potencia utilizable a la salida de los transmisores, tomando en cuenta pérdidas y la ganancia isotrópica de la antena utilizada.

EIRP(dBm) = Po − Lc − Lo − Gi Expresión M-1: Expresión para el EIRP de una antena. 199

Con la Expresión M-1 se puede obtener el EIRP para una antena isotrópica en dBm. El término Po corresponde a la potencia de salida de los transmisores, Lc y Lo corresponden a las pérdidas en el combinador y en el cable común (transmisión y recepción), respectivamente, y Gi es la ganancia isotrópica de la antena, todas expresadas en dBm, dB y dBi respectivamente. Cada uno de estos parámetros es revisado en la sección M.1.1.

M.2 UMTS-WCDMA M.2.1 Parámetros de WCDMA [17] En el caso de la tecnología WCDMA sólo se revisarán los parámetros involucrados en el cálculo del radioenlace ascendente (UL), ya que es en este enlace donde la cobertura está más limitada. En el cálculo del enlace existen parámetros que son específicos a WCDMA y que no son utilizados en los sistemas de acceso basados en TDMA, como GSM. Los parámetros más importantes son los siguientes.

M.2.1.1 Margen por Interferencia El margen por interferencia refleja la carga que tiene la celda, el factor de carga, la cual afecta la cobertura de ésta. Entre más usuarios se le permita a la celda atender mayor será la carga de tráfico y por lo tanto mayor deberá ser el margen por interferencia que se necesite en el enlace UL, lo cual se traducirá en una menor área de cobertura.

M.2.1.2 Margen por Desvanecimiento Rápido (Fast Fading) Es necesario un equipo llamado headroom, el cual es usado para ecualizar el control de potencia rápido (fast power control) y minimizar la degradación del servicio en momentos de congestión. Es aplicado especialmente cuando los usuarios se mueven lento, donde el control de potencia rápido puede efectivamente compensar el desvanecimiento rápido.

M.2.1.3 Ganancia del Handover Blando (Soft Handover) Los handovers, duros o blandos, entregan una ganancia ante el desvanecimiento lento (desvanecimiento log-normal), disminuyendo de esta forma el margen requerido para el desvanecimiento log-normal. Esto se debe a que el desvanecimiento lento, en parte, no está correlacionado entre estaciones base. El handover blando entrega además una ganancia de macrodiversidad en contra del desvanecimiento rápido, reduciendo la razón Eb/N0 requerida, relativo a un enlace de radio.

M.2.1.4 Ganancia de Procesamiento Esta ganancia es el resultado de esparcir la señal en varias frecuencias, se dice que la tecnología CDMA es de espectro esparcido porque toma la señal a transmitir y utiliza todo el ancho de banda para transmitirla, la esparce, haciendo que todos los usuarios compartan los recursos al momento de ocupar algún servicio. La ganancia de procesamiento se obtiene a través de la Expresión M-2, el chip rate en WCDMA es de 3.84 Mcps y el bit rate depende de la modulación que pueda utilizar el sistema de acuerdo a la calidad de la señal. La expresión entrega la ganancia en dB. 200

Ganancia = 10 log10 (chip rate / bit rate) Expresión M-2: Ganancia por procesamiento en sistemas CDMA.

201

N. Capacidad de Señalización en GSM/GPRS/EDGE En este apartado se aborda en forma breve y con un mayor detalle la capacidad de señalización en la tecnología GSM y sus actualizaciones.

