LABORATORIO DE REDES INALAMBRICAS

INTRODUCCION A PLANEACION

Y RADIO PROPAGACIN EN REDES MOVILES

Dr. Marvin Snchez Garache PhD. in Radio Coommunication Systems

Maestra en Gestin de TIC Universidad Nacional de Ingeniera

Managua, Nicaragua Agosto, 2014

INTRODUCCIN Una parte fundamental en el diseo y despliegue de redes de radio comunicaciones mviles es el planeamiento de la radiocobertura, es decir, asegurar que se recibir la suficiente intensidad de campo dentro del rea geogrfica donde el servicio ser ofrecido. En los primeros das de la radio comunicacin, el planeamiento de cobertura se basaba en reglas de estimacin tales como "entre mayor la potencia radiada mejor" y as, en esos das las redes de radio difusin nacional fueron construidas con transmisores de gran potencia ubicados en localizaciones de gran altura. Conforme el nmero de redes de radio independientes que ofrecan nuevos servicios (desde los sistemas militares hasta la telefona pblica mvil) se incrementaba, se reconoci que la tcnica de la gran cobertura desde un solo sitio usando alta potencia (brute force) no era eficiente ya que el incremento del nivel de interferencia forzaba a que nuevas redes usaran aun ms potencia para dominar sus reas de cobertura conllevando adicionales ineficiencias y conflictos. En la actualidad, el espectro radio elctrico es considerado un recurso natural finito y compartido por todos los pases. Ya que las ondas de radio no se detienen ante lmites fronterizos, el espectro compartido est sujeto a negociaciones internacionales. El espectro total esta dividido cuidadosamente en bandas de frecuencias, y cada banda se reserva para prestar cierto tipo de servicio en uno o ms pases. Adems de la divisin del espectro, se regula de forma estricta la interferencia permitida entre diferentes redes coexistentes a niveles tanto nacionales como internacionales. El presente y futuro indican una demanda creciente por nuevos servicios inalmbricos (existentes y aun por existir) que requieren mucho mayores anchos de banda. Para satisfacer las demandas actuales y futuras de asignaciones de espectro hay dos direcciones complementarias :

1. Extender el uso de este recurso utilizando cada vez mayores rangos de frecuencias utilizables (no-ionizantes)

2. Utilizar de forma ms eficiente los recursos existentes La segunda opcin resulta en aplicar tcnicas de control y supresin del nivel de interferencia con el objeto de maximizar el reuso de frecuencias. El alcance de tales metas debe tenerse en cuenta al disear la cobertura para todo nuevo servicio. El empleo de mtodos de planeamiento de cobertura soportados por computadora, si se utilizan apropiadamente, pueden asegurar que los requerimientos de cobertura se logren utilizando la mnima cantidad de potencia radiada, minimizando a la vez los niveles de interferencia intra-banda e inter-banda de frecuencia (las emisiones out-of-band, al ser seales espurias contribuyen a la contaminacin electromagntica del espectro). As, las redes actuales se caracterizan usualmente por la utilizacin de transmisores dimensionalmente pequeos transmitiendo con la mnima potencia requerida para cubrir un rea geogrfica ptima.

Este laboratorio introducir los principales elementos en el planeamiento de cobertura computarizado empleado en las redes modernas. Principalmente, entender los siguientes aspectos en el diseo: El impacto de los diferentes parmetros de transmisores sobre el rea de cobertura

(patrones de radiacin de antenas, potencia, altura de antenas). Planeamiento de cobertura empleando bases de datos digitales de terrenos. Limitaciones de cobertura por ruido e interferencia. Los ejercicios de este laboratorio se realizan con ayuda de Atoll, introduciendo su utilizacin durante el ejercicio.

