Projecto de uma rede celular de terceira geração Comparação entre UMTS850 e UMTS2100

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Projecto de uma rede celular de terceira geração Comparação entre UMTS850 e UMTS2100 Joaquim Silva VERSÃO PROVISÓRIA Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Major Telecomunicações Orientador: Prof. Dr. Mário Jorge Leitão Co-orientador: Eng. Paulo Jesus Junho de 2010

2 Joaquim Silva, 2010 ii

3 Resumo Numa fase inicial de lançamento comercial de uma rede celular espera-se uma taxa de penetração reduzida. Assim, no caso de uma rede celular de terceira geração privilegia-se nesta fase a cobertura em detrimento da capacidade da rede. Por outro lado pretende-se que o número de sites seja reduzido para reduzir o investimento inicial necessário. O trabalho desenvolvido nesta dissertação prende-se com a verificação prática das vantagens da utilização de diferentes bandas de frequência na interface rádio (850 MHz/2100 MHz) em redes celulares de terceira geração em termos de cobertura versus capacidade da rede e em termos do número de sites necessários para obter o mesmo desempenho. O caso de estudo é a cidade da Praia em Cabo Verde que ainda não dispõe de rede celular 3G. Foi efectuado um estudo de pré-dimensionamento da rede UTRAN com base no tráfego esperado e partindo desse pré-dimensionamento efectuou-se um planeamento da rede para UMTS2100. A mesma rede com a mesma configuração foi simulada para UMTS850 e a partir dos resultados obtidos comparou-se o desempenho de ambas as redes. Foi ainda comparado o desempenho para outras configurações da rede, nomeadamente em termos de número de sites utilizados. iii

4 iv

5 Abstract At an earlier stage of the commercial launch of a cellular network, a small penetration ratio is expected. Thus, in the deployment of 3G cellular networks the coverage at the expense of network capacity is privileged. On the other hand, while trying to decrease the initial investment required, it is intended that the number of sites is reduced. The work developed in this dissertation aims to practically verify the advantages in using different frequency bands at the interface radio (850th MHz/2100 MHz) in 3G cellular networks. The advantages are analyzed in terms of coverage versus network capacity and the number of sites needed to achieve the same performance. The case study is the city of Praia in Cape Verde which does not have yet a 3G cellular network. A pre-dimensioning study of the network UTRAN based on the expected traffic was conducted and building of pre-dimensioning was carried out for UMTS2100 network planning. The same network with an identical configuration was simulated for UMTS850, followed by the comparison between the performances of both networks based on the obtained results. The performance for different network settings was also compared in terms of site s number. v

6 vi

7 Agradecimentos Aos meus pais, irmã e namorada. vii

8 viii

9 Índice Resumo... iii Abstract... v Agradecimentos... vii Índice... ix Lista de figuras... xi Lista de tabelas... xiv Abreviaturas... xvi Capítulo Introdução Motivação Objectivos Organização do documento... 2 Capítulo Redes Celulares Introdução Visão geral e normalização Estado da arte e evolução Conceitos Básicos de UMTS Cobertura e link budget Capacidade Propagação rádio UMTS850 versus UMTS Planeamento celular Capítulo Pré-planeamento da rede Introdução Parâmetros de entrada Distribuição do tráfego Determinação do link budget Determinação da carga da rede Resultados do dimensionamento ix

10 Capítulo Resultados do planeamento e optimização da rede Introdução Processo de simulação Planeamento e simulação da rede Estudo comparativo UMTS850 versus UMT Optimização e auto-sintonia Capítulo Conclusões Revisão do trabalho desenvolvido Resultados e conclusões relevantes Trabalho futuro Referências x

11 Lista de figuras Figura Arranjo de frequências da principal banda utilizada em UMTS [11]... 9 Figura 2.2 Alocações de espectro para UMTS em todo o mundo [9] Figura Arquitectura da rede UMTS Figura Code Division Multiple Access (CDMA) [12] Figura 2.5 Princípio de WCDMA [9] Figura Espalhamento espectral e ganho de processamento [9] Figura Multi-percurso e influência no atraso e na potência [13] Figura 2.8 Soft e Softer handover em WCDMA [2] Figura Efeito cell breathing [9] Figura Link Budget UMTS [9] Figura Ganho de processamento [9] Figura Margem de interferência em função da carga [9] Figura Distribuição normal do desvanecimento do sinal [9] Figura Margem de desvanecimento rápido de potência [9] Figura Distribuição da potência pelos canais no Nó B Figura Figura de mérito cobertura versus capacidade [9] Figura Sinal recebido num terminal [9] Figura Etapas do processo de planeamento de uma rede celular [4] Figura Processo de simulação no módulo 3G da Enterprise [23] Figura Pacotes numa sessão de dados [23] Figura Parâmetros 3G das células xi

12 Figura 3.3 Principais parâmetros da antena utilizada na banda dos 850 MHz Figura Principais parâmetros da antena utilizada na banda dos 2100 MHz Figura Área a planear Figura Distribuição da zona a planear por tipo de clutter Figura Curvas de nível da zona a planear Figura Resultado do tráfego espalhado do serviço HTTP64/64 (Terminais/Km 2 ) Figura Resultado do dimensionamento da rede Figura Parâmetros de configuração das simulações Figura Exemplo de cálculo da inclinação das antenas Figura Configuração de sites obtida para a distribuição de terminais D Figura Melhor célula servidora por portadora Figura Carga das células em UL Figura Strength do canal de piloto Figura Cobertura do canal de piloto Figura Potência média recebida Figura Densidade espectral de potência de ruído média Figura E c /I o do canal de piloto Figura Melhor célula servidora do serviço HTTP64/ Figura Probabilidade de cobertura do serviço HTTP64/ Figura Razão de falha do serviço HTTP64/ Figura Probabilidade de falha devido a baixo SIR do canal de piloto do serviço HTTP64/ Figura Probabilidade de falha devido ao E b /N o em UL do serviço HTTP64/ Figura Probabilidade de falha devido ao E b /N o em DL do serviço HTTP64/ Figura Path Balance do serviço HTTP64/ Figura Probabilidade de Soft HO do serviço HTTP64/ Figura Probabilidade de Soft HO do serviço HTTP64/ Figura Tamanho médio do Active Set do serviço HTTP64/ Figura Tipo mais provável de HO do serviço HTTP64/ Figura Melhor célula servidora do serviço HTTP64/ xii

