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Análisis de interferencias en la interfaz de radio en las
redes de telecomunicaciones móviles de 3ra y 4ta
Generación
Jhon Jairo Sanabria Rodríguez
[email protected]
Carlos Eduardo Zambrano Caicedo
[email protected]
Bogotá, Colombia
Abstract – En este documento se analizan interferencias asociadas
a la interfaz radio en las redes de telecomunicaciones móviles de
3G y 4G, empezando por definir los conceptos involucrados en este
estudio. También se explicará la estructura de dichas redes, para
terminar, concluyendo sobre los efectos en la red y en los usuarios
finales. Utilizando simulaciones que permitirán evidenciar los
efectos estudiados.
Index Term— Interferencia, Co-Canal, Canal Adyacente, Interfaz
radio, NodeB, GPRS, EDGE, UMTS, OFDMA, RSSI
I. INTRODUCCION
El diseño, construcción, puesta en marcha y mantenimiento de
una red de telecomunicaciones móviles celulares supone
numerosos retos a superar para cumplir con la demanda de
nuevos usuarios. Estos retos, han permitido la evolución con
nuevas tecnologías sobre las redes de telecomunicaciones a
diferentes niveles. En el caso de las tecnologías inalámbricas
(Wireless) la capa física hace referencia al espectro radio
eléctrico o interfaz radio por donde viajan las señales que
comunican a los usuarios móviles con el núcleo de la red, y en
esta interfaz también existen retos que superar como son las
interferencias radioeléctricas que afectan las señales entre los
dispositivos móviles y las radio bases de telefonía móvil que
impiden la comunicación entre estas.
II. OBJETIVO GENERAL
Analizar las interferencias que se presentan en la interfaz de
radio de las redes de telecomunicaciones móviles celulares de
3G y 4G.
III. OBJETIVOS ESPECIFICOS
A. Identificar interferencias en la interfaz de radio en las redes
de telecomunicaciones móviles de 3G y 4G.
B. Seleccionar las herramientas de software mediante las
cuales se realizarán los análisis de interferencia.
C. Analizar los resultados obtenidos según la herramienta de
software seleccionada (XIRIO).
D. Identificación de los indicadores clave de rendimiento
(KPIs) relacionados con las interferencias en redes de
telecomunicaciones móviles de 3G y 4G.
E. Describir algunas de las soluciones implementadas para
mitigar el efecto de las interferencias tratadas.
IV. PREGUNTA DE INVESTIGACION
¿Cómo afectan las interferencias en la interfaz de radio en la
calidad de servicio en las redes de telecomunicaciones móviles
celulares de 3G y 4G?
V. HIPOTESIS
Uno de los principales beneficios de las comunicaciones por
medios radiados, es que no están confinados, sino que se
encuentran en un medio inalámbrico extenso en cuanto a su
alcance y cobertura, pero esta misma propiedad los hace
altamente susceptibles a degradación a causa de las
interferencias. Dada esta susceptibilidad y las diferentes fuentes
de interferencia, se supone una alta incidencia de estas en la
calidad de servicio prestada por los operadores a sus clientes
finales.
VI. ESTADO DEL ARTE
A. Análisis actual de las interferencias 3G y 4G:
Algunas de las interferencias que se presentan en las redes
inalámbricas de las radios bases afectan negativamente la
cobertura de transmisión y la capacidad móvil de recibir
información, lo que limita el rendimiento general de la red. A
medida que, aumentan las conexiones inalámbricas, con más
transmisores activos en el espectro radioeléctrico externos a la
red, aumentaran las interferencias que se presentan en las radios
bases.
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De igual manera el espectro es compartido por diferentes
sistemas y servicios tales como:
• Comunicaciones móviles.
• Radios móviles.
• Buscapersonas.
• Redes inalámbricas (Bluetooth, Wifi, etc.).
• Transmisiones de video digital.
• Sistemas sin licenciamiento de la ANE que ocupan el
espectro.
La suma de estas interferencias puede generar en los sistemas
de telefonía celular una o varias afectaciones en la calidad del
servicio prestado.
Para tener una contextualización del problema, el núcleo de
nuestra investigación estará relacionado con la interferencia
que afecta la transmisión del móvil a la radio base (uplink), así
como la transmisión de la radio base al móvil (downlink), como
se puede observar en la (Figura 1).
Fuente: Viavi Solutions Inc. Figura 1. Transmisión y Recepción red celular RBS a cliente
final.
B. Análisis de interferencias
Partiendo de la base anterior, el modelo básico para el análisis
de interferencias que utiliza la industrias es:
1. Detección: Esto se logra con la utilización de métricas o
KPI’s ya definidas, que se comparan con el análisis del
espectro en tiempo real, para saber si una radio base se
encuentra entre los rangos de transmisión deseables.[1]
2. Identificación: Con la detección se puede realizar la
identificación de la señal(es) que interfieren con el
sistema radiante, realizando análisis matemáticos y
estadísticos de la señal espectral tomada anteriormente.[2]
3. Ubicación: Ubicar la causa o el causante de la interferencia
realizando mediciones direccionales, registrando
coordenadas geográficas para triangular el área de
intersección interferente.[3]
En el análisis de interferencia, existen diferentes metodologías
de prueba que permiten monitorear las actividades en el
espectro, el rendimiento de la señal y lo más importantes los
KPI’s o métricas para el análisis anterior. Estas metodologías
pueden ser:
• Análisis de espectro: tradicionalmente es la métrica más
utilizada para identificar interferencias, analizar señales en
el dominio de la frecuencia.
• Espectrograma: una medición que controla el espectro a
través del tiempo, que contiene tres componentes de
medición: potencia de la señal, frecuencia y tiempo de
ocurrencia. Esto con el fin de ver las señales durante un
tiempo específico para hallar interferencias.