I. TRABAJO PREVIO: Leer previamente las tareas de este laboratorio. Leer preferentemente la ayuda sobre la utilizacin de Atoll. II. FUNDAMENTOS BASICOS

Los modelos usados en el presente laboratorio se describen a continuacin. TRANSMISORES Para proporcionar suficiente cobertura, un sistema de radio comunicaciones debe de contener cierto nmero de transmisores distribuidos sobre el rea de servicio. Consideraremos aqu solamente los sistemas que contienen transmisores para el servicio de telefona mvil GSM (en este ltimo solamente se considera la cobertura en el Downlink). Redes de tal tipo se define por el nmero de transmisores y sus respectivos parmetros como son: Identificador del transmisor Localizacin (posicin geogrfica) del transmisor Altura de antena (relativa a la superficie de la tierra) Potencia de transmisin Frecuencia empleada (canales de frecuencia) Patrn de radiacin de antena y Ganancia de antena Direccin de antena (azimuth), inclinacin (Mechanical Tilt & Electrical Tilt). Cada transmisor contribuye a la cobertura total (rea de servicio) con su propia rea de cobertura. El solapamiento entre reas de cobertura no puede evitarse, as, transmisores vecinos deben operar a diferentes frecuencias, de otra forma causarn niveles de interferencia inaceptable. De hecho, la interferencia causada puede ser considerable aun por transmisores colocados en reas no contiguas, de forma que los transmisores de la red deben ser separados tanto en frecuencia como en espacio (distancia). Debido al corto espectro de frecuencia disponible para proporcionar el servicio, es deseable reusar la misma frecuencia en tantos transmisores como sea posible sobre el rea de servicio.

Cuando el nmero de transmisores y todos sus parmetros han sido definidos, el resultado se denomina configuracin de red (algunos operadores y proveedores del servicio de diseo se refieren a esta configuracin de red como RND, Radio Network Design). En este laboratorio se realiza la prediccin de cobertura basado en el canal de broadcast de GSM denominado BCCH (Broad Cast Control Channel), sin embargo, Atoll permite el clculo de Interferencias incluyendo canales de TCH ( Traffic Channels) incluyendo Frequency Hopping.

MODELO DE PROPAGACIN DE ONDAS El planeamiento de cobertura moderno se basa en modelos de propagacin de ondas computarizados para calcular las prdidas de trayectoria desde el transmisor al receptor, tomando en cuenta el perfil del terreno. Las prdidas de propagacin que utiliza Atoll pueden seleccionarse dentro de un set disponible, seleccionables por el usuario. En esta prctica de Laboratorio utilizaremos el modelo de Okumura-Hata para estimar los niveles de recepcin en el rea de cobertura. Otros modelos empleados en redes mviles disponibles y que pueden sintonizarse mediante mediciones de campo son disponibles como el Standard Propagation Model (SPM) el cual es un modelo modificado de Okumura Hata que permite incluir componentes de difraccin por ejemplo el modelo de difraccin de Epstein-Peterson estudiando en el curso de redes inalmbricas. MODELOS DE TERRENO Los clculos computarizados de propagacin de onda hacen posible utilizar informacin detallada sobre el rea de servicio, esta se colecta en una base de datos digital del terreno. La base de datos del terreno contiene informacin topogrfica de altitud con cierta resolucin (~5m 1Km), opcionalmente se incluye informacin morfolgica de datos denominados clutter (rea urbanas, rea suburbanas, rea rural, rea industrial, bosques, agua, etc), e informacin vectorizada (denominada vectors) sobre otros objetos naturales o artificiales tales como carreteras, edificios, aeropuertos, ros, etc. Los mtodos de prediccin de prdidas de radio-propagacin extraen el perfil del terreno entre el transmisor y el receptor a partir de la base de datos del terreno. Adicionalmente, la informacin del tipo de clutter puede emplearse para el clculo de prdidas adicionales y con ello diferenciar una zona con respecto a otra.

La tarea primordial en el planeamiento de cobertura es encontrar una configuracin de red (preferentemente ptima) de todas las configuraciones posibles (tericamente existe un nmero infinito) que satisfaga los requerimientos de cobertura especificados.

LIMITANTES DE SERVICIO Hay dos consideraciones que deben cumplirse con el objeto de proporcionar una adecuada calidad de servicio en una localizacin dada del terreno: La potencia recibida (o intensidad de campo) en la antena del receptor debe exceder un

umbral pre-establecido (esta asociada normalmente con la sensibilidad del receptor).

Razn Seal a Interferencia (SIR o C/I) la cual debe ser mayor que una mnima SIR establecida.

