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Comunicaciones Móviles 2012/13. Prof: Daniel Ramos. Material generado por Dr. Luis Mendo.
Capítulo 8:
Sistema UMTS
Comunicaciones Móviles: 8
1
1. Origen del UMTS.
Características de la Tercera Generación
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Características de la Tercera Generación
• Gran capacidad
• Variedad de servicios:
– Velocidad binaria elevada: hasta
◦ 144 kbits/s en entornos rurales
◦ 384 kbits/s en entornos suburbanos
◦ 2 Mbits/s en entornos urbanos
– Velocidad binaria variable dinámicamente
– Conmutación de circuitos y de paquetes
• Estructura modular y arquitectura abierta para la
introducción de nuevas aplicaciones
• Seguridad de acceso y confidencialidad
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Origen de UMTS
“Universal Mobile Telecommunication System”
1995
1997
1998
1998
1999
2000
2001
2003
2006
Proyecto europeo FRAMES para selección de método de
acceso múltiple: propuesta con dos modos TDMA y CDMA.
Proceso de selección de tecnologías para UMTS por parte de
ETSI: propuesta con cinco categorías.
Selección de dos tecnologías: WCDMA con FDD y TD-CDMA
con TDD.
Armonización de las dos tecnologías anteriores y la japonesa.
Envío conjunto como candidato para IMT-2000.
Creación de 3GPP y 3GPP2. Armonización de propuestas.
Definición de IMT-2000: cinco modos.
Pruebas no comerciales.
Primeros terminales UMTS/GSM. Explotación comercial.
Comienzo de HSDPA.
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2. Arquitectura de la red UMTS
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Arquitectura general de UMTS
CN
Core Network
Iu
UTRAN
UMTS Radio Access Network
Uu
UE
User Equipment
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Arquitectura de la red de acceso (UTRAN)
Core Network
Iu
Iu
RNS
RNS
Iur
RNC
RNC
Iub
Iub
Node B
Node B
Iub
Node B
Iub
Node B
Uu
UE
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3. Interfaz radio: características generales.
Ensanchamiento espectral.
Canales físicos, lógicos y de transporte.
Estructura de tramas.
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Interfaz radio: características generales
• Componente terrestre: UTRA (UMTS Terrestrial Radio
Access). Está prevista también una componente por satélite.
• UTRA: FDMA/DS-CDMA (“WCDMA”) con FDD y TDD. El
modo FDD está en funcionamiento, el TDD actualmente no.
• Separación entre portadoras: 5 MHz
• Velocidad de chip: 3.84 Mc/s
• Ensanchamiento espectral:
– Códigos de canalización: códigos ortogonales con factor de
ensanchamiento variable (OVSF).
– Códigos de aleatorización: varios tipos de códigos PN.
•
•
•
•
•
•
Modulación: BPSK / QPSK
Estructura de trama temporal (no TDMA)
Potencia máxima del terminal móvil: 21 dBm para voz.
Conmutación de circuitos y de paquetes.
Velocidad binaria variable de forma estática y dinámica.
Traspaso con continuidad (soft) y entre portadoras (hard).
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Bandas de frecuencias
• Modo FDD: bandas “emparejadas”: 12 portadoras para
cada sentido de transmisión
– UL: 1920–1980 MHz
– UL: 2110–2170 MHz.
• Modo TDD: bandas “no emparejadas”: 7 portadoras para
ambos sentidos de transmisión
– 1900–1920 MHz
– 2010–2025 MHz.
• Pueden usarse otras bandas en el futuro.
• UARFCN (UTRA ARFCN): f = 0,2n (MHz).
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Canales lógicos, de transporte y físicos
• Canal lógico: definen el tipo de información enviada
De control / de tráfico
• Canal de transporte: definen el formato de envío
Comunes / dedicados
• Canal físico: frecuencia, secuencias código. Además pueden
distinguirse por división temporal (en DL) o fase I/Q (en UL).