• Búsqueda de interferencias: Un indicador de geo-
triangulación basada en tres puntos de medición que
identifican la ubicación geográfica de la señal interferente.
• Análisis de señal: la capacidad de demodular la señal
interferente e identificar con precisión su tipo de
modulación.
Debemos tener en cuenta que la mayoría de las interferencias
son típicamente intermitentes y no tiempos prolongados. Es
decir, que debemos tener la capacidad de analizarlas durante
periodos de tiempo significativos.
Para el caso de las señales que estamos investigando, 3G y 4G,
tenemos que observar cuáles son sus interferencias más
importantes.
VII. MARCO TEORICO
A. Telefonía Celular o Móvil
La telefonía celular es un medio de comunicación inalámbrico
a través de ondas electromagnética. La telefonía móvil consiste
en la combinación de una red de estaciones transmisoras o
receptoras de radio (repetidores, estaciones base) y una serie de
centrales telefónicas de conmutación, que posibilita la
comunicación entre terminales telefónicos portátiles (teléfonos
móviles) y telefonía fija.
La red de telefonía celular se compone de varios elementos:
• El celular o móvil, dispositivo el cual portara el usuario
para su comunicación.
• La red de acceso compuesta por la antena y la estación base
(nodoB/RNC para 3G y enodoB para 4G).
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• La red de agregación (o Backhaul) compuesta por los
dispositivos que componen lo que se suele implementar
por medio de tecnologías "Metro Ethernet" que en
definitiva van sumando tráfico hacia el segmento que
mencionamos a continuación.
• La red de Core, que es el núcleo de esta red (compuesta
por SGSN, GGSN en 3G para datos y MSC para voz -
MME, S-GW para 4G - A su vez por los elementos de
validación y perfilado de usuarios: HLR o HSS, VLR, AuC
y EiR).
En su operación, el teléfono móvil establece comunicación con
una estación base y, a medida que se traslada, los sistemas
computacionales que administran la red van transmitiendo la
llamada a la siguiente estación base de forma transparente para
el usuario. Por eso se dice que las estaciones base forman una
red de celdas, sirviendo cada estación base a los equipos
móviles que se encuentran en su celda.
B. Interfaz Radio
Una interfaz se define como el límite entre dos sistemas o entre
dos partes de un sistema, que asegura la compatibilidad de dos
formatos, funciones, señales o interconexiones en el límite. [4]
La Interfaz de radio o interfaz radioeléctrica, hace parte del
acceso de la red móvil celular justo entre la terminal móvil de
usuario y la estación del proveedor de servicios y permite la
interconexión radioeléctrica (física) entre las dos partes. Esto
sucede gracias a los transductores (antenas) que permiten
convertir señales eléctricas en ondas de radiación
electromagnética, permitiendo el intercambio de información
entre las dos partes.
En términos generales la interfaz radio deben asegurar
funciones como la gestión y control de la conexión extremo a
extremo, la corrección de y control de errores producidos en el
trayecto radio, el control de flujo de transmisión y la facilidad
de diagnóstico sobre mal funcionamiento, También debe contar
con propiedades como la posibilidad de operación multicanal,
realizar el seguimiento de los terminales móviles, asegurar una
tasa baja de errores y un mínimo retardo de transmisión, y
controlar la potencia para ahorrar la batería de los terminales
móviles [5].
A medida que la tecnología móvil celular evoluciona se le
asigna un nombre diferente a la interfaz radio, así para las redes
de segunda generación (2G) o GSM, dicha interfaz se identifica
con el nombre de interfaz Um [6], para las redes de tercera
generación (3G) o UMTS se le da el nombre de interfaz Uu [7]
y en las redes de cuarta generación (4G) o LTE se le conoce
como interfaz E-UTRAN Uu o LTE Uu [8].
C. Interferencia
Una interferencia se define como la perturbación de una señal
deseada provocada por señales interferentes, ruidos o
perturbaciones electromagnéticas.[9] Además, de ser una
degradación producida en la recepción de una señal útil
provocada por una perturbación radioeléctrica.
Es un efecto de una energía no deseada debida a una o varias
emisiones, radiaciones, inducciones o sus combinaciones sobre
la recepción en un sistema de radiocomunicación, que se
manifiesta como degradación de la calidad o perdida de la
información que se podría obtener en ausencia de esta energía
no deseada.
En el reglamento de radiotelecomunicaciones RR de la UIT se
clasifica la interferencia con fines administrativos como:
• Interferencia admisible: Es la observada o prevista que
satisface los criterios medibles de interferencia.
• Interferencia aceptada: Esta es de nivel más elevado
que el definido como interferencia admisible, que ha
sido acordada entre dos o más entidades sin perjuicio
para la otra.
• Interferencia perjudicial: Esta compromete el
funcionamiento del servicio, o que degrada
gravemente.
Y se identifican como:
- Ruido radioeléctrico: El cual es un fenómeno
electromagnético manifestado en la radiofrecuencia y
es susceptible de crear problemas de funcionamiento a
un sistema. Entendiéndose como sistema dispositivos
o equipos.
- Perturbación radioeléctrica: Fenómeno
electromagnético que es susceptible de crear
problemas de funcionamiento a un dispositivo.