Estos parmetros cuantitativos son especficos del sistema y servicio. En este laboratorio se asume que el receptor posee una antena omnidireccional con una altura de 1.5m y 0dB de ganancia, la cual es el valor por defecto empleado por Atoll. INTERFERENCIA Con el objeto de calcular la Razn seal a Interferencia (SIR), debido a la reutilizacin de canales, se debe de calcular la potencia de la seal recibida por la celda servidora y el nivel de interferencia en el receptor. Hay dos tipos de interferencia encontrados en una red: 1. Auto-interferencia: Causada por transmisores del mismo servicio utilizando la misma

frecuencia o frecuencias adyacentes. 2. Interferencia Externa: Causada por otras redes operando en los mismos rangos de

frecuencia. Hay un tercer tipo de interferencia que debe ser tambin considerado: 3. Interferencia Causada: Es la interferencia causada por nuestra red sobre otras redes. Adicionalmente, en redes celulares, la Auto-interferencia puede ser: Intracell o Intercel interferente. En redes GSM, Intracell interferente ocurre por el uso de canales adyacentes (o si incorrectamente se ha asignado co-canales en el mismo sitio). La Interferencia Intercell puede incluir interferencia de canales adyacentes e interferencia co-canal. MEDIDA DEL GRADO DE COBERTURA El grado de cobertura usualmente se expresa por parmetros estadsticos: Porcentaje de Tiempo: La probabilidad de que los requerimientos de servicio sean

satisfechos en cierta localizacin de receptor por un periodo de tiempo. Porcentaje de localizacines: La probabilidad de que los requerimientos de servicio se

satisfagan durante un porcentaje de tiempo dado calculado sobre el rea de servicio total.

El porcentaje de tiempo es normalmente incluido en los modelos de propagacin, tal que durante el planeamiento de cobertura se enfoca la atencin en el porcentaje de localizaciones, llamada probabilidad de servicio . El complemento de la probabilidad de servicio se denomina probabilidad de corte (outage probability) . El planeamiento de cobertura por computadora predice la probabilidad de servicio verificando que se satisfagan los requerimientos de servicio en un nmero finito de puntos del rea de servicio, as, la probabilidad de servicio se estima por:

En este laboratorio, los requerimientos de servicio se verifican en cada punto del terreno dentro del rea de servicio mediante la huella de la celda mediante la potencia recibida.. PROCESO DE PLANEAMIENTO DE COBERTURA El planeamiento de cobertura de redes de radio usualmente es un proceso iterativo, el cual involucra los siguientes pasos: 1. Definir/ cambiar la configuracin de transmisores en la red. 2. Evaluar la cobertura (probabilidad de servicio). Los pasos anteriores se repiten hasta que una configuracin satisfaga la probabilidad de servicio pre-establecida . En el planeamiento de cobertura interactivo, los cambios de configuracin se realizan manualmente basados en la experiencia o algunas veces en la intuicin. Es posible el planeamiento de cobertura completamente automtico en el cual se deja a la computadora el buscar configuraciones apropiadas tomando en cuenta algunos objetivos de optimizacin. Este laboratorio se concentra en el planeamiento de cobertura interactivo. III. CREACION DEL PROYECTO EN ATOLL La Fig.1 muestra la interfaz grfica de Atoll 3.2

Fig.1. Interfaz Grfica de Atoll 3.2 Antes de iniciar la creacin del proyecto se debe prepara la siguiente informacin: Equipos de Radio: sites, transmitters, antennas, repeaters, feeders, TMA y cualquier otro a ser empleados.

Datos de RF: bandas de frecuencias, parmetros especficos de la tecnologa empleada (e.g. BCCHs en GSM), sistemas de coordenadas, etc..

Datos geogrficos: Para la utilizacin y creacin del proyecto en Atoll debemos contar con la base de altura del terreno (height del DTM), clutter classes, clutter heights, , population maps, etc.