N.1 Capacidad de Señalización [8] N.1.1 Criterio de Capacidad de Señalización La forma más común de dimensionar los canales de tráfico para las llamadas de voz en GSM, es utilizando un criterio de probabilidad de bloqueo del 2%, cuyo tráfico se calcula con las formulas del modelo Erlang B. A pesar de lo anterior las llamadas también pueden ser bloqueadas debido a la falta de recursos de señalización. Si se asume que las probabilidades de bloqueo por falta de canales de señalización y tráfico son independientes, entonces la probabilidad de bloqueo que percibirá el usuario será la suma de éstas. Por lo tanto se hace necesario contar con algún criterio que permita establecer la capacidad necesaria para los canales de señalización. Una primera idea, bastante intuitiva, sería utilizar una baja probabilidad de bloqueo para los procedimientos de señalización y así la gran mayoría de los bloqueos serían provocados por la falta de canales de tráfico. Se puede utilizar una probabilidad de bloqueo del 0.2% (una probabilidad 10 veces menor). Un segundo criterio podría ser no sobredimensionar la capacidad de la red, con lo cual se permitiría una mayor probabilidad de bloqueo, de 1% o 2%. Es importante mencionar que la carga de señalización depende de la tasa de llamadas realizadas, y no de la duración de éstas. La capacidad de los canales de señalización es determinada como el número de llamadas por hora, en vez de la carga de tráfico, que pueden ser soportadas dada una cierta probabilidad de bloqueo.

N.1.2 Capacidad de Señalización para Voz en GSM Los canales usados para establecer las llamadas en los servicios de voz son el Common Control Channel (CCCH) y el Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH). El número de actualizaciones de ubicación de los usuarios y el tráfico SMS también afectan la carga, por lo tanto también la capacidad de estos canales para establecer las llamadas. Los procedimientos pueden ser modelados usando sistemas de colas, ya que sino hay subcanales SDCCH disponibles quién lo haya solicitado será puesto en una cola de espera hasta que se liberen los recursos. En la Figura N-1 se muestra un ejemplo de un procedimiento de señalización modelado con un sistema de colas. Dado que los sistemas de colas se vuelven más complejos al considerar colas múltiples, no se obtiene una solución analítica simple, menos aún si se considera el uso de temporizadores y reintentos de establecimiento de llamadas. Por lo tanto es necesario utilizar alguna herramienta de simulación que permita realizar los análisis requeridos, para estudiar la capacidad de estos canales tomando en cuenta colisiones, accesos aleatorios, número máximo de retransmisiones y temporizadores expirados. 202

Figura N-1: Ejemplo con el procedimiento de señalización, modelado con un sistema de colas.[8]

N.1.2.1 Hipótesis del Tráfico GSM La carga de la señalización en GSM consiste en el establecimiento de las llamadas, mensajes SMS y las actualizaciones de la ubicación de los usuarios. Se asume que la llegada de las llamadas de voz siguen una función de distribución de probabilidad de Poisson y que la duración de éstas se puede modelar a través de una función exponencial de media 100 segundos. La proporción de MSs originando y terminando llamadas se consideran iguales. En cada llamada el MS intenta acceder al Random Access Channel (RACH) transmitiendo solicitudes de canal hasta que obtiene alguna respuesta de la red o ha alcanzado el número máximo de retransmisiones (1, 2, 4 o 7). Antes de terminar una llamada es enviado un mensaje paging al MS por el Paging Channel (PCH). Entonces si hay subcanales SDCCH disponibles un asignamiento inmediato es enviado a través del Access Grant Channel (AGCH). El canal SDCCH es usado 2.8 segundos en el establecimiento de una llamada, 3.5 segundos en una actualización, periódicas y forzadas, de ubicación de usuario y 3.5 segundos en las transferencias SMS. También se está suponiendo que los mensajes de transmisión SMS, y las actualizaciones periódicas y forzadas de ubicación siguen una distribución de Poisson. En estos procedimientos los canales de tráfico no son utilizados, ya que toda la información es enviada a través del canal SDCCH.

N.1.2.2 Capacidad del Canal SDCCH En la Figura N-2 se muestra como la probabilidad de bloqueo debido a los subcanales SDCCH tienen una tendencia similar a las curvas Erlang B. Las simulaciones hechas en [8] toman desde 4 a 20 subcanales SDCCH, se puede apreciar que para probabilidades desde 0 a 2%, el rango de interés, existen diferencias.