Para las redes móviles las interferencias se refieren a la
afectación que se genera entre la Radio Bases y el móvil en la
interfaz aire. Las cuales pueden o no afectar la comunicación
entre ambos. [10]
D. Redes 3G
Las redes de tercera generación (3G), son redes que
caracterizan elementos de un sistema de comunicación móvil
que se basa en especificaciones técnicas de GSM de 3GPP (The
3rd Generation Partnership Project). Esto ha permitido el
mantenimiento y el desarrollo de GSM, con la evolución del
Servicio general de radio por paquetes (GPRS) y las tasas de
datos mejoradas para GSM Evolution (EDGE), así como otros
desarrollos con el Sistema Universal de Telecomunicaciones
Móviles (UMTS) y Alta Velocidad de Acceso de paquetes
(HSPA). 3G aportó una visión global a la evolución de las redes
móviles, con la creación de la familia de sistemas IMT-2000 de
la UIT que incluía las tecnologías de acceso por radio EDGE,
CDMA2000 1X / EVDO y UMTS-HSPA +. [11]
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Su evolución fue desarrollada no solo para descarga de datos
por los usuarios, sino para carga de datos ya que se vio la
necesidad que tenía el usuario de cargar información hacia la
red. Por esta razón nacieron los estándares, High-Speed Packet
Access (HSPA), esta fue una fusión de dos protocolos móviles,
High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) y High Speed
Uplink Packet Access (HSUPA) que extiende y mejora el
rendimiento de las redes de telecomunicaciones móviles de
tercera generación (3G), como son el 3.5G o HSDPA y 3.5G
Plus, 3.75G o HSUPA existentes utilizando los
protocolos WCDMA.
Cu
USIM Domain
Mobile Equipment Domain
Uu Iu
Access Network Domain
[Zu]
Serving Network Domain
[Yu]
Core Network Domain
Home Network Domain
Transit Network Domain
Igualmente a finales del 2008 se lanzó un estándar 3GPP más
evolucionado, Evolved High Speed Packet Access (también
User Equipment Domain
Infrastructure Domain
Fuente: Release 99 3GPP
conocido como HSPA+), posteriormente adoptado a nivel
mundial a partir de 2010. Este nuevo estándar permitía llegar a
velocidades de datos tan altas como 337Kbit/s en el enlace
descendente y 34Kbit/s en el enlace ascendente.
Son las primeras tecnologías en la transmisión de datos y voz
hacia el móvil, la tecnología utilizada y estandarizada fue la
UMTS, la cual está basada en el estándar GSM (Global System
for Mobile) respaldado por los organismos de estándares y
fabricantes del mundo.
UMTS (Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles) se
refiere a la interconexión de un nuevo tipo de Red de Acceso
(AN), la UTRAN (Red de Acceso de Radio Terrestre UMTS),
a la infraestructura adaptada de la red básica (CN) GSM / GPRS
99.
Se describe la red UMTS, utilizando un enfoque de arriba hacia
abajo: la red está dividida lógicamente en varios conjuntos,
desde el aspecto arquitectónico como desde el aspecto de los
protocolos. Desde el punto de vista arquitectónico, los
conjuntos se denominan "dominios" (un dominio es un grupo
de entidades). Desde el punto de vista de los protocolos, los
conjuntos se denominan "estratos" (un estrato es un grupo de
protocolos). Estos principios, introducidos por primera vez en
UMTS, también podrían aplicarse a GSM (y, de hecho, a otros
tipos de red).
No corresponden a ninguna realización concreta en la red, pero
se establecieron principalmente para organizar el trabajo y
permitir que diferentes grupos de personas trabajen en paralelo,
siendo cada uno responsable de uno (o varios) dominio (s) y / o
estrato (un).
Los dominios se muestran en la siguiente figura 2:
Figura 2. Dominios UMTS y puntos de referencia.
Los estratos son:
• El estrato de transporte, que admite el transporte de
datos de usuario y la señalización de control de red
desde otros estratos a través de UMTS. Abarca el
estrato de acceso, que es la parte del estrato de
transporte ubicado entre el nodo de borde del dominio
de la red central de servicio y el MT;
• El estrato doméstico, que contiene los protocolos y
funciones relacionadas con el manejo y
almacenamiento de datos de suscripción y
posiblemente servicios específicos de la red
doméstica;
• El estrato de servicio, que consiste en protocolos y
funciones para enrutar y transmitir datos /
información, generados por el usuario o la red, desde
el origen hasta el destino; y
• El estrato de aplicación, que representa el proceso de
la aplicación en sí, proporcionado al usuario final.
Incluye protocolos y funciones de extremo a extremo
que hacen uso de los servicios proporcionados por el
hogar, los estratos y la infraestructura de servicio y
transporte para apoyar los servicios y / o servicios de
valor agregado.
La conexión entre dominios es una interfaz de red o un punto
de referencia, la conexión entre estratos es una primitiva de
servicio (que puede usar un Identificador de punto de acceso a
servicio estandarizado o puede no estar sujeto a
estandarización), que es interna a un nodo de red. [12]
E. Redes 4G
LTE (Long Term Evolution) o E-UTRAN (Evolved Universal
Terrestrial Access Network), introducido en 3GPP R8, es la
parte de acceso del Evolved Packet System (EPS). Los
requisitos principales para la nueva red de acceso son la alta
eficiencia espectral, las altas tasas de datos pico, el corto tiempo
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de retardo, así como la flexibilidad en frecuencia y ancho de
banda.
Fuente Resumen LTE 3GPP
Figura 3. Red desde GSM hasta LTE.
Tiene una interfaz radioeléctrica basada en OFDMA, además
de contar con la tecnología MIMO (Multiple-input Multiple-
output), fue la mejora de las redes UMTS con la utilización del
protocolo IP que se alcanzaría gracias a la convergencia entre
las redes de cable e inalámbricas. Esto con el fin de realizar
cualquier tipo de tráfico de datos de extremo a extremo con una
buena calidad de servicio (QoS) y de igual forma el tráfico de
voz, apoyado en Voz sobre IP (VoIP) que permite una mejor
integración con otros servicios multimedia.