13 Figura Probabilidade de cobertura do serviço HTTP64/ Figura Razão de falha do serviço HTTP64/ Figura Probabilidade de falha devido ao E b /N o em DL do serviço HTTP64/ Figura 4.26 Path Balance do serviço HTTP64/ Figura 4.27 Melhor célula servidora por portadora para UMTS Figura Cobertura do canal de piloto para UMTS Figura Densidade espectral de potência e ruído média para UMTS Figura E c /I o do canal de piloto para UMTS Figura 4.31 Melhor célula servidora do serviço HTTP64/384 e para UMTS Figura Probabilidade de cobertura do serviço HTTP64/384 para UMTS Figura Razão de falha do serviço HTTP64/384 para UMTS Figura Curvas da área de cobertura Figura Curvas da probabilidade de serviço Figura 4.36 Curvas da probabilidade de falha Figura 4.37 Curvas da probabilidade de falha para as principais causas Figura Configuração da rede e áreas de dominância para 8 sites Figura Configuração da rede e áreas de dominância para 11 sites Figura Curvas da área de cobertura em função do número médio de utilizadores por célula para diferentes configurações Figura Curvas da probabilidade de serviço em função do número médio de utilizadores por célula para diferentes configurações Figura Número médio de poluidores do canal de piloto para UMTS Figura Número médio de poluidores do canal de piloto para UMTS Figura Curvas da probabilidade de serviço em função do número total de utilizadores para diferentes configurações Figura Controlo de admissão de chamadas baseado na interferência Figura Representação conceptual da reserve de capacidade para serviços NRT [1] xiii

14 Lista de tabelas Tabela 2.1- Arranjo de frequências na banda MHz [11] Tabela Arranjo de frequências na banda MHz [11] Tabela Classificação de UE por potência transmitida [9] Tabela E b /N 0 requerido em UL e DL para diferentes serviços (valores obtidos com base em [1]) Tabela Valores típicos do desvio padrão do desvanecimento de potência Tabela Limites mínimos de potência do canal de piloto [9] Tabela Valores típicos do little i para diferentes configurações e diferentes ambientes [9] Tabela Redução do número de BSs utilizando UMTS900 [19] Tabela BPL como função decrescente da frequência [9, 20] Tabela BPL como função crescente da frequência [9, 20] Tabela 3.1 Modelo de tráfego e QoS por serviço e por ambiente Tabela 3.2 Parâmetros de entrada de cada serviço (modelo de tráfego) Tabela Parâmetros 3G dos terminais Tabela Constantes K do modelo de propagação Tabela Portadoras utilizadas no simulador Tabela Atribuição de cada tipo de clutter a um ambiente Tabela Distribuição de terminais por serviço Tabela Distribuição de pesos por clutter Tabela Probabilidade de cobertura objectiva por serviço Tabela Cálculo ilustrativo do Link Budget para serviços PS64/384 e para UMTS Tabela Resultados do Link Budget para os vários serviços e diferentes ambientes para UMTS xiv

15 Tabela Cálculo ilustrativo do Link Budget para serviços PS64/384 e para UMTS Tabela Resultados do Link Budget para os vários serviços e diferentes ambientes para UMTS Tabela Determinação do número de Nós B necessários Tabela 4.1 Resultados de probabilidade de serviço e razão de falha para UMTS Tabela Resultados de probabilidade de serviço e razão de falha para UMTS Tabela 4.3 Área de cobertura para UMTS2100 e UMTS Tabela Distribuições de tráfego consideradas nas simulações Tabela 4.5 Probabilidade de falha para as diferentes células Tabela Área de cobertura com a configuração de 8 sites e para UMTS2100 e UMTS Tabela 4.7 Resultados da probabilidade de serviço com a configuração de 8 sites Tabela Área do polígono em que o número médio de poluidores do canal de piloto é superior a Tabela 4.9 Acções de controlo do canal de piloto [27] xv

16 Abreviaturas 1G 2G 3G 3GPP 4G AS ATM AuC BER BLER BPL BS CAPEX CCCH CDMA CEPT CN C-Netz CPICH CS DL DPCH DS-CDMA EIR ERC ETSI E-UTRAN FDD First Generation Second Generation Third Generation 3rd Generation Partnership Project Fourth Generation Active Set Asynchronous Transfer Mode Authentication Centre Bit Error Rate Block Error Rate Building Penetration Loss Base Station Capital Expenditure Common Control Channel Code Division Multiple Access European Conference of Postal and Telecommunications Administrations Core Network Funktelefonnetz-C Common Pilot Channel Circuit Switch Downlink Downlink Dedicated Physical Channel Direct Sequence CDMA Equipment Identity Register European Radiocommunications Committee European Telecommunications Standards Institute Evolved UTRAN Frequency Division Duplex xvi