Comunes / dedicados
Asociados a canales de transporte / no.
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Canales lógicos
• De control
– BCCH (Broadcast Control Channel, DL): información
general de configuración de la red
– PCCH (Paging Channel, DL): aviso a móviles
– CCCH (Common Control Channel, DL y UL): otros tipos
de señalización común
– DCCH (Dedicated Control Channel, DL y UL):
señalización dedicada
• De tráfico
– DTCH (Dedicated Traffic Channel, DL y UL): información
dedicada
– CTCH (Common Traffic Channel, DL): información
punto-multipunto
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Canales de transporte
• Comunes
– BCH (Broadcast Channel, DL)
– PCH (Paging Channel, DL)
– RACH (Random Access Channel, UL)
– FACH (Forward Access Channel, DL)
• Dedicado
– DCH (Dedicated Channel, DL y UL)
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Canales físicos
• Asociados a canales de transporte
– P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel):
transmite el BCH
– S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel):
FACH y PCH
– PRACH (Physical Random Access Channel): RACH
– PCPCH (Physical Common Packet Channel): CPCH
– DPDCH (Dedicated Physical Data Channel): DCH, parte de
tráfico
– DPCCH (Dedicated Physical Control Channel): DCH, parte de
señalización (de nivel físico).
• No asociados a canales de transporte
– CPICH (Common Pilot Channel): piloto
– SCH (Synchronization Channel): primario (P-SCH) y
secundario (S-SCH): sincronización
– PICH (Paging Indication Channel): se usa junto con PCH
– AICH (Access Indication Channel): se usa junto con RACH
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Correspondencias
BCCH
PCCH
BCH
PCH
P-CCPCH
S-CCPCH
PICH
DCCH
CCCH
RACH
CTCH
FACH
PRACH
Canales
Lógicos
DCH
Canales de
Transporte
DPDCH DPCCH
Canales
Físicos
AICH
CPICH
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DTCH
SCH
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Trama temporal
No se utiliza como forma de acceso múltiple, sino para:
– Informaciones periódicas (en cada intervalo)
– Modo comprimido (en cada trama)
– Control de potencia (en cada intervalo)
– Multiplexación de DPCCH y DPDCH en DL (en cada intervalo)
– Variación dinámica de tasa binaria (en cada trama)
Supertrama 720 ms
Trama
0
TS
0
Trama
1
Trama
i
TS
j
Trama
71
TS
14
Intervalo: 2/3ms
Trama: 10 ms
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Canales físicos dedicados
• DL:
– Factor de ensanchamiento: 4, 8, 16, …, 512 (chips/símbolo)
– DPDCH y DPCCH multiplexados en el tiempo
– Tasa variable en DPDCH a nivel de trama, mediante
transmisión discontinua.
• UL:
– Factor de ensanchamiento: 4, 8, 16, …, 256 (bits/símbolo)
– DPDCH y DPCCH multiplexados en I/Q (para evitar
interferencia audible cuando no haya DPDCH)
– Tasa variable en DPDCH a nivel de trama, modificando el
factor de ensanchamiento y la potencia.
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Canales físicos dedicados en UL
I
Data
Ndata bits
DPDCH
Tslot = 2560 chips, Ndata = 10*2k bits (k=0..6)
Q
Pilot
Npilot bits
DPCCH
TFCI
NTFCI bits
FBI
NFBI bits
TPC
NTPC bits
Tslot = 2560 chips, 10 bits
Slot #0
Slot #1
Slot #i
Slot #14
1 radio frame: Tf = 10 ms
Pilot: bits piloto (para la demodulación)
TPC (transmit power control): control de potencia en bucle cerrado
TFCI (transport format combination indicator): formato de transporte (para tasa
binaria variable; campo opcional)
FBI (feedback indicator): para diversidad de transmisión (SSDT)
• DPCCH: SF = 256: Tasa binaria = 15 kb/s (BPSK): 10 bits/intervalo.