La red de acceso LTE es simplemente una red de estaciones
base, NodoB evolucionado (eNodeB), que genera una
arquitectura plana (figura 4). No hay un controlador inteligente
centralizado, y los eNodeB normalmente están interconectados
a través de la interfaz X2 y hacia la red central por la interfaz
S1 (figura 4). La razón para distribuir la inteligencia entre las
estaciones base en LTE es acelerar la configuración de la
conexión y reducir el tiempo requerido para una transferencia.
Para un usuario final, el tiempo de configuración de la conexión
para una sesión de datos en tiempo real es crucial en muchos
casos, especialmente en los juegos en línea. El tiempo para una
transferencia es esencial para los servicios en tiempo real donde
los usuarios finales tienden a finalizar las llamadas si la
transferencia demora demasiado.
Fuente Resumen LTE 3GPP
Figura 4. Interfaz X2 y S1 LTE
Para lograr una alta eficiencia espectral de radio y permitir una
programación eficiente tanto en el dominio del tiempo como de
la frecuencia, 3GPP eligió un enfoque de múltiples portadoras
para acceso múltiple. Para el enlace descendente, se seleccionó
OFDMA (Acceso múltiple por división de frecuencia
ortogonal) y para el enlace ascendente SC-FDMA (Portador
único - Acceso múltiple por división de frecuencia) también
conocido como DFT (Transformación discreta de Fourier)
OFDMA (figura 5). [13]
Fuente Resumen LTE 3GPP
Figura 5. OFDMA y SC-FDMA
F. Cobertura y Optimización
El concepto de Cobertura y Optimización de Capacidad (CCO)
ha recibido gran atención debido a su extrema complejidad.
Tradicionalmente, este tipo de optimización se realiza en base
a medidas (Pruebas de manejo) y herramientas de planificación
como los modelos teóricos de propagación. Hay innumerables
consideraciones para tener en cuenta para el CCO, como los
patrones de tráfico, el número de usuarios conectados a la red,
los cambios en el entorno físico y los cambios en el uso del
servicio.
El proceso de optimización automática puede verse como la
búsqueda de los valores más adecuados de los diversos
parámetros en la configuración de la red. En una red real, se
pueden instalar numerosas antenas y funcionar en un área. Por
lo tanto, la tarea de búsqueda puede requerir un gran esfuerzo,
costo y tiempo, debido a la multiplicidad de combinaciones de
configuración posibles (como es el ejemplo de combinaciones
entre inclinación de antena, ángulos de acimut y potencia piloto
transferida). Aun así, debido al acoplamiento de las celdas, los
cambios que se realizan en una celda pueden influir en el
rendimiento observado en el área de las celdas adyacentes. Por
lo tanto, se necesita el uso de algoritmos de optimización
automática, ya que es extremadamente complejo para un
ingeniero tratar manualmente con ese nivel de información.
En el proceso de optimización de la red 3G, hay dos aspectos
diferentes que se pueden distinguir. La primera es la
optimización de RF (Radio Frecuencia), cuyo objetivo es
garantizar la cobertura requerida, evitando problemas de
superposición (interferencia co-canal) y sobre-traslapamiento
(interferencia canal adyacente). El segundo es optimizar los
parámetros del servicio, incluida la configuración de los
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umbrales de control de admisión y congestión, los límites de
transferencia y la potencia máxima de enlace descendente por
conexión. El primer enfoque es el que optimiza mejor la
capacidad y la cobertura, ya que influye directamente en el
diagrama de radiación de la antena y controla los límites de la
celda sin cambiar la relación de señal a ruido.
Otro factor que impulsó la elección de los parámetros de RF fue
el desarrollo del ajuste de inclinación eléctrica remota (RET).
Este es visto como una de las principales herramientas para la
optimización del sistema, ya que, al permitir el manejo remoto,
garantiza grandes ventajas para los operadores móviles.[14]
G. Interferencia Co-Canal
Esta existe cuando una estación móvil o una estación base se
encuentran procesando una llamada usando dos o más canales
de voz con una misma frecuencia en un instante de tiempo, lo
cual generalmente es provocada por el reúso de frecuencias
dentro de un sistema.
Para los sistemas actuales en downlink (desde la radio base
hasta la estación móvil) se recomienda tener una relación
portadora a interferencia C/I mayor a 17dB.
El mínimo valor de C/I también se mantiene teniendo el BER
(Bit Error Rate) de 3% o menos. Si no se logra esta relación, en
la comunicación habrá degradación o se escuchará demasiado
ruido y no se podrá entender el mensaje.
Una de las maneras de solucionar este problema es utilizar una
adecuada distancia de reúso. [15]
H. Interferencia Canal Adyacente
La interferencia de canal adyacente ocurre cuando una estación
móvil o una estación base que se encuentre ocupado un canal
es afectada por otro canal de un grupo de frecuencia con una
separación de tan solo 30 KHz. Es decir, se produce
interferencia de canal adyacente si se asignan, por ejemplo, los
grupos A1 y B1 a dos sectores de una misma celda; o también
cuando se tiene el mismo caso de asignación de frecuencias
entre dos o más sectores de las celdas vecinas definidas.
En Sistemas celulares, la interferencia de canal adyacente es
casi inevitable, pero es preciso que se minimice al máximo con
un adecuado plan de asignación de frecuencias.
La relación de portadora a adyacentes (Carrier to Adjacent,
C/A), es la relación del nivel de señal de la portadora con
respecto al nivel de señal del canal adyacente, medida en la
frecuencia adyacentes.
Los casos de interferencia adyacente analógica se manifiestan
como un crujido (una conversación acompañada de un sonido
fuerte). La interferencia adyacente digital causará envíos
erróneos de datos, y se puede escuchar una distorsión de la voz.