17 FDMA FER FOMA GGSN GMSC GPRS GSM HARQ HLR HO HSDPA HSUPA IMS IP ITU KPI LAN LB LOS LTE MBMS MDC MIMO MSC NF NLOS NMT NRT OPEX OVSF PCPICH PDC PL PS PSK PSTN QAM QoS Frequency Division Multiple Access Frame Error Rate Freedom of Mobile Multimedia Access Gateway GPRS Support Node Gateway Mobile Switching Centre General Packet Radio Service Global System for Mobile Communications Hybrid Automatic Repeat-request Home Location Register Handover High-Speed Downlink Packet Access High-Speed Uplink Packet Access IP Multimedia Subsystem Internet Protocol International Telecommunication Union Key Performance Indicator Local Area Network Link Budget Line-of-Sight Long Term Evolution Multimedia Broadcast and Multicast Services Macro Diversity Combining Multiple-Input and Multiple-Output Mobile Switching Centre Noise Figure Non-LOS Nordic Mobile Telephone Non-Real-Time Operational Expenditure Orthogonal Variable Spreading Factor Primary Common Pilot Channel Personal Digital Cellular Path Loss Packet Switch Phase Shift Keying Public Switched Telephone Network Quadrature amplitude modulation Quality of Service xvii

18 RAN RNC RRM RSCP RSSI RT SGSN SIM SIR SIR SMS TACS TDD TDM TDMA UARFCN UE UL UM UMTS USIM UTRAN VLR VMS VoIP W-CDMA Radio Access Network Radio Network Controller Radio Resource Management Received Signal Code Power Received Signal Strength Indicator Real Time Serving GPRS Support Node Subscriber Identity Module Signal-to-Interference Ratio Signal-to-Interference Ratio Short Message Service Total Access Communication System Time Division Duplex Time Division Multiplexing Time Division Multiple Access UTRAN Absolute Radio Frequency Channel User Equipment Uplink User Mobile Universal Mobile Telecommunication System Universal SIM UMTS Terrestrial Radio Access Network Identity Register Voice Mail Service Voice over IP Wideband CDMA xviii

19 Capítulo 1 Introdução 1.1 Motivação As comunicações rádio sem fios tornaram-se uma parte essencial da vida quotidiana das pessoas de hoje em dia em todo o mundo. O crescimento da utilização de telefones celulares explodiu na última década e a taxa de penetração encontra-se próxima da saturação em muitos países. Cada vez mais os serviços mais procurados são os de elevada capacidade do tipo any time, any where, any media e as tecnologias de terceira geração são capazes de satisfazer alguns destes serviços. No lançamento e manutenção de uma rede celular, aos investidores interessa um investimento necessário o mais reduzido possível e com um retorno máximo e de maior brevidade possível. Por outro lado, aos utilizadores da rede (clientes) apenas lhes interessa a qualidade e disponibilidade dos serviços a baixos preços. A tarefa do planeador da rede é satisfazer ambas as partes, desenhando uma rede com boa qualidade de serviço, que sirva o maior número de utilizadores possível e minimizando os custos de investimento e operação e manutenção. A utilização de portadoras de mais baixa frequência na interface rádio é uma das técnicas que permite reduzir os custos de investimento numa rede, através da diminuição do número de equipamentos necessário, mantendo a mesma qualidade do serviço. Para reduzir os custos de operação podem também ser utilizadas técnicas de auto-sintonia que consistem na reconfiguração automática dos parâmetros rádio da rede e que tornam a rede mais autónoma. 1

20 2 Redes Celulares 1.2 Objectivos Este trabalho de dissertação tem como principal objectivo verificar de forma prática a vantagem de utilização de UMTS850 em termos de redução dos custos de investimento, mantendo a desempenho. É objectivo desenvolver um projecto de dimensionamento, planeamento e optimização de uma rede móvel de terceira geração com recurso a ferramentas de planeamento rádio e base de dados cartográficos adequada. Nesta primeira fase pretende-se realizar um prédimensionamento da rede móvel tendo em conta aspectos de QoS, link budget, distribuição de tráfego e número de utilizadores expectáveis e níveis de interferência admitidos e com base nesse dimensionamento planear a rede a implementar. Nesta fase pretende-se ainda analisar o desempenho por simulação da rede. Na segunda fase é objectivo efectuar um estudo comparativo em termos de QoS, densidade de sites, cobertura, capacidade e interferência da implementação de uma rede UMTS2100 e uma rede UMTS850 com as mesmas características. Por fim, pretende-se investigar algumas técnicas avançadas que permitam optimizar o desempenho de uma rede de forma autónoma, nomeadamente técnicas de auto-sintonia. 1.3 Organização do documento Esta dissertação é composta por cinco capítulos, sendo este o capítulo introdutório. No Capítulo 2 é apresentado o estado da arte de redes celulares e sua evolução, bem como a tecnologia UMTS e principais características. É ainda feito um estudo do estado da arte da comparação da utilização de diferentes bandas de frequência em redes UMTS. No final do capítulo é discutido o processo de planeamento de uma rede celular e ferramentas utilizadas. No Capítulo 3 são apresentados os parâmetros configurados no simulador bem como o caso de estudo e pressupostos assumidos na simulação. É ainda efectuado o dimensionamento da rede e são apresentados os resultados desse dimensionamento. No Capítulo 4 são apresentados os resultados da simulação da rede planeada e é feita uma análise de desempenho. É feita uma comparação entre os desempenhos da rede UMTS2100 e UMTS850, inicialmente de forma estática e depois tendo em conta a evolução da rede. Neste capítulo é ainda apresentada uma discussão introdutória de técnicas de autosintonia. Por fim, no Capítulo 5 é feita uma revisão do trabalho efectuado nesta dissertação, são tiradas as principais conclusões e são fornecidas algumas pistas para possíveis trabalhos de continuação do estudo aqui desenvolvido. 2