• DPDCH: SF = 28-k, k = 0,...,6: SF = 256, 128, …, 4:
Tasa binaria = 15, …, 960 kb/s.
Puede haber varios DPDCH en paralelo. No usual.
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Canales físicos dedicados en DL
DPCCH
DPDCH
Data1
Ndata1 bits
TPC
NTPC bits
TFCI
NTFCI bits
DPDCH
DPCCH
Data2
Ndata2 bits
Pilot
Npilot bits
Tslot = 2560 chips, 10*2k bits (k=0..7)
Slot #0
Slot #1
Slot #i
Slot #14
One radio frame, Tf = 10 ms
Pilot: bits piloto
TPC: transmit power control
TFCI: transport format combination indicator
• DPCCH -DPDCH: SF = 29-k, k = 0,...,7: SF = 4, …, 512:
Tasa binaria = 15, …, 1920 kb/s (QPSK).
• Puede haber más canales DPDCH (sin DPCCH) en paralelo. No usual.
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Secuencias código de canalización: OVSF
SF = 8
SF = 4
C8,1=(1,1,1,1,1,1,1,1)
SF = 2
C4,1=(1,1,1,1)
C8,2=(1,1,1,1,-1,-1,-1,-1)
C2,1=(1,1)
C8,3=(1,1,-1,-1,1,1,-1,-1)
C4,2=(1,1,-1,-1)
C8,4=(1,1,-1,-1,-1,-1,1,1)
C1=(1)
C8,5=(1,-1,1,-1,1,-1,1,-1)
C4,3=(1,-1,1,-1)
C8,6=(1,-1,1,-1,-1,1,-1,1)
C2,2=(1,-1)
C8,7=(1,-1,-1,1,1,-1,-1,1)
C4,4=(1,-1,-1,1)
C8,8=(1,-1,-1,1,-1,1,1,-1)
• Son secuencias ortogonales (basadas en las de Hadamard).
• Proporcionan varios posibles factores de ensanchamiento, cada uno la
mitad del anterior.
• Dos secuencias cualesquiera del árbol son ortogonales siempre que
una no descienda de la otra.
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Secuencias código de canalización: OVSF
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Secuencias código pseudoaleatorias
• DL: se utiliza una familia de códigos “largos”, de periodo
38400 chips (10 ms).
• UL: dos opciones:
– Códigos “largos”, de periodo 38400. Son los utilizados
normalmente.
– Códigos “cortos”, de periodo 256. Son más adecuados
para el uso de detección multiusuario en la base.
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Ensanchamiento en UL
cd,1
bd
cd,3
bd
DPDCH1
S
DPDCH3
cd,5
I
bd
DPDCH5
Slong,n o Sshort,n
I+jQ
cd,2
bd
cd,4
bd
cd,6
bd
cc
bc
DPDCH2
DPDCH4
DPDCH6
DPCCH
S
Q
j
Cd,i, Cc: códigos de canalización: reales
slong,n: código de aleatorización largo: complejo
sshort,n: código de aleatorización corto: complejo
bd, bc: factores de ganancia
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Constelación en UL
Constelación antes de aleatorización
Efecto de la aleatorización
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Ensanchamiento en DL
Cualquier
canal físico
excepto el SCH
s/p
+
cch,SF,m
I+jQ
S
Sdl,n
j
G1
G2
S
S
P-SCH
S
GP
Al
Modulador
S-SCH
GS
Cch,SF,m: código de canalización: real
Sdl,n: código de aleatorización, largo: complejo
G: factores de ganancia
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Constelación en DL
Efecto de la aleatorización
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Códigos utilizados en DL
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4. Modulación, codificación, entrelazado.