Es preciso mantener una relación de 0 dB de C/A,
principalmente en móviles duales para evitar una mala calidad
de voz en el sistema. [15]
VIII. METODOLOGÍA
Como primer paso se definirán los conceptos de interferencia,
redes de 3G/4G y KPI´s relevantes en el análisis de
interferencias para cada tecnología. Con esta información como
base se podrá iniciar una serie de procedimientos que nos
permita analizar la naturaleza y la importancia de las
interferencias en redes de telecomunicaciones móviles de 3G y
4G.
Con el objeto de plantear este análisis se consideran los
siguientes puntos como parte de la metodología de trabajo.
1. Definir los conceptos relativos a las interferencias de la
interfaz de radio en las redes de telecomunicaciones
móviles de 3G y 4G. basados en las siguientes
interrogantes:
• ¿Qué son las interferencias en la interfaz de radio en
las redes de telecomunicaciones móviles?
• ¿Qué es la interfaz de radio en las redes de
telecomunicaciones Móviles?
• ¿A qué se denomina redes de telecomunicaciones móviles de 3G y 4G?
• ¿Cuáles son los KPI’s relevantes en el análisis de
interferencias de redes 3G/4G.
2. Identificar interferencias de la interfaz de radio en las redes
de telecomunicaciones móviles de 3G y 4G.
3. Modelar y simular con la ayuda del software XIRIO
interferencias en las redes de telecomunicaciones móviles
de 3G y 4G, para analizar la degradación de los KPIs
relativos a estas tecnologías. De acuerdo con el siguiente
procedimiento:
• Modelar y simular una red de telecomunicaciones de
3G y 4G en un área metropolitana ideal sin
interferencias eh identificar los valores de cada uno de
los KPIs.
• Simular los escenarios de interferencia más frecuentes
en las redes de telecomunicaciones.
4. Comparar y analizar los resultados obtenidos entre las
simulaciones realizadas con y sin interferencia en la
interfaz de radio de las redes de telecomunicaciones
móviles de 3G y 4G, basados en los parámetros de los
KPI’s.
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5. Deducir un nivel de afectación en las redes de
telecomunicaciones móviles de 3G y 4G, de acuerdo con el
análisis obtenido como resultado de las simulaciones.
6. Responder la pregunta de investigación y concluir al
respecto de esta.
IX. RECURSOS
Los recursos utilizados en este trabajo serán el software de
simulación XIRIO para el diseño de los escenarios de
interferencia co-canal y canal adyacente en las redes de
telefonía móvil celular de 3G y 4G. Como parte de los recursos
humanos será necesario la dirección académica del director de
proyecto y de las personas involucradas en el análisis y diseño
de los resultados.
X. DESARROLLO
A continuación, se describen las simulaciones realizadas con la
ayuda del software XIRIO, estas simulaciones permitieron
ilustrar algunos de los efectos que producen las interferencias
en la interfaz radio de las redes 3G/4G de telecomunicaciones.
Pese a que se mencionan en este documento varias fuentes de
interferencia, solo se analizaran en este apartado las
correspondientes a las interferencias por canal adyacente y las
interferencias por co-canal, ya que son los escenarios más
frecuentes y también son factibles de realizar en el software
XIRIO.
Para esta simulación se configuran dos escenarios con
interferencia co-canal, uno para redes de telecomunicaciones
móviles de 3G (UMTS) y otro para las de 4G (LTE). También
se configura un escenario de interferencia de canal adyacente
para redes de telecomunicaciones móviles de 3G (UMTS) y no
se realizan estas para las redes de 4G (LTE) ya que las
interferencias por canal adyacente son mitigadas con la
modulación OFDM.
Para el análisis de interferencias se utilizan algunas de las
herramientas del software XIRIO, que permiten utilizar los
indicadores de rendimiento (KPI’s), asociados al manejo de las
interferencias o con alguna de las relaciones respecto a ruido,
las cuales generan mapas de cobertura con tablas de umbrales,
que permiten identificar fácilmente los efectos de las
interferencias en una zona específica.
En esta simulación se usa un método de estudio denominado
por el software XIRIO como cobertura multitransmisor,
permitiendo realizar varios tipos de cálculos como cobertura
radioeléctrica y cálculo de interferencia (C/I) según la
tecnología seleccionada. Con estos elementos se identificarán
los efectos de las interferencias nombradas.
Dentro de los parámetros de configuración usados para los
cálculos de interferencia la herramienta XIRIO utiliza el
método de propagación, estimando el nivel de señal con el cual
los transmisores interferentes actúan sobre el receptor
interferido. Dentro de los resultados obtenidos con la
herramienta serán de especial interés los nombrados a
continuación.
• Nivel de señal: muestra el nivel recibido en cada
punto de un área definida. Esto ayuda a ilustrar los
diferentes niveles de señal en el área de cobertura.
• Solapamiento: muestra el número de transmisores
que proporcionan señal en cada punto del área de
cálculo, de acuerdo con el umbral de recepción
establecido. Lo que permite identificar como el área
de cobertura se traslapa con otras señales.
• Mejor servidor: muestra el transmisor que
proporciona la mejor señal en cada punto del área de
cálculo, entre otras cosas ayuda a identificar la
cobertura de cada sector de la radio base.
Otros de los resultados que permite ilustrar la herramienta son
los referentes a la relación portadora a interferencia (C/I) que
según sea el caso para cada tecnología tendrán un nombre
diferente, algunos de los parámetros mostrados en esta
simulación son:
RSCP: Del inglés (Received Signal Code Power), es un
parámetro de redes de 3G que indica la potencia de la señal
procesada por el móvil y expresada en dBm, es la potencia que
se debe tener en cuenta para estimar los niveles de señal.
Típicamente se utiliza como indicador de la intensidad de señal
y como criterio para juzgar la calidad de la recepción.