21 Capítulo 2 Redes Celulares 2.1 Introdução Neste capítulo é apresentado o estado da arte de redes celulares com especial enfoque nas redes de terceira geração. Na Secção 2.2 é apresentada a visão histórica das redes móveis e a origem dos principais organismos de normalização de redes celulares no mundo. Na Secção 2.3 é dado um panorama da evolução das redes celulares desde a sua origem, passando pelas várias gerações e terminando na apresentação das redes de futura geração. Na Secção 2.4 é discutida a tecnologia UMTS de terceira geração em particular abordando-se as principais características em termos de tecnologias utilizadas, arquitectura de rede e principais limitações. Nas Secções 2.5 e 2.6 são discutidos os principais termos de cálculo de um link budget UMTS e os termos que limitam a capacidade, respectivamente. Na secção 2.7 são explorados os mecanismos de propagação e apresentados os modelos tipicamente usados para modelar a propagação dos sinais numa rede móvel. Na Secção 2.8 é apresentado um estudo do estado da arte da comparação de sistemas UMTS a funcionar em diferentes bandas dando especial enfoque às diferenças na determinação do link budget. Por fim, na secção 2.9 é estudado o processo típico de planeamento de redes celulares e de simulação numa ferramenta adequada. 2.2 Visão geral e normalização A demonstração da existência de onda electromagnéticas descritas pelas equações de Maxwell pelo físico alemão Heinrich Hertz no século XIX e a necessidade de comunicações existentes durante a primeira e a segunda grande guerra mundial deram suporte e aceleraram o desenvolvimento das comunicações rádio. Os primeiros sistemas rádio eram simples e 3

22 4 Redes Celulares necessitavam de uma busca manual de um canal disponível. Em 1971 os laboratórios Bell introduziram o conceito de rede celular tal como o conhecemos hoje em dia. O primeiro sistema operacional no mundo surgiu em 1979 em Tóquio no Japão [1]. Actualmente existem vários organismos mundiais que se dedicam a criar normas para as redes de telecomunicações. Entre os mais importantes encontram-se o European Telecommunications Standards Institute (ETSI), que esteve na origem da normalização do GSM, e que mais tarde desempenhou um importante papel nas redes de terceira geração; o International Telecommunication Union (ITU) que é uma organização internacional que no seio das Nações Unidas coordena as redes globais de telecomunicações; e o 3rd Generation Partnership Project (3GPP) que se dedica essencialmente às redes móveis de terceira geração e sua evolução. O trabalho deste organismo baseia-se em criar um conjunto de especificações que mantêm a natureza global das redes celulares [2]. O 3GPP organiza as especificações técnicas nas designadas releases. Um sistema móvel pode ser construído baseado no conjunto de todas as especificações que compõem uma dada release. Por outro lado, uma release difere da anterior por introduzir uma série de novas funcionalidades no sistema, induzido pelo trabalho de normalização realizado [3]. 2.3 Estado da arte e evolução A evolução das redes celulares foi categorizada em gerações, que representam um salto nas tecnologias utilizadas. De seguida são apresentadas as várias gerações de redes celulares e as principais características e evoluções Primeira geração Os primeiros sistemas móveis designados de sistemas de primeira geração (1G) eram analógicos e ofereciam essencialmente serviços de voz. Devido à inexistência de coordenação entre os países Europeus e mundiais na criação de normas foram desenvolvidos diferentes sistemas. Na Europa por exemplo existiam vários sistemas proprietários: nos países nórdicos desenvolveu-se o sistema Nordic Mobile Telephone (NMT); no Reino Unido foi criado o Total Access Communication System (TACS); na Alemanha surgiu o sistema C-Netz que também foi implementado em Portugal. Estes sistemas eram altamente incompatíveis entre si por apresentarem características técnicas distintas, o que dificultava seriamente o roaming e tornava o uso do espectro de frequências muito pouco eficiente. Esta geração de sistemas celulares era limitada em termos de serviços suportados e necessitava de equipamentos terminais de grandes dimensões e custos elevados. Além de tudo isto previa-se uma procura deste tipo de sistemas menor do que na realidade se verificou, conduzindo a problemas de capacidade de tráfego. Estes motivos tornaram claro que os sistemas de primeira geração tornar-se-iam rapidamente obsoletos [2]. 4