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Modulación en UL
• BPSK en cada eje I/Q, con ensanchamiento complejo
• Filtrado en coseno alzado con factor de caída (roll-off) 0,22
Ensanchamiento
cd,1
bd
cd,3
bd
Modulación
DPDCH1
DPDCH3
cd,5
bd
cd,2
bd
cd,4
bd
cd,6
bd
cc
bc
Re
S
I
Filtro
p/2
Slong,n
o Sshort,n
DPDCH5
I+jQ
fc
DPDCH2
+
-
Salida
DPDCH4
S
Q
Im
DPDCH6
Filtro
j
DPCCH
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Modulación en DL
• QPSK
• Filtrado en coseno alzado con factor de caída (roll-off) 0,22
Chips Impares
Eje Q
Flujo de
chips
Filtro
p/2
Convertidor
Serie a
Paralelo
fc
Chips Pares
Eje I
+
-
Salida
RF
Filtro
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Codificación de canal
• Código interno, detector: CRC de 8, 12, 16 ó 24 bits
• Código externo, corrector:
– Código convolucional de tasa 1/2 o 1/3 y longitud
(constraint lenght) 9.
– Código turbo de tasa 1/3.
• Entrelazado de profundidad 10, 20, 40 u 80 ms.
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5. Procesos asociados a la
transmisión: control de potencia,
traspaso con continuidad
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Control de potencia
• Bucle abierto: se usa en el PRACH y otros canales
comunes.
• La potencia se calcula a partir de atenuación (medida por el
móvil) y nivel de interferencia (indicado por la base)
• Bucle cerrado: se usa en DPCCH y DPDCH.
• Mide la SIR, compara con la SIR objetivo y envía órdenes
para subir o bajar la potencia.
• Hay dos algoritmos.
• Es efectivo a velocidades del móvil bajas (hasta 30–50 km/h)
• Bucle externo: se usa en conjunción con el cerrado.
• Ajusta la SIR objetivo para garantizar una calidad (BLER)
• Debe ajustarse a cambios en las condiciones de propagación
• Los posibles algoritmos no están estandarizados.
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Algoritmos de bucle cerrado
Los NTPC bits de control de potencia recibidos en cada intervalo se
combinan para obtener una orden de control de potencia.
La potencia varía en un paso constante, determinado por la red.
Hay dos algoritmos:
• Algoritmo 1: la orden indica “subir” o “bajar” la potencia en cada
intervalo.
En traspaso en el UL, el móvil baja la potencia si la orden recibida de al
menos una base es “bajar”.
• Algoritmo 2: cada 5 intervalos,
– si las 5 órdenes son “subir” se sube la potencia;
– si las 5 órdenes son “bajar” se baja la potencia;
– si no la potencia no varía.
En traspaso en el UL, el móvil primero combina las 5 órdenes de cada
base, y con los resultados calcula una media para decidir si sube, baja o
mantiene la potencia.
Pasos posibles: UL: 1, 2, 3 dB. DL: 0,5, 1, 1,5, 2 dB. Usualmente 1 dB.
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Traspaso
• Soft. Entre células o sectores de emplazamientos distintos.
– UL: selección en RNC.
– DL: combinación o SSDT.
• Softer. Entre sectores del mismo emplazamientos.
– UL: combinación en el emplazamiento.
– DL: combinación o SSDT.
• Hard. Puede ser entre portadoras UMTS, o entre sistemas
(UMTS-GSM).
• Se basan en la realización de medidas en el móvil y en la base.
• El móvil envía informes de medidas a la base, bien de manera
periódica o de forma guiada por eventos.
• Los algoritmos de traspaso no están estandarizados. El 3GPP
propone como referencia algunos algoritmos, basados en el
nivel recibido en el canal piloto de cada base.
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Modo comprimido
• Consiste en crear huecos en la transmisión para posibilitar medidas a
otras frecuencias (para traspasos hard)
• Por decisión de la red, se modifica la transmisión durante parte de la
trama, de alguna de estas formas:
– Dividiendo el factor de ensanchamiento entre 2
– Planificación de tráfico por capas superiores a la física
y se suspende la transmisión en el resto de la trama.
• Para mantener la calidad hay que incrementar la potencia durante la
parte activa de la trama.
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6. Protocolos. Servicios.