RSSI: Del inglés (Received Signal Strength Indicator), y se
define como la medida de la potencia total recibida en símbolos
OFDM que contiene señales de referencia, este parámetro
indica la potencia total recibida teniendo en cuenta la
interferencia y ruido térmico.
RSRP: Del inglés (Reference Signal Received Power), se
entiende como la medida de las contribuciones de potencia de
los recursos elementales que contiene señales de referencia
dentro del ancho de banda considerado.
RSRQ: Del inglés (Reference Signal Received Quality), y es la
relación entre las N estaciones base y el cociente entre el RSRP
sobre el RSSI. Esta medida entrega información adicional
cuando no es suficiente la de RSRP, comparándola con la
potencia total RSSI.
Ec/Io: Del inglés (Energy per-chip to interference power ratio),
termino especifico de redes de 3G (WCDMA) que indica la
relación entre la energía por chip (canal piloto) y la
interferencia en el canal de radio antes de ser recibido por el
receptor. Generalmente expresado en dB.
Eb/N: Del inglés (Bit Energy on the Spectral Noise Density),
se refiere a la energía promedio de una señal por bit, en la
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densidad espectral de ruido. En otras palabras, la energía de bit
respecto al ruido, procesado por el receptor.
PDSCH SINR: Del inglés (Physical Dedicated Shared
Channel), es el canal físico compartido de bajada y tiene como
objetivo la transferencia de paquetes según la relación señal a
ruido (SINR) de los canales descendentes, es otro parámetro
que ayuda a identificar los niveles de interferencia.
Con la información anterior se plantean los siguientes
escenarios:
1. Simulación Interferencia Canal Adyacente 3G (UMTS)
La simulación para canal adyacente plantea los efectos en una
radio base sectorizada con frecuencias sin suficiente separación
espectral, lo que genera solapamiento entre canales creando
interferencia entre ellas, por otra parte, se simulan los efectos
de tener frecuencias en cada sector con distancia suficiente para
no tener este efecto interferente.
En esta simulación se configura un servicio móvil de 3G
(UMTS) con acceso al medio de duplexación por división de
frecuencias (FDD).
Fuente Software XIRIO Figura 6. Simulación XIRIO – 3 Sectores UMTS
Algunos de los parámetros generales que son configurados en
los escenarios planteados para la interferencia por canal
adyacente son: Potencia de señal en la antena transmisora de
30dBm, Frecuencia en los tres sectores de la radio base:
2140MHz y Polarización Horizontal de las antenas
transmisoras.
1.1. Escenario 1: Misma Frecuencia en los 3 sectores
Fuente Software XIRIO
Figura 7. RSCP Celda con 3 sectores UMTS
Fuente Software XIRIO
Figura 8. RSCP Celda sectorizada UMTS
Este resultado nos indica que a nivel de potencia real que
procesa el móvil. En este caso los umbrales están configurados
para determinar que las señales, en color verde claro sean
excelentes si no superan el valor de -90 dBm, en color verde
oscuro se muestran los valores buenos si no superan el umbral
de los -100 dBm y en azul señales que no superan los -110dBm,
este será el límite de sensibilidad del móvil por el cual
determina sus procesos de negociación con una nueva radio
base (handover).
Fuente Software XIRIO
Figura 9. Mejor Servidor UMTS
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Esta grafica se usa para ilustrar las tres zonas de cobertura para
cada una de las celdas de la estación base de 3G, así como para
estimar los sectores con mejor cobertura según la orientación
de cada sector.
Fuente Software XIRIO
Figura 9. Solapamiento UMTS
Los gráficos de solapamiento de señal evidencian los sectores
donde puede tener cobertura más de un sector, en este caso los
tres sectores se traslapan con mayor intensidad en la zona
cercana a la estación base. Este es el primer parámetro que nos
ayuda a entender la importancia de un adecuado plan de
frecuencias, ya que los patrones de radiación de las antenas
suelen solaparse en una misma radio base.
Fuente Software XIRIO
Figura 10. Ec/Io UMTS
Finalmente se muestra el valor de Ec/Io donde se puede ver que
los límites entre los sectores de la radio base tienden a degradar
esta relación, ya que en estos límites la señal de cada sector es
idéntica en frecuencia y en potencia, produciendo interferencia
por canal adyacente.
1.2. Escenario 2: Diferente Frecuencia en los 3 sectores
Para el segundo escenario que tiene como finalidad ilustrar
como se reduce la interferencia por canal adyacente en
contraste al escenario anterior, cuando las frecuencias de cada
sector de la celda tienen un espaciamiento adecuado. Para esto
se usan los mismos parámetros de configuración como la
potencia de señal de 30 dBm y la polarización horizontal, pero
se distribuyen las frecuencias de acuerdo con el servicio móvil
de 3G que tiene anchos de canal de 5 MHz, con esto la
distribución
de frecuencias en cada sector es: Sector X (más hacia el norte):
2140MHz, Sector Y: 2145MHz y Sector Z: 2150MHz.
Fuente Software XIRIO
Figura 11. Ec/Io UMTS
Con este cambio en la distribución de las frecuencias, se puede
ver como el parámetro de Ec/Io mejora notablemente entre los
límites de cada sector de la radio base.
1.3 Escenario 3: Misma Frecuencia en los 6 sectores
Para ilustrar mejor este mismo comportamiento el siguiente
escenario muestra una radio base o nodo B (NodeB) con seis
sectores, con esto se espera obtener mayor interferencia entre
los sectores si es que se usa una misma frecuencia para cada
uno de ellos, así como una mejora en un escenario de
distribución de frecuencias.
Fuente Software XIRIO
Figura 12. Simulación XIRIO – 3 Sectores UMTS
Para no adicionar variables nuevas a la simulación se tomarán
las mismas configuraciones previas con potencia de señal de
30dBm, polarización horizontal y frecuencia de 2140MHz en
los seis sectores.