203

Figura N-2: Evolución de la probabilidad de bloqueo debido al canal SDCCH. [8]

N.1.2.3 Capacidad SDCCH para Diferentes Cargas de Tráfico SMS A continuación se revisará como diferentes cargas en el tráfico SMS afectan la capacidad de establecimiento de llamadas del canal SDCCH. La llegada de llamadas y mensajes SMS siguen una distribución de Poisson y estos usan un subcanal SDCCH por 2.8 y 3.5 segundos, respectivamente. Como el tiempo de uso para ambos servicios es similar y siguen una misma distribución estadística, la capacidad de SDCCH depende de su tiempo de uso. Si se asume que hay β llamadas por hora, y α mensajes SMS por llamada, el tiempo de uso por hora del canal SDCCH puede ser expresado como:

Tuso de SDCCH = β ⋅ 2.8 + α ⋅ β ⋅ 3.5 [ s ] Expresión N-1: Tiempo de uso del canal SDCCH por hora, en función de las llamadas y tráfico SMS.

Si la carga de tráfico SMS aumenta en un factor γ, la tasa de llamadas debe disminuir en un factor δ para mantener la probabilidad de bloqueo, con lo cual el tiempo de uso por hora del canal SDCCH queda como en la Expresión N-2.

Tuso de SDCCH =

1

δ

⋅ β ⋅ 2.8 + α ⋅ β ⋅ γ ⋅ 3.5 [ s]

Expresión N-2: Tiempo de uso del canal SDCCH por hora.

Asumiendo que la probabilidad de bloqueo se mantiene igual para el mismo tiempo de uso del canal SDCCH, el factor δ puede ser calculado igualando las expresiones anteriores.

1

δ

= 1+

3.5 ⋅ α ⋅ (1 − γ ) 2.8

Expresión N-3: Factor δ proporcional a la disminución de tráfico de llamadas.

204

La Expresión N-3 sirve para determinar el porcentaje del tráfico de llamadas que debe disminuir si se quiere mantener cierta probabilidad de bloqueo, dado un aumento γ del tráfico de mensajes SMS. Por ejemplo para un cierto valor de α y de γ se puede obtener que 1/ δ es igual a 0.85, lo cual significa que el tráfico de llamadas debe disminuir un 15% para mantener la probabilidad de bloqueo.

N.1.2.4 Capacidad del Canal CCCH El canal CCCH esta compuesto por el RACH, el PCH y por el AGCH. Estos canales son usados para establecer la conexión de los recursos de radio después de la cual la red sigue enviando, a través de estos canales, mensajes de control y señalización de forma transparente para el usuario.

N.1.2.5 Capacidad del Canal RACH En [8] se realizaron simulaciones donde se midió la capacidad del canal RACH en llamadas por hora con distintas probabilidades de bloqueo, en estas simulaciones se aprecia que a medida que se utilizan una mayor número de TS consecutivos para realizar la transmisión de petición de canal, menor es la capacidad del canal RACH.

N.1.2.6 Capacidad del Canal AGCH y PCH Las capacidades de estos canales son directamente proporcionales a los recursos que le son asignados de acuerdo a las simulaciones hechas en [8]. En el caso del canal PCH depende además del método de paging utilizado. Posee dos métodos, el IMSI y el TMSI, en el primero sólo se puede enviar a dos MSs el aviso en un mensaje paging, en cambio con TMSI se puede enviar a cuatro MSs.

N.1.3 Capacidad de Señalización en GPRS/EDGE En EDGE existen dos posibilidades para iniciar la transferencia de paquetes de datos, la primera es utilizando el canal CCCH de GSM o el nuevo incorporado junto con EDGE, PCCH, el cual fue creado para cumplir esta función. A continuación se realiza la revisión de la capacidad de señalización en el caso del uso compartido del canal CCCH.

N.1.3.1 Hipótesis del Tráfico GPRS/EDGE Una primera hipótesis corresponde a que las fuentes de datos transmiten usando una conexión unidireccional TBF (Temporary Block Flow) entre el MS y la red. Los procedimientos de señalización para establecer la conexión TBF, los cuales dependen de la fuente de los datos (MS o red) y la administración de la movilidad del MS. También se consideran los mensajes de informe de medición para la reselección de la celda, porque estos representan un alto porcentaje de la carga de los canales de señalización. No así los mensajes attach, detach, routing area update y mensajes de actualización de celda, porque comparativamente no representan una carga significante.