23 Segunda geração A meio dos anos 80 a Comissão Europeia criou o ETSI que ficou responsável pela normalização das telecomunicações na Europa. Foram assim criadas condições para o desenvolvimento da primeira norma europeia de comunicações móveis. Esta norma especificava um sistema celular digital designado de Global System for Mobile Communications (GSM) e deu origem em 1991 à designada segunda geração de redes celulares (2G). A digitalização da rede significa que a voz humana passou a ser processada, conduzindo a compressão. Isto permitiu acomodar um maior número de utilizadores no mesmo espectro radioeléctrico e aumentar a privacidade para os utilizadores, através de ligações mais seguras. Esta segunda geração demarca-se ainda por usar terminais móveis de dimensões reduzidas e baterias de elevada autonomia. Apesar de direccionado para a terceira geração, o 3GPP também interveio nas redes GSM de segunda geração. A primeira release, publicada em 1992 e designada de Phase 1, e a segunda, designada de Phase 2, apresentam as características gerais do GSM. O GSM é de longe o sistema celular mais popular e mais largamente implementado em todo o mundo, impulsionado por características como a possibilidade de tarifários pré-pagos e roaming internacional [4]. Por outro lado, desde o seu aparecimento este sistema evoluiu com o objectivo de satisfazer as necessidades de serviços de dados e outros. Originalmente o GSM era capaz de providenciar apenas serviços básicos de conversação e serviços de dados até 9,6 Kbps [2]. Com a publicação da release 96 e a introdução dos designados Value Added Services (VAS) passou a ser possível disponibilizar serviços de correio de voz (VMS) e Short Message Service (SMS), serviços de dados ainda de baixo débito (até 14,4 Kbps). Nesta release surgiu ainda o conceito de hierarquia celular [5] Evolução para 2.5G Com o objectivo de proporcionar taxas de transmissão mais elevadas para comunicações principalmente de dados e novos serviços as redes 2G evoluíram dando origem a redes 2.5G. No caso das redes GSM esta evolução surgiu na release 97 com o designado General Packet Radio Service (GPRS). Em termos de arquitectura esta evolução consistiu em adicionar à infra-estrutura de rede existente elementos capazes de processar dados em forma de pacote. Nestas redes os serviços de voz baseiam-se em comutação de circuitos enquanto os serviços de dados são suportados por comutação de pacotes. O aumento da taxa de transmissão é suportada quer pela utilização de agregação de canais GSM quer pela utilização de novas formas de codificação de canal. Contudo, os utilizadores competem entre si no acesso aos recursos rádio e portanto os débitos atingidos dependem do número de utilizadores. Teoricamente é possível atingir com a tecnologia GPRS débitos máximos até 172 Kbps [4]. 5

24 6 Redes Celulares Uma outra evolução resultante das redes GSM e das redes GPRS foram as redes Enhanced Data Rate for GSM Evolution (EDGE). Estas redes suportam serviços semelhantes aos suportados pelas redes de terceira geração e débitos binários teoricamente até 500 Kbps graças à utilização de modulação 8-PSK [4]. Esta evolução foi publicada na release 98 que introduziu nas redes móveis o conceito de pico-célula bem como o suporte da portabilidade de número [5]. Apesar do enorme sucesso das redes 2G, estas não satisfizeram a necessidade de uma norma mundial. Enquanto na Europa o GSM teve grande sucesso, no Japão foi criada e implementada uma norma exclusiva designada Personal Digital Cellular (PDC) e nos Estados Unidos foram utilizadas normas Interim Standard (IS) [1]. Esta necessidade apenas foi satisfeita com os sistemas de terceira geração que são vistos como uma evolução das redes GPRS e EDGE de geração Terceira geração A terceira geração (3G) surgiu com o objectivo de proporcionar elevadas velocidades de transmissão e ligações multimédia com suporte de serviços de voz, dados e vídeo. Além disso pretendia colmatar a necessidade de um standard mundial que se tornou conhecido por Universal Mobile Telecommunication System (UMTS). Em 2000 o 3GPP publicou a release 99 que providencia a evolução das redes GSM, GPRS e EDGE, permitindo maior eficiência espectral e melhor desempenho dos serviços de voz e de dados através de débitos binários mais elevados (entre 144 Kbps e 2 Mbps) utilizando de portadoras de 5 MHz de largura de banda [6]. A primeira release de especificação 3G consolida o desenvolvimento da nova rede acesso rádio designada de UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN). Esta release é vocacionada para serviços de dados e suporta dois modos de transferência: comutação de circuitos (CS) e comutação de pacotes (PS) [5], transmissão de dados simétrica e assimétrica e a possibilidade de utilização de vários serviços em simultâneo. A release 4 introduziu melhorias na interface rádio, na rede de transportes e na arquitectura transformando a rede numa rede baseada em IP [7]. Passou a ser suportado voz sobre IP (VoIP). O primeiro sistema de redes celulares UMTS surgiu com o lançamento em 2001 da Freedom of Mobile Multimedia Access (FOMA) pela NTT DoCoMo no Japão. A partir daí o número de implementações comerciais aumentou rapidamente. Em 2004 eram já 57 as operadoras com redes UMTS em serviço em 21 países. Em 2007 cerca de 167 operadoras em todo o mundo suportavam redes UMTS comerciais [6]. 6

25 Evolução 3.5G A release 5 estendeu as especificações das releases 99 e 4, melhorando o desempenho da rede com uma nova tecnologia designada de High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA), o primeiro passo de evolução das redes UMTS. Esta release define várias características que proporcionam vantagens significativas em termos de capacidade, desempenho e eficiência, facilitando o fornecimento de serviços de vídeo, imagem, texto e media em tempo real. Introduz na arquitectura da rede o IP Multimedia Subsystem (IMS) e IP na interface UTRAN. HSDPA é um serviço de dados baseado em pacotes e providencia taxas de transmissão entre 8 e 10 Mbps numa banda de 5 MHz. A implementação de HDSPA implica a utilização de técnicas como Multiple-Input and Multiple-Output (MIMO) e Hybrid Automatic Repeatrequest (HARQ). Esta tecnologia é especialmente indicada para tráfego que não seja tempo real (NRT) [4]. A tecnologia HSDPA apresenta vantagens para os utilizadores e para as operadoras. Aos utilizadores proporciona elevados débitos binários e novos serviços enquanto às operadoras permite redes rádio de maior capacidade e eficiência. Este tipo de rede faz uso da potência remanescente disponível nas Base Stations (BSs). A introdução de IP na interface UTRAN oferece ao operador a possibilidade de evolução de uma arquitectura dependente de ligações ponto a ponto que usam Time Division Multiplexing (TDM) ou Asynchronous Transfer Mode (ATM) para uma arquitectura que usa conexões IP de elevada largura de banda. Isto torna-se cada vez mais importante à medida que aumenta o número de utilizadores [7]. Na release 6 foi introduzida a operação integrada com redes sem fio LAN e melhorias na rede UMTS incluindo High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA) e Multimedia Broadcast and Multicast Services (MBMS) [8]. A release 7 focou-se na melhoria dos parâmetros QoS, na diminuição da latência e melhoria da qualidade de serviços em tempo real (RT) como VoIP. Esta release introduziu ainda o HSPA+, uma evolução do HDSPA que proporciona débitos até 56 Mbps através de modulações de elevada ordem (64QAM). Esta release incluiu ainda a fase de estudo da tecnologia LTE de quarta geração Quarta geração Em 2008 foi publicada a release 8 essencialmente dedicada à tecnologia de quarta geração (4G) designada de Long Term Evolution (LTE) e constitui a primeira rede móvel totalmente IP. O objectivo desta tecnologia é obter débitos em downlink (DL) de cerca de 300 Mbps e 75 Mbps em uplink (UL), cerca de três a quatro vezes superiores aos obtidos com a tecnologia HSPA [8], bem como reduzir a latência para serviços tempo real e interactivos. Na interface rádio é utilizado OFDM para DL e SC-FDMA para UL e são suportadas modulações de elevada ordem como 64QAM e 16QAM, respectivamente. Esta interface é uma evolução da utilizada nas redes UMTS e designa-se de Evolved UTRAN (E-UTRAN). São utilizadas portadoras 7