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Fuente Software XIRIO
Figura 14. Mejor Servidor UMTS
Fuente Software XIRIO
Figura 15. Solapamiento UMTS
En los resultados de solapamiento ya se puede evidenciar un
efecto negativo si se usa una sectorización de celdas mayor a
tres, si es que las frecuencias fueran las mismas, se entiende que
esto no sucede en una red real, pero se expone para poder
ilustrar mejor los efectos de la interferencia por canal
adyacente.
Como resultado final la gráfica de Ec/Io, muestra valores
superiores a -10 dB (amarillo), lo que denota valores muy altos
de interferencia, en este caso por los canales adyacentes que
están en la misma frecuencia.
1.4. Escenario 4: Diferente Frecuencia en los 6 sectores
Finalmente se realiza una distribución adecuada de frecuencias
en cada sector así: Sector X1: 2140MHz, Sector X2: 2145MHz,
Sector X3: 2150MHz, Sector X4: 2155MHz, Sector X5:
2160MHz y Sector X6: 2165MHz.
Fuente Software XIRIO
Figura 17. Ec/Io UMTS
La grafica de Ec/Io muestra de nuevo como la zona de
cobertura tiene mejores valores de la relación de energía de los
canales pilotos versus la interferencia, esto gracias a que al
distribuir las frecuencias reduce la interferencia de los canales
adyacentes.
Fuente Software XIRIO
Figura 16. Ec/Io UMTS
Fuente Software XIRIO
Figura 13. RSCP Celda con 6 sectores UMTS
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2. Simulación Interferencia Co-Canal UMTS
Para este análisis de interferencia co-canal, se utiliza la misma
configuración de radio base, con distribución de frecuencias
entre sectores de una misma radio base, y se adiciona una nueva
radio base también con distribución de frecuencias, pero entre
cada estación base. Uno de sus sectores tendrá solapamiento de
señal y tendrá la misma frecuencia. Es decir, la distancia de
rehusó entre radio base no es la suficiente, lo que deberá
provocar problemas por interferencia co-canal.
Fuente Software XIRIO Figura 18. Simulación XIRIO – 2 Celdas UMTS
2.1. Escenario 1: Celdas con distancia de rehusó adecuado
Este primer escenario tiene el objetivo de validar los efectos de
interferencia si los sectores co-canal no están orientados en la
misma dirección (enfrentados).
Fuente Software XIRIO
Figura 20. Solapamiento con distancia de rehusó UMTS
Fuente Software XIRIO
Figura 21. Mejor servidor con distancia de rehusó UMTS
Las gráficas de solapamiento y mejor servidor muestran que los
sectores rojo y naranja (co-canal) no están enfrentados, lo que
supone tener poca o nula interferencia co-canal.
Fuente Software XIRIO
Figura 22. Ec/Io con distancia de rehusó UMTS
Los valores de Ec/Io muestran valores aceptables en la zona de
estudio, luego se confirma la nula interferencia entre sectores.
Fuente Software XIRIO Figura 19. RSCP con distancia de rehusó UMTS
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Finalmente, la energía de bit en relación con el ruido en el
receptor muestra como los valores de buena calidad cercanos a
la radio base no son interferentes.
2.2. Escenario 2: Celdas con menor distancia de rehusó
celdas con diferente frecuencia.
En este escenario se usa una distribución de frecuencias tal, que
los sectores enfrentados en su orientación no tienen la misma
frecuencia así, Celda inferior izquierda, sector 1, 45°,
frecuencia 2140 MHz y Celda Superior derecha, sector 3, 225°,
frecuencia 2155 MHz. También se reduce la distancia de rehusó
para poder verificar los efectos de la interferencia.
Fuente Software XIRIO
Figura 24. RSCP con menor distancia de rehusó UMTS
Esta grafica de mejor servidor muestra como los dos sectores
mencionados (Naranja y Café) tiene solapamiento y están
orientados en la misma dirección.
Fuente Software XIRIO
Figura 27. Eb/N con menor distancia de rehusó UMTS
La simulación evidencia que pese al solapamiento existente
entre las coberturas de cada sector no hay degradación de la
energía por bit en el receptor, a causa del ruido interferente, esto
se supone que sucede por manejar diferentes frecuencias, pero
se corrobora en el siguiente escenario.
2.3. Escenario 3: Celdas con menor distancia de rehusó y
sin plan de frecuencias
Para este escenario se busca simular el efecto contrario al
escenario anterior, ubicando la misma frecuencia en los
sectores enfrentados así, Celda inferior izquierda, sector 1, 45°,
frecuencia 2140 MHz y Celda Superior derecha, sector 3, 225°,
frecuencia 2140 MHz
Fuente Software XIRIO
Figura 26. Mejor servidor con menor distancia de rehusó
UMTS
Fuente Software XIRIO
Figura 23. Eb/N con distancia de rehusó UMTS
Fuente Software XIRIO
Figura 25. Solapamiento con menor distancia de rehusó
UMTS
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De nuevo la gráfica de mejor servidor muestra el solapamiento
de los dos sectores, semejante al escenario anterior.
Fuente Software XIRIO
Figura 29. Eb/N sin plan de frecuencias UMTS
Finalmente, en este caso el Eb/N perite apreciar que los valores
en la zona común entre los sectores del estudio se degradan al
punto de tener valores superiores a los 5dB, en cuyo caso los
umbrales configurados descartan buena recepción de señal,
producto de la interferencia co-canal.
3. Simulación Interferencia Co-Canal LTE
Para terminar las simulaciones con la herramienta XIRIO, se
crean los escenarios de Co-canal para la tecnología de 4G
(LTE) en redes de telefonía móvil celular. Con esto se busca
encontrar una semejanza en los efectos de la tecnología de 3G
(UMTS).