Una vez que se ha colectado esta informacin se puede crear el proyecto en Atoll. En este Lab. se utilizan datos geogrficos para Nicaragua, los cuales se encuentran en la carpeta de Laboratorio MapNicaragua (height, vector & Clutters).. En la informacin de equipos, los patrones de radiacin de las antenas a ser utilizadas en el proyecto son antenas Kathrein que se detallan durante el proceso y se encuentran en la carpeta Antenas. La banda de operacin ser Banda A 1900 (DL:1850-1865/UL:1930-1945) en Nicaragua. Las asignaciones de banda de Nicaragua para PCS 1900 se muestran en la siguiente tabla .

CREACION DEL PROYECTO Se importar la base de datos digital de Nicaragua, con resolucin de 30 metros. Esta base de Datos se encuentra en la carpeta del Laboratorio llamada

1. Cree un nuevo proyecto en Atoll.

Fig.2 Crear New Project from Template. Para usar el template de GSM usar GSM GPRS EDGE:

Fig.3: Seleccin de Template a ser utilizado.

IMPORTACION DE TERRENO DIGITAL

Utilizaremos el terreno Digital de Nicaragua con resolucin 30 metros con proyeccin WGS84. 2. Para indicar la proyeccin seleccionar Documents -> properties. Aparece el cuadro de dilogo mostrado abajo. Presionar el boton a la par de Projection y en find in seleccionar WGS84 UTM zones.

Fig.4: Seleccin de proyeccin WGS84. 2. Para seleccionar la zona UTM, sabemos que Nicaragua se encuentra en la regin

que incluye Latitud 10.6o a 15o Norte y Longitudes entre 83o y 87.8o Oestes. Por tanto, debemos seleccionar UTM zone 16N, la cual se muestra en la figura.

Fig.5: Seleccin de zona UTM en la que se encuentra Nicaragua.

3. Para la muestra de coordenadas, seleccione WGS84 Lat/Lon. 4. Guarde su proyecto, utilizando File-> Save, utilice un nombre apropiado para el

proyecto, ejemplo LabUniNet.atl 6. Para cargar la base de datos del terreno (heights), cutters & vectors:

a. Alturas del terreno: Seleccione File-> import y en la base de datos del terreno localice la carpete MapNicaraguaAtoll y la carpeta de terreno con resolucin 30metros (Map Data_30m) y dentro de esta seleccione la carpeta Heights->HEIGHT COMPLETO -> index.

En el cuadro de dilogo que aparece, seleccione Altitude dado que son alturas del terreno.

Fig.6:Seleccin para Heights. b. Vectores: Seleccione File-> import y en la base de datos del terreno localice

la carpete MapNicaraguaAtoll y la carpeta de resolucion de 30metros ( Map Data_30m), luego seleccione la carpeta vectors->Tab_Nicaragua y seleccione todos los archivos dentro de esta carpeta (Shifht + Cursor para seleccionar los archivos.

c. Clutters: Seleccione File-> import y en la base de datos del terreno localice la carpete MapNicaraguaAtoll y la carpeta de resolucion de 30metros ( Map Data_30m), luego seleccione la carpeta Clutter->CLUTTER COMPLETO-> index. En la caja de dialogos que aparece seleccione Clutter Classes

Fig.7: Seleccin para Clutter Classes.

7. Editando colores de Clutter para localizar poblacin: Es deseable identificar con

colores particulares el uso de algunas reas, por ejemplo poblaciones. Para editar los colores de clutter seleccione la pestaa Geo, luego click derecho sobre Clutter Classes y seleccione Properties.

Fig.8: Properties de Clutter Classes.

Fig.9: Editando colores de Clutters para identificar zonas de poblacin.

8. Guarde el proyecto File -> Save.

ANTENAS DISPONIBLES Y FEEDER En esta prctica utilizaremos las antenas Kathrein 742266V02 (Dualban 850MHz/1900MHz) y la antena Kathrein 84010510 (Dual band 850MHz/1900). Las estaciones base usaran Cable Heliax 1-5/8 tipo LDF-750 que, en la Banda de 1900 MHz, tiene prdidas de 0.05dB/m (las especificaciones indican 1.4dB/100 pies) y las prdidas de los jumpers y conectores en cada extremos de 0.5dB, es decir 1dB total de prdidas en transmisin y en recepcin. Adicionalmente, la longitud total del feeder es 5 metros mayor a la altura de la antena (por ejemplo, si la altura de la antena es 40 metros, la longitud del feeder empleado ser de 45 metros).