N.1.3.2 Uso Compartido del Canal CCCH En [8] se llega a la conclusión que el uso compartido del canal CCCH no afecta en gran medida el desempeño de la red GSM, ni aumenta la probabilidad de bloqueo. Se aprecia cierta independencia, esto porque la carga que representan los servicios de voz al canal CCCH es muy baja. 205

En la Figura N-3 se muestra la probabilidad de bloqueo tanto para el servicio GSM como para las sesiones de GPRS, cuando se comparte el canal CCCH.

Figura N-3: Probabilidad de bloqueo para el uso compartido del canal CCCH. [8]

206

O. Comparativa de Cobertura En esta sección se muestran los resultados obtenidos en la cobertura de cada tecnología al modificar las tasas de transmisión de los servicios de Video Streaming y FTP.

O.1 GSM-EDGE. O.1.1 Caso 1 En este caso se obtuvo la mayor cobertura que podría tener una celda soportando todos los servicios. Este escenario necesariamente requiere que las tasas de transferencia de los servicios de FTP y Video Streaming sean las mínimas, 28 [Kbps] y 28.8 [Kbps] respectivamente. Al bajar la carga de la celda al mínimo se logro aumentar la cobertura de cada celda a 350 metros, lo cual significa que son necesarias alrededor de 362 celdas para cubrir el área en estudio y casi 17 cluster 7/21. En la Figura O-1 se muestra un diagrama a escala del despliegue de las celdas.

Figura O-1: Diagrama a escala del despliegue de las celdas en el Caso 1.

Con la cobertura por celda, antes mencionada, se logra dar servicio a 165 usuarios, los cuales presentan la mayor exigencia durante la hora peak del servicio FTP, alcanzando los 898.8 [Kbps]. Se logró determinar esta cobertura después de un balanceo entre la capacidad y el esquema disponible a una determinada distancia. A 350 metros se puede garantizar el uso del esquema MCS-5, el cual es suficiente para la demanda de tráfico mencionada, pudiendo soportar hasta 1034.88 [Kbps]. 207

O.1.2 Caso 2 En este caso se utilizó una tasa de transferencia de 92 [Kbps] para el servicio FTP, mientras que la tasa para el servicio de Video Streaming fue sólo de 28.8 [Kbps]. Con estas condiciones la cobertura de cada celda alcanzó los 230 metros, pudiendo soportar 72 usuarios cuyo tráfico peak ocurría en la hora peak del servicio FTP alcanzando un máximo de 1223.4 [Kbps]. Para este escenario son necesarias alrededor de 831 celdas para cubrir el área en estudio, lo cual es equivalente a aproximadamente 40 clusters 7/21. En la Figura O-2 se muestra el diagrama a escala del despliegue de las celdas en el área de estudio

Figura O-2: Diagrama a escala del despliegue de las celdas en el Caso 2.

En este caso se podía garantizar una esquema MCS-6 hasta 300 metros, lo cual significaba una capacidad de 1256.6 [Kbps], pero la demanda máxima era de 2069.4 [Kbps], entonces se redujo la cobertura hasta encontrar el balance en el cual la demanda máxima de tráfico no sobrepasará la capacidad del esquema MCS-6 en ese escenario. En particular con 230 metros de cobertura la capacidad de la celda con el esquema MCS-6 alcanzó los 1281.1 [Kbps].

208

O.1.3 Caso 3 En este último caso se trabajó con tasas de transferencia relativamente altas, con respecto a los valores establecidos en la comparativa, para los servicios de FTP y Video Streaming. En particular se utilizó un tasa de 64 [Kbps] para el servicio FTP y de 128 [Kbps] para el de Video Streaming. En estas condiciones se logró una cobertura máxima de 270 metros equivalente a 98 usuarios, los cuales generaron la mayor exigencia a la red en la hora peak del servicio FTP alcanzando los 1246.8 [Kbps]

Figura O-3: Diagrama a escala con el despliegue de celdas en el Caso 3.

Dado que cada celda tiene un diámetro de 270 metros son necesarias alrededor de 611 celdas para cubrir el área de estudio, en la Figura O-3 se muestra un diagrama a escala del despliegue de las celdas en donde hay 608 celdas. Al igual que en el caso anterior se iteró hasta encontrar la cobertura máxima, menor a 300 metros, que permitía utilizar el esquema MCS-6 y donde la demanda máxima no superará su capacidad.