26 8 Redes Celulares com larguras de banda compreendidas entre 1,25 MHz e 20 MHz em contraste com os 5 MHz utilizados para UMTS. Esta tecnologia apresenta várias vantagens como grande imunidade a interferência graças à utilização de técnicas que impõem ortogonalidade no domínio das frequências (OFDM e SC- FDMA), o que lhe confere robustez contra multi-percurso, e outras como MIMO; apresenta uma arquitectura simples que suporta FDD e TDD; é compatível com as redes actualmente existentes e portanto facilita a migração; e apresenta baixos custos de investimento (CAPEX) e de operação e manutenção (OPEX). Nesta tecnologia de nova geração parte das funcionalidades de controlo são distribuídas pelas Base Stations (Nós B), o que permite a redução da latência da rede. O esquema de transmissão LTE usa transmissão em canais partilhados em que o par de recursos tempo e frequência é partilhado pelos diferentes utilizadores. Desde a publicação da release 8 várias demonstrações piloto foram efectuadas em todo o mundo. O LTE tem grande aceitação por parte das operadoras móveis, graças à disponibilidade de espectro e ao elevado desempenho dos sistemas obtidos que excede as expectativas. A Telia Sonera, operadora de telecomunicações móveis internacional (essencialmente nos países nórdicos), lançou no final de 2009 os primeiros serviços LTE a nível mundial na Suécia e na Noruega. Prevê-se que no final de 2010 existam 22 redes LTE em serviço em todo o mundo, aumentando este número para 37 até 2012 [8] Futuro do LTE Actualmente o 3GPP encontra-se a trabalhar na release 10 e nas futuras redes LTE Advanced (LTE-A). O LTE-A é baseado no LTE convencional e tem por objectivos aumentar o débito binário, reduzir o atraso e a latência e melhorar a capacidade e a cobertura. A tecnologia pretende suportar débitos de cerca de 1 Gbps em DL e 500 Mbps em UL num ambiente de baixa mobilidade. 2.4 Conceitos Básicos de UMTS O objectivo de sistemas de terceira geração é proporcionar serviços multimédia aos utilizadores móveis. A introdução de elementos de rede PS e de melhorias nos esquemas de modulação rádio proporcionaram às redes UMTS elevados débitos que permitem o suporte de serviços PS. Em termos de arquitectura as redes UMTS usam o mesmo núcleo que GSM e GPRS (CS). Contudo, no sentido de suportar PS é necessária uma evolução desta arquitectura e para isso foram adicionados novos elementos de rede, criando dois domínios distintos no núcleo da rede, PS e CS. A interface rádio é baseada em CDMA de banda larga (WCDMA), em que cada canal utiliza toda a banda de frequências disponível, sendo a separação de canais efectuada pela 8

27 9 utilização de diferentes códigos. Os sinais codificados em CDMA ocupam uma banda de 3,84 MHz da banda total do canal (5 MHz), que é totalmente reutilizável. Para que seja suportado tráfego heterogéneo e diferentes débitos binários são utilizados OVSFs. A tecnologia UMTS suporta ainda funcionalidades como controlo de potência, micro e macro diversidade, diversidade nos sistemas de antenas de emissão e recepção e controlo de acessos e de carga [9] Espectro e licenças Na Europa, o European Radiocommunications Committee (ERC) pertencente à European Conference of Postal and Telecommunications Administrations (CEPT) é actualmente o responsável pela alocação das frequências rádio. Este organismo especificou que 155 MHz de espectro de frequência deveria ser reservado para os sistemas 3G. Estes 155 MHz foram divididos pelas operações FDD (2x60 MHz) e TDD (15 MHz + 20 MHz para separação de bandas), em que a banda total é dividida no tempo entre UL e DL [10]. Assim foram atribuídas as bandas MHz e MHz para operações TDD e as bandas MHz e MHz para operações FDD, em que a banda inferior é utilizada para UL e a banda superior para DL (Figura 2.1) [11]. Figura Arranjo de frequências da principal banda utilizada em UMTS [11] Esta distribuição de bandas pode ser diferente em diferentes países devido à atribuição a outras tecnologias como se pode ver pela Figura 2.2. Na tentativa de harmonizar o espectro utilizado na Europa, o CEPT recomenda que a frequência da portadora de um dado canal seja múltipla de 200 KHz; a separação entre portadoras em DL e UL deve ser de 190 MHz; a banda MHz deve ser reservada para aplicações especiais; e a separação entre portadoras TDD-TDD, FDD-FDD e FDD-TDD deve ser de pelo menos 5 MHz [11]. 9