9. Definir los parmetros del feeder en nuestro proyecto. Para ello seleccione la pestaa Parameters como se muestra en la figura. Cree las especificaciones para el Feeder 1-5/8 at 1900MHz como se ilustra en la tabla con las prdidas de conectores de 1dB y la atenuacin indicada de 0.05dB/m.

Fig.

10. La figura de Ruido para la BTS se definen en Transmitter Equipment, por defecto se encuentra definido BTS con NF de 4dBs el cual utilizaremos en la creacin de las celdas. Confirme que este tipo de BTS se encuentra definido en su proyecto.

11. Para importar los patrones de radiacin de antena , : a. haga click derecho sobre la carpeta Antennas y seleccione open table como se muestra a

continuacin:

. b. Haga click derecho sobre la tabla y seleccione import y localice en la carpeta del laboratorio

dentro de la carpeta Antennas -> 84010510 para importar los patrones de radiacin de la antena omnidireccional.

c. Aparecer una tabla indicando el mapeo de encabezados identificados por Atoll, asegurese de que cada campo corresponde al parmetro de antena correspondiente como se muestra en la figura para la Ganancia. H-WIDTH corresponde al HPBW Horizontal, lo cual debe seleccionarse.

c. Repita los pasos anteriores para importar la antena 742266V02. CREACION DE SITIOS/ BTS En Atoll una BTS (Base Transmitter Station) consiste de un sitio con uno o ms Transmisores (correspondientes a cada sector) compartiendo las mismas propiedades. La red mvil UNINet tendr los sitios cuya configuracin de RND Bsico se muestra en la Tabla 2. Tabla 2: RND Bsico de la red mvil UNINet SITE NAME SECTOR LATITUDE LONGITUDE DATUM ANTENNA AZIMUTH ET MT HEIGHT Power(dBm) Pista Metro UNI0003A 12.1348889 -86.26916667 WGS84

742266V02 30 2 8 42 46

Centro

Pista Metro Centro UNI0003B 12.1348889 -86.26916667 WGS84

742266V02 150 2 6 42 46

Pista Metro Centro UNI0003C 12.1348889 -86.26916667 WGS84

742266V02 300 2 4 42 46

UNI_BAC UNI0005A 12.121 -86.26288889 WGS84 742266V02 20 2 6 45 46

UNI_BAC UNI0005B 12.121 -86.26288889 WGS84 742266V02 130 2 3 45 46

UNI_BAC UNI0005C 12.121 -86.26288889 WGS84 742266V02 250 3 3 45 46

UNI_UCA UNI0028A 12.1240278 -86.27297222 WGS84 742266V02 60 4 0 30 46

UNI_UCA UNI0028B 12.1240278 -86.27297222 WGS84 742266V02 180 4 0 30 46

UNI_UCA UNI0028C 12.1240278 -86.27297222 WGS84 742266V02 275 4 0 30 46

UNI_Pist Simon Bolivar UNI0037A 12.1333333 -86.27480556 WGS84

742266V02 60 2 9 42 46

UNI_Pist Simon Bolivar UNI0037B 12.1333333 -86.27480556 WGS84

742266V02 170 2 10 42 46

UNI_Pist Simon Bolivar UNI0037C 12.1333333 -86.27480556 WGS84

742266V02 300 2 6 42 46

3. Dado que la banda de operacin es Banda A 1900 (DL:1850-1865/UL:1930-1945), para crear la

configuracin bsica del primer sitio en RadioPlanning toolbar seleccione EGPRS 1800 Urban, la cual ser el template a ser utilizado para crear los sitios.

3. Presione el botn New Transmitter or Station

4. Mueva el cursor cerca de la posicin donde quiere ubicar la BTS en la regin prxima a las coordenadas

de la UNI, cerca de la laguna de Tiscapa en Managua.