209

O.2 WCDMA O.2.1 Caso 1 En el primer caso se encontró la mayor cobertura que podría tener una celda soportando todos los servicios, donde se utilizaron las tasas de transferencia mínimas para los servicios de FTP (28 [Kbps]) y Video Streaming (28.8 [Kbps]). Al bajar la carga de la celda al mínimo sólo se logro una cobertura de 480 metros lo cual significa que son necesarias alrededor de 193 celdas para cubrir el área en estudio y que se debería reutilizar cada par de frecuencias casi 32 veces, considerando el uso de 12 bandas. (Ver los resultados de frecuencia, sección 4.3.2.3).

Figura O-4: Diagrama a escala del despliegue de las celdas en el Caso 1.

En la Figura O-4 se muestra un diagrama a escala del despliegue de las celdas en el área de estudio, donde se puede apreciar gráficamente la diferencia entre este escenario y el original (Ver Figura 4-6). Con una cobertura de 480 metros por celda se logra dar servicio a 310 usuarios los cuales provocan la mayor exigencia a la celda en la hora peak del servicio de Voz llegando a un factor de carga en el enlace DL de 82.73%, que equivale a un tráfico de 2536.72 [Kbps].

210

O.2.2 Caso 2 En el segundo escenario se utilizó una tasa de 92 [Kbps] para el servicio FTP y sólo 28.8 [Kbps] para el servicio de Video Streaming. En estas condiciones la cobertura de cada celda alcanzó los 310 metros pudiendo soportar 129 usuarios, los cuales provocaron el mayor factor de carga en la hora peak del servicio FTP llegando a un 83.26%, lo cual equivale a 2350.2 [Kbps]. Al utilizar celdas de 310 metros de diámetros son necesarias alrededor de 464 celdas, lo cual implica que cada par de frecuencias debe ser reutilizado alrededor de 74 veces. (Ver los resultados de frecuencia, sección 4.3.4.3)

Figura O-5: Diagrama a escala del despliegue de las celdas en el Caso 2.

En la Figura O-5 se muestra el diagrama a escala del despliegue de las celdas en el área de estudio, en particular en la figura hay 460 celdas con una cobertura de 310 metros cada una.

211

O.2.3 Caso 3 Por último se estudio la cobertura que tendría una celda si ofrece los servicios de FTP y Video Streaming a tasas relativamente altas, con respecto a los valores establecidos en la comparativa, 64 [Kbps] para el servicio FTP y 128 [Kbps] para el de Video Streaming. En este escenario se obtuvo que la cobertura máxima, que podía tener una celda sin sobrepasar el límite impuesto para el factor de carga del enlace DL, fue de 350 metros. Con esta cobertura se puede dar servicio a 165 usuarios por celda, los cuales en la hora peak del servicio FTP provocan que el factor de carga llegue a un 80.35%.

Figura O-6: Diagrama a escala con el despliegue de celdas en el Caso 3.

Dado que cada celda tiene una diámetro de 350 metros son necesarias alrededor de 364 celdas para cubrir el área de estudio, en la Figura O-6 se muestra un diagrama a escala del despliegue de las celdas en donde hay 378 celdas, la diferencia se debe a la primera fila, de arriba hacia abajo, donde la mitad de las celdas que la componen están fuera de los 29 Km2.

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O.3 WiFi O.3.1 Caso 1 En el primer caso las tasas de transferencia utilizadas para los servicios de FTP y Video Streaming fueron las mínimas. Con este cambio se obtuvo una cobertura de 120 metros por celda lo cual significó que cada celda entregaba el servicio a 19 personas, las cuales provocaron la mayor exigencia de tráfico durante la hora peak del servicio FTP, llegando a 131.35 [Kbps]. El sistema a una distancia de 120 metros permite un throughput útil de 199 [Kbps], por lo cual no hubo problemas. Al utilizar celdas de 120 metros de diámetro es necesario alrededor de 3095 celdas para cubrir los 29 Km2 del área en estudio.