28 10 Redes Celulares Figura 2.2 Alocações de espectro para UMTS em todo o mundo [9] Estas não são as únicas bandas utilizadas actualmente em UMTS. Em casos particulares em que seja mais vantajoso outras configurações podem ser utilizadas. Um exemplo é a designada banda estendida que compreende as frequências MHz, como representado na Figura 2.2. Esta banda pode suportar diversos cenários de operação, nomeadamente apenas operação TDD, FDD-DL ou FDD-UL; FDD em DL e UL; e FDD e TDD em simultâneo [11]. Outros arranjos de bandas de frequência são apresentados nas Tabela 2.1 e Tabela 2.2. A frequência de uma portadora UMTS é identificada pelo designado UTRAN Absolute Radio Frequency Channel (UARFCN) e é definido da seguinte forma:. Tabela 2.1- Arranjo de frequências na banda MHz [11] 10

29 11 Tabela Arranjo de frequências na banda MHz [11] Arquitectura da rede Uma rede UMTS consiste em três domínios que interagem entre si (ver Figura 2.3): Núcleo da rede (CN), UTRAN e equipamento de utilizador (UE). O equipamento móvel (UM) ou de utilizador inclui o telefone móvel e o cartão SIM, designado Universal SIM (USIM), que contém os dados específicos do utilizador. O UE é capaz de funcionar em três modos distintos: PS, CS e numa combinação dos dois (PS e CS). À rede de acesso rádio (RAN) pertencem a BS ou Nó B e o RNC. As principais funções do Nó B são a execução do controlo de potência, configuração de canal, modulação e desmodulação, transmissão e recepção rádio, entre outras. O RNC é responsável pela gestão e controlo dos recursos rádio (RRM), controlo de potência, alocação de canais, controlo de acesso e outros. As principais funções do núcleo da rede são proporcionar encaminhamento e comutação de tráfego entre a UTRAN e a rede fixa, tarifação e operação e manutenção da rede. O CN também inclui base de dados e funções de gestão de mobilidade de chamadas. A sua arquitectura básica é baseada nas redes GSM, sofrendo uma melhoria para suportar serviços PS. Assim, o núcleo da rede é claramente dividido entre os domínios PS e CS, sendo algumas entidades comuns aos dois. A comutação de circuitos destina-se a tráfego RT enquanto PS se destina a tráfego NRT [4]. Esta separação de domínios além de permitir uma evolução simples das redes existentes GSM e GPRS traz outras vantagens aquando da sua instalação, como a continuidade de serviço, a disponibilidade mais rápida e baixo risco. Contudo exige a manutenção de duas redes, sendo tanto o dimensionamento como as funções duplicadas. Isto acarreta maiores custos da infra-estrutura. Na Figura 2.3 é clara a separação entre os domínios PS e CS. Ao domínio CS pertencem os elementos de rede herdados do GSM, o GMSC e MSC. O primeiro é a interface entre a rede 11

30 12 Redes Celulares móvel e a rede CS externa designada Public Switched Telephone Network (PSTN) e estabelece as ligações entre elementos externos e internos à rede. O MSC desempenha o mesmo papel, mas no interior da rede, sendo responsável pelo encaminhamento de chamadas de um utilizador para outro na própria rede móvel. Figura Arquitectura da rede UMTS Os elementos de rede GGSN e SGSN desempenham no domínio PS as mesmas funções que os dois elementos anteriores, sendo que neste caso o GGSN se encontra ligado à rede pública IP, a Internet. Os elementos de rede EIR, VLR, HLR e AuC contêm informação sobre os UE que é utilizada no estabelecimento de uma chamada pelos elementos de rede de ambos os domínios Acesso múltiplo Ao longo da evolução das redes móveis de telecomunicações têm vindo a ser usadas diferentes técnicas de múltiplo acesso. No acesso FDMA, utilizado na primeira geração, a banda de frequências disponível é dividida em canais com a mesma largura de banda. No estabelecimento de uma chamada um destes canais é atribuído, sendo a distinção entre canais feita no domínio das frequências. Uma dada portadora pode ser reutilizada por outro utilizador desde que a distância entre os dois utilizadores seja suficiente para evitar interferências. Nos sistemas de segunda geração os diferentes utilizadores passam a ser separados também no domínio dos tempos através de TDMA. Em TDMA o tempo é dividido em intervalos 12

31 13 designados time slots e em cada time slot apenas um utilizador pode transmitir ou receber[11]. Figura Code Division Multiple Access (CDMA) [12] Em tecnologias 3G a separação entre canais é feita pelo código de espalhamento e permite que todos os utilizadores possam usar a mesma portadora em simultâneo. Esta técnica designa-se CDMA (Figura 2.4). No caso de UMTS é utilizada CDMA de banda larga baseado em DS-CDMA, designada de WCDMA. Com WCDMA os dados são espalhados por uma largura de banda elevada, multiplicando esses mesmos dados por uma sequência binária pseudo-aleatória constituída por chips que são gerados a partir de códigos de espalhamento. Este processo pode ser visto como dados (d(t)) a modularem chips WCDMA (c(t)) e encontrase representado na Figura 2.5. Figura 2.5 Princípio de WCDMA [9] Em termos espectrais a multiplicação do sinal pelo código de espalhamento distribui a potência do sinal original por uma banda de frequência maior (ver Figura 2.6). Este espalhamento espectral depende do factor de espalhamento definido por, em que W é o débito binário dos dados e R a taxa de chips. Por outro lado, este espalhamento de potência traduz-se em termos de link budget num ganho designado de ganho de processamento determinado por, como veremos na Secção