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Protocolos en la interfaz radio
• Plano de control: protocolos relativos a señalización
Detalle: canales físicos, de transporte y lógicos
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Protocolos en la interfaz radio
• Plano de usuario: protocolos relativos a información de tráfico
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Servicios
• Gran variedad y flexibilidad
• Voz:
– Códec AMR (Adaptive Multirate): varias tasas entre 4,75 y
12,2 kb/s (seleccionables por la red) y tramas SID para DTX
– Código convolucional
– Calidad objetivo: BLER = 1-2%
• Vídeollamada:
– 64 kb/s
– Código turbo
– Calidad objetivo: BLER = 0.1-0.2%
• Datos en modo circuito y en modo paquete
•…
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7. Capacidad en UMTS: cálculo aproximado
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Capacidad en Sistemas CDMA
La estimación de capacidad en CDMA es complicada, debido a:
– Relación entre capacidad y cobertura
– Limitación no rígida
– Múltiples servicios.
Puede hacerse un cálculo simplificado, basado en las
siguientes hipótesis:
–
–
–
–
Enlace ascendente
Carga uniforme
Una sola clase de servicio
Control de potencia ideal sin limitación de potencia transmitida
– Ignora la variabilidad de carga y de propagación.
Los resultados de este cálculo son aproximados (para
estimaciones más realistas debe recurrirse a la simulación).
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Capacidad en Sistemas CDMA
EB W
S
W
S


N0 R S(K  1)  N0W R SK  N0W
N0W
S
W /R
 K
(EB / N0 )obj
Haciendo: S >> N0W: K = Kmax:
Kmax
W /R

(EB / N0 )obj 
W:
ancho de banda
R:
velocidad binaria
S:
potencia en recepción
K:
número de usuarios/célula
:
eficiencia de reutilización:
(Interf. ext.) / (Interf. int.) + 1
:
factor de actividad
EB/N0: energía de bit / densidad
de ruido+interferencia
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Capacidad en Sistemas CDMA
S

(EB / N0 )obj
W /R
(EB / N0 )obj
N0W

N0W 
1  K / K máx
W /R
1
ruido interferencia

1  K / K máx
ruido
X K / Kmax
interferencia

ruido interferencia
: incremento de ruido
(noise floor rise)
: factor de carga
(load factor)
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8. Planificación.
Caracterización del enlace radio.
Balance de enlace.
Comunicaciones Móviles: 8
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Planificación radio
• Planificación de sistemas clásicos: dos aspectos “independientes”:
(a) Balance de enlace: cobertura
(b) Análisis de tráfico y dimensionamiento: capacidad.
• Planificación de sistemas CDMA: más compleja, debido a:
– Limitación por interferencia  (a) y (b) no independientes
– Multiplicidad de servicios, conmutación de paquetes, servicios
asimétricos
Los métodos “clásicos” únicamente proporcionan resultados
aproximados.
Es necesario recurrir a la simulación para evaluar de forma realista
el comportamiento del sistema.
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Planificación radio en CDMA: etapas
1. Planificación aproximada
– Balances de enlace ( atenuación compensable)
– Limitaciones: hipótesis y simplificaciones
– Cálculo de capacidad aproximado
– Relación cobertura-capacidad mediante factores de carga
2. Planificación detallada
– Simulación ( prestaciones de la red)
– Elimina limitaciones de la planificación aproximada
– Resultados más exactos
– Necesidad de software específico
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Caracterización del enlace radio
Tanto en la etapa de planificación aproximada como en
la de planificación detallada es necesario caracterizar
adecuadamente el enlace radio.