O.3.2 Caso 2 En este escenario se utilizó una tasa de 92 [Kbps] para el servicio de FTP, mientras que para el servicio de Video Streaming fue sólo de 28.8 [Kbps]. En estas condiciones cada celda podía cubrir 110 metros lo cual se traduce en 16 usuarios y 3683 celdas para cubrir toda el área en estudio. Estos 16 usuarios causaron el mayor tráfico durante la hora peak del servicio FTP llegando a 289.88 [Kbps]. La holgura del sistema fue de alrededor de 43 [Kbps] ya que a una distancia de 110 metros se obtiene un throughput útil de 332 [Kbps].

O.3.3 Caso 3 Por último se estudió el caso en que se utilizaba una tasa de 64 [Kbps] para el servicio de FTP y de 128 [Kbps] para el de Video Streaming. Al igual que en el Caso 2 se obtuvo una cobertura máxima de 110 metros por celda, con lo cual se obtiene el mismo número de usuarios y celdas necesarias para cubrir el área en estudio. La diferencia entre el Caso 2 y el 3 es el tráfico máximo que debe soportar cada celda, en este caso alcanza los 215,8 [Kbps] durante la hora peak del servicio FTP, por lo tanto la holgura en este caso es mucho mayor sobrepasando los 100 [Kbps].

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O.4 WiMAX O.4.1 Caso 1 En el primer caso se utilizó las tasas de transferencia mínimas para los servicios de FTP, 28 [Kbps], y Video Streaming 28.8 [Kbps]. Al utilizar estas tasas la demanda de tráfico disminuye lo suficiente permitiendo aumentar la cobertura de la celda hasta 1.16 [Km], lo cual se traduce a 1809 usuarios que pueden utilizar estos servicios. En la Figura O-7 se muestra el diagrama a escala del despliegue de celdas, en estas condiciones son necesarias alrededor de 33 celdas para poder cubrir toda el área en estudio.

Figura O-7: Diagrama a escala del despliegue de celdas en el Caso 1.

Con esta cobertura de 1809 se obtiene una carga máxima a la hora peak del servicio FTP, el cual llega a 10636.72 [Kbps] en el enlace DL y a 15195.31 [Kbps] en ambos enlaces.

O.4.2 Caso 2 En este caso se trabajó con una tasa de transferencia de 92 [Kbps] para el servicio FTP y de 28,8 para el de Video Streaming. En estas condiciones la cobertura de cada celda puede alcanzar los 690 metros, pudiendo soportar 640 usuarios, cuya mayor exigencia de tráfico ocurre en la hora peak del servicio FTP demandando hasta 16.01 [Mbps]. En la Figura O-8 se muestra el diagrama a escala del despliegue de celdas que se debería hacer para cubrir el área en estudio bajo las condiciones del Caso 2. Dada la cobertura de 690 metros de las celdas son necesarias 93 celdas para cubrir toda el área. Los 640 usuarios que cubre cada celda provocan la mayor exigencia en la hora peak del servicio FTP, llegando a 11207.52 [Kbps] en el enlace DL y a 16010.74 en ambos. 214

Figura O-8: Diagrama con el despliegue de celdas en el Caso 2.

O.4.3 Caso 3 Finalmente en este caso se revisa el escenario en el cual se ofrece los servicios de FTP y Video Streaming con tasas de transferencia altas, pero no las máximas establecidas en la comparativa, es decir, se ofrecerá el servicio de FTP con 64 [Kbps] y el de Video Streaming con 128 [Kbps]. Con estas características la cobertura de cada celda aumenta en comparación con la situación original y el caso 2, llegando a una cobertura de 800 metros por celda la cual se traduce en 861 usuarios potenciales. En este escenario la carga más exigente que debe soportar una celda ocurre en la hora peak del servicio FTP, llegando a un total de 15.93 [Mbps] para ambos enlaces.

Figura O-9: Diagrama con el despliegue de celdas para el Caso 3.

En la Figura O-9 se muestra el diagrama a escala del despliegue de celdas en el área de estudio, donde la cobertura de cada celda es de 800 metros lo cual se traduce en un total aproximado de 69 celdas para poder cubrir toda el área, en particular en la figura se utilizaron 68 celdas. 215

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