5. Para crear la localizacin de un sitio y los parmetros de transmission podemos utilizar la barra de herramientas, pero dado que contamos con el RND de los sitios utilizaremos una plantilla de texto que puede ser importada por Atoll. 6. Dado que las coordenadas en nuestro RND se encuentran en grados decimales, cambiar el formato de

grados en Document_>properties como se muestra en la siguiente figura:

7. Ahora podemos modificar la posicin de la BTS a las coordenadas de nuestro RND. Para ello haga doble

click en el sitio (en el centro) y coloque los datos del RND como se muestra en la figura

8. Como puede apreciarse, cada sector tiene las orientaciones 0,120 240. Para adecuar los parmetros de

cada sector acorde a nuestro RND, expanda la carpeta de Transmitters, esta contiene tres sectores y de dobel click en el sector 1 (tambien puede hacer doble click sobre el sector en el grfico para modificar los parmetros).

9. En la ventana de dialogo modifique la potencia, altura, azimuth y los parmetros de antena a lo indicado

en el el RND, antena 742266V02. Dado que la red opera en la banda A, seleccionar la frecuencia ms proxima a la frecuencia central en el Downlink, 1857.5MHz (ello dado que en Banda A DL:1850-1865/UL:1930-1945). Esto se ilustra en la figura abajo (seleccione aplicar sin salir de la configuracin de las propiedades del transmisor (Note que dejaremos activo este sector, check en Active).

10. Modifique los parmetros de Feeder & TMA a los indicados y presione Commit. La longitud del Feeder es 5m adicionales a la altura como se muestra en la figura.

10. Cambie el Label del sector de UNI0003_1 a UNI003A, como indica el RND.

11. Seleccione el modelo de propagacin a ser empleado por este sector. Para ello seleccione la pestaa

Propagation y configure Okumura-Hata para ser utilizado para el sector , el radio de calculo a 20kms y la resolucin 30m se muestra en la figura. Presione luego aceptar para salir de la configuracin de parmetros.

12. Debemos ajustar los cluster para ser empleados por el modelo de Okumura Hata. Para ello seleccione la

pestaa de Parameters, expanda Propagation Models y haga doble clisk en Okumurta-Hata como se ilustra en la figura.

12. Configure las prdidas a los valores indicados en la figura abajo para los diferentes tipos de cluster.

13. Como puede notar, los sectores se ven oscuros. Para modificar la apariencia del sector seleccione la

pestaa Network y luego transmitters. Haga click derecho sobre transmitters y seleccione Properties. En la pestaa de display configure las propiedades como se muestra en la figura y presione aceptar para que cada sector sea identificado con diferente color.

14. Para realizar la prediccin de cobertura del sector recien configurado, haga click sobre el sector (el sector

debe estar activo), seleccione Calculations -> Create New Prediction.

15. Para la prediccin de cobertura del sector seleccione Covergae by Signal Level(DL), la cual nos

reflejar en nivel de potencia recibido en el Downlink y presione Calculate.

16. Ahora debemos adecuar los rangos de forma que sea mas fcil identificar los rangos de calidad de

recepcin en el rea. Para ello, seleccione en prediccin la prediccin actual, correspondiente a UNI003A para que aparezcan los rangos actuales:

17. Modifique los rangos de forma que reflejen los rangos para cobertura Urban, Suburban & Rural, los cuales definimos en UniNet a los indicados en la figura:

18. Guardaremos esta leyenda de rangos a fin de reutilizarla en los prximos plots. Para ello seleccione

Actions -> display configuration ->Save y guardela con el nombre UniNet_SignalLevels.

19. Repita los procedimientos anteriores para configurar los tres sectores del sitio AN0003 conforme al

RND dado. 20. Una vez configurados los tres sectores, coloque el cursor sobre la carpeta Transmitters y seleccione

Calculations -> create new prediction para predecir la cobertura de los sectores marcados de AN0003.

21. Para utilizar los rangos guardados, en la pestaa display seleccionar Actions, Display Configuration -> load and Apply y seleccione el archivo de rangos guardado previamente (UniNet_SignalLevels) y luego aceptar.

21. En prediccin, localice la el nombre de la prediccin, e.g. Coverage by Signal Level (DL) , haga clic

izquierdo y seleccione Calculate para generar el Plot de prediccin como se muestra en la figura.

22. Agregue todos los dems sectores del RND y genere la prediccin de nivel de potencia recibido en toda

la zona.