La caracterización se hace por medio de un conjunto de
parámetros:
• Relación EB/N0 necesaria
– Ganancia por traspaso con continuidad
• Parámetros relacionados con el bucle cerrado:
– Margen de potencia
– Incremento de potencia transmitida
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48
Ganancia por traspaso respecto a
desvanecimiento por sombra
P recibida
P media
P recibida
P media
margen
margen
umbral
umbral
10% del tiempo
base 1
No traspaso
base 2
seleccionada
Traspaso
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49
Ganancia por traspaso respecto a
desvanecimiento multitrayecto
EB/N0 instantánea
EB/N0 instantánea
EB/N0 media necesaria
EB/N0 media necesaria
tiempo
base 1
No traspaso
base 2
seleccionada
Traspaso
Comunicaciones Móviles: 8
50
Margen de potencia
Potencia transmitida instantánea
Potencia límite, Plím
Potencia media, P
tiempo
Potencia limitada 
EB/N0 instantánea más variable 
degradación de calidad 
se requiere mayor EB/N0 media
tiempo
Comunicaciones Móviles: 8
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Margen de potencia: ejemplo
12
Con control en bucle cerrado
Sin control en bucle cerrado
10
Pmá x-P
8
6
4
2
0
4
5
6
7
8
9
EB/N0 necesaria
Comunicaciones Móviles: 8
10
11
12
52
Incremento de potencia
Sin bucle cerrado
1,5
0,5
1
1,5
0,5
Con bucle cerrado
Ganancia
instantánea
del canal
1,5
Potencia
instantánea
transmitida
2
4/3
2/3
Potencia
instantánea
recibida
1
0,5
• Uso de bucle cerrado de control de potencia  incremento de potencia media
transmitida para lograr una misma EB/N0 media.
• Producido por la correlación (negativa) entre atenuación instantánea y potencia
transmitida instantánea.
• La potencia adicional se invierte en reducir las variaciones de EB/N0 instantánea.
Comunicaciones Móviles: 8
53
Balance de enlace: sentido ascendente
Parámetro
Enlace ascendente
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
P
Q
R
S
T
U
V
W
Régimen binario (bit/s)
Potencia de pico (dBm)
Margen de potencia (dB)
Potencia (media) máxima (dB)
Ganancia de antena TX (dBi)
Pérdidas en transmisor (dB)
PIRE
Ganancia de antena receptora (dBi)
Pérdidas en receptor (dB)
Factor de ruido (dB)
Densidad de ruido (dBm/Hz)
Factor de carga (%)
Incremento de ruido (dB)
Relación EB/N0 necesaria (media) (dB)
Sensibilidad (dBm)
Incremento de potencia (dB)
Margen log-normal (dB)
Ganancia por SHO respecto a desv. por sombra (dB)
Ganancia por SHO respecto a desv. multitrayecto (dB)
Ganancia por diversidad de recepción (dB)
Pérdidas por penetración en interiores (dB)
Atenuación compensable (dB)
a
b
c
d
e
Factor de actividad (%)
Eficiencia de reutilización
Ancho de banda (Hz)
Capacidad asintótica
Usuarios por célula/sector
12200
21
4
17
0
2
17
18
2,5
2
-172
50
3
5,6
-122,5
2
10,2
4
2
2
15
133,8
50
1,6
4,00E+06
114
57
Comunicaciones Móviles: 8
Relación
B-C
D+E-F
-174+J
10 log(1/(1-L))
N+K+M+10 log A
k(L) * sigma
G+H-I-P-Q-R+S+T+U-V
c/A*10^(P/10)/a*100/b
d*L/100
54
Planificación aproximada: limitaciones
La planificación aproximada, basada en balances de enlace,
no tiene en cuenta de manera realista:
• Variación aleatoria de carga
• Interferencia de las demás células
• Variaciones en la EB/N0 necesaria
• Combinación de servicios
• Enlace descendente:
– El factor de reutilización depende de la posición del móvil
– El factor de carga deja de tener sentido
– La potencia transmitida no se reparte por igual entre los
móviles activos, sino que depende de sus distancias.
Comunicaciones Móviles: 8
55
Planificación mediante simulación
Planificación inicial
Modificación
Configuración
de la red
Simulación
Evaluación
Comunicaciones Móviles: 8
Planificación
detallada
56