3.1. Escenario: Celdas con menor distancia de rehusó
El escenario para la tecnología de 4G (LTE) es similar al diseño
realizado en los escenarios de 3G (UMTS), ya que la
interferencia co-canal se reproduce en las mismas condiciones.
Por esto el diseño se plantea así: Celda A, orientación 45°,
Sector 1, Frecuencia 2655 MHz, Celda B, orientación 225°,
Sector 3, Frecuencia 2655MHz. Los demás sectores tienen
frecuencias diferentes, para que permitan evaluar el efecto de
interferencia solo en los sectores enfrentados.
Para la tecnología de 4G (LTE) se utilizan los valores de RSRP,
similares al RSCP de 3G, estos indican los niveles de señal en
la zona de estudio, siendo los tonos de verde las señales de
mejor calidad.
Fuente Software XIRIO
Figura 31. Mejor Servidor con menor distancia de rehusó
LTE
La grafica de mejor servidor muestra el solapamiento de señales
entre los sectores de interés en este estudio (co-canales).
Fuente Software XIRIO
Figura 32. RSSI con menor distancia de rehusó LTE
El RSSI es un valor importante en 4G (LTE) ya que indica la
potencia total recibida, incluyendo el ruido, en esta grafica se
puede ver que en la zona de interés hay espacios donde esta
relación se degrada.
Fuente Software XIRIO
Figura 30. RSRP con menor distancia de rehusó LTE
Fuente Software XIRIO
Figura 28. Mejor servidor sin plan de frecuencias UMTS
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Fuente Software XIRIO
Figura 33. PDSCH SINR con menor distancia de rehusó
LTE
Finalmente, la gráfica de los canales físicos de bajada muestra
el efecto más visible de la interferencia co-canal, donde la
transferencia de paquetes es afectada por la interferencia del
canal.
XI. CONCLUSIONES
El ejercicio de crear diferentes escenarios en la herramienta
XIRIO, nos permitió ilustrar el desempeño de algunos
parámetros de rendimiento en redes de telefonía móvil celular
de 3ra y 4ta generación, bajo con los efectos que causan las
interferencias en la interfaz aire (co-canal y canal adyacente).
La alta capacidad de parametrización que ofrece la
herramienta XIRIO, no solo para análisis de interferencias,
sino también para análisis de capacidad, cobertura, tráfico, de
elementos radiantes y cobertura multitransmisor, para
diferentes tipos de servicios móviles, fijos, de televisión y
punto a punto (microondas). Esta gama de posibilidades
permite realizar parametrizaciones con un alto detalle de
configuración el cual hace posible los resultados de alta
calidad y fidelidad.
Las interferencias más frecuentes y de mayor impacto en las
redes de telecomunicaciones móviles son las de canal adyacente
y co-canal. Por esta razón, la industria hace un gran esfuerzo
por mitigarlas. Desde la parte de planeación hasta la puesta en
marcha. Algunas de ellas son la modulación OFDMA, que en
redes de 4G eliminan la interferencia canal adyacente
(intracelular), el ICIC (en sus siglas en ingles Inter-Cell
Interference Coordination) que regula dinámicamente la
interferencia co-canal, el adecuado plan de frecuencias y la
distancia de reúso.
Con las simulaciones realizadas se pudo reproducir los efectos
negativos de la interferencia co-canal y canal adyacente en la
interfaz radio de las redes de telecomunicaciones móviles,
especialmente en los parámetros que relacionan la potencia útil
de una señal deseada versus las señales interferentes de otra
celda, de otro sector o incluso del ruido inmerso en la interfaz
radio.
Los efectos negativos de la interferencia son muy visibles en
parámetros como el Ec/Io y Eb/No y en cualquier relación de
energía y/o potencia, así como en los canales físicos de bajada
y de subida, incluso en el ancho de banda y velocidad de
descarga (parámetros no medidos en la simulación), pero que
tienen directa influencia sobre la calidad de los servicios que
reciben los usuarios finales de estas redes.
Gracias a las simulaciones se pudo demostrar que la influencia
de las interferencias en la interfaz radio repercuten
directamente en la calidad del servicio prestado por los
operadores a los usuarios finales, también queda claro que la
interfaz aire es un medio de transmisión altamente susceptible
a interferencias no solo propias del diseño de la red móvil
celular, sino también de cualquier elemento que un momento
tenga la frecuencia y potencia suficientes para sumarse al
ruido de interferencia y degradar la calidad de la señal
deseada.
XII. BIBLIOGRAFIA
[1] [2] [3] Interference Análisis Aplicación Note, Autor Eduardo Inzunza el 8/07/2016 VIAVI Solutions.
[4] Recomendación UIT-T B.13
[5] Libro Telecomunicaciones Moviles/Marcombo/2da Edición
[6] Libro Wireless Communications – Molish (Pg 589)
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/UMTS#Air_interfaces
[8] Libro LTE Fundación Vodafone (Pg 63)
[9] Reglamento de Radiocomunicaciones (Pg 23)
[10] Recomendación UIT-T V.573-5 Términos y definiciones. (Pg. 17)
[11] https://www.3gpp.org/about-3gpp
[12] Revisión del Release 99 3GPP,3gpp
[13]https://www.3gpp.org/technologies/keywords-
acronyms/98-lte [14] Interference Detection and Reduction in 3G/4G Wireless Access Network, Autor Ana Catarina Galveia Gomes Instituto Superior Técnico, University of Lisbon, Portugal
[15] Diseño y planificación de cobertura celular digital para la Ciudad de Baño-Tungurahua. Jorge Santiago Paz Molina