32 14 Redes Celulares Figura Espalhamento espectral e ganho de processamento [9]. Na recepção os sinais são recuperados por desespalhamento do sinal recebido que consiste em multiplicar o sinal recebido pelo mesmo código de espalhamento utilizado na emissão. Os códigos de espalhamento resultam do produto dos códigos de canal e de embaralhamento. Os códigos de embaralhamento não alteram a largura de banda do sinal, mas tornam o sinal diferente com o propósito de distinguir utilizadores e células tanto em UL como em DL. Os códigos de canal são usados para distinguir diferentes canais físicos. Em DL servem para distinguir utilizadores e canais na mesma célula, em UL são usados para separar canais de dados de canais de controlo para o mesmo UE. Estes códigos são baseados em OVSF que tem a particularidade de manter a ortogonalidade entre os diferentes códigos enquanto permite que o factor de espalhamento varie. Estes códigos aumentam a largura de banda de transmissão [2]. Para que os códigos OVSF sejam ortogonais é necessário que haja sincronização perfeita na recepção do sinal espalhado. Em DL os códigos são transmitidos de forma perfeitamente alinhada, contudo, devido a multi-percurso, é violada a ortogonalidade entre o sinal directo e um sinal reflectido. Em UL a situação é ainda pior na medida em que as transmissões não podem ser sincronizadas, o que viola a ortogonalidade entre códigos de diferentes UE Interferência e multi-percurso A propagação rádio é caracterizada por múltiplas reflexões e difracções do sinal. Isto é causado por obstáculos naturais e edifícios, e causa o chamado multi-percurso em que o mesmo sinal pode chegar ao receptor várias vezes com diferentes atrasos e diferentes potências (Figura 2.7). Os sistemas WCDMA podem tomar partido deste fenómeno ajustando as fases dos sinais provenientes dos diferentes percursos e combinando-os num único sinal de elevada potência. Isto reduz a potência de transmissão necessária tanto na BS como no UE. Esta combinação é feita utilizando receptores RAKE que são constituídos por vários subreceptores designados de fingers. Cada finger é alocado a um diferente percurso, estando habilitado para detectar e remover variações de amplitude e de fase dos diferentes sinais que 14

33 15 posteriormente são adicionados num combinador dando origem a um único sinal mais potente. Um receptor RAKE típico suporta 4 fingers, pelo que a diversidade de sinais de elevada potência é desejável, mas deve-se manter limitada, dado que os restantes sinais provenientes de multi-percurso que não são detectados por um dos fingers funciona como um sinal interferente [2]. Figura Multi-percurso e influência no atraso e na potência [13] Controlo de potência O controlo de potência é uma característica essencial das redes rádio WCDMA. Na ausência de controlo de potência, o UE que se encontra mais próximo da BS pode facilmente cegar os outros dispositivos móveis distantes cobertos pela mesma célula, dando origem a bloqueamento de tráfego [2]. Isto é o designado efeito perto-longe e é minimizado com controlo de potência. O controlo de potência serve também para minimizar os efeitos de desvanecimento de sinal devido a factores como obstáculos, elevações de terreno e multipercurso. Por outro lado, é vantajoso na medida em que permite poupar o tempo de vida das baterias dos dispositivos móveis e diminuir a interferência causada em dispositivos ou células vizinhas, emitindo a potência estritamente necessária. Existem dois mecanismos básicos de controlo de potência, closed loop power control e open loop power control, a que se acrescenta um mecanismo complementar, outer control loop. A ideia de controlo de potência open loop é estimar, quer por parte do UE quer das BSs, a potência necessária a transmitir a partir da potência recebida, assumindo simetria nos canais UL e DL. Este mecanismo apresenta os inconvenientes de no caso de se utilizar modos FDD os canais UL e DL não serem simétricos, o que causa desadaptação de potência entre o canal real e o canal estimado. Funciona bem para variações lentas do desvanecimento do sinal, mas as variações rápidas não podem ser compensadas através deste processo. Por isso é apenas usável em redes TDD, e, no caso de redes FDD, na fase inicial de estabelecimento de uma ligação antes do estabelecimento de um canal de retorno necessário ao mecanismo de controlo de potência closed loop. 15

34 16 Redes Celulares Com controlo de potência em closed loop a BS efectua medições de potência de sinal recebido dos diferentes UE em termos de SIR e compara este valor com o valor objectivo. Conforme o SIR for superior ou inferior ao valor objectivo a BS requer ao UE a diminuição ou o aumento da potência transmitida, respectivamente. Isto ocorre em UL, mas o mesmo processo é usado em DL. Neste caso são usados os valores medidos pelos equipamentos móveis mais distantes, eventualmente na fronteira da célula, que é a situação mais desfavorável, com o objectivo de lhes proporcionar potência suficiente, mantendo ao mesmo tempo a interferência noutras células controlada [2]. O feedback é apenas um bit que é enviado cerca de 1500 vezes por segundo, o que faz deste método o indicado para variações rápidas do desvanecimento de potência. A técnica complementar de controlo de potência designa-se de outer control loop e serve para definir o valor de SIR objectivo. Nesta técnica são medidas as taxas de erro BER, BLER e FER do canal dedicado em UL e são comparados com os valores objectivo para um dado serviço. Com base nesta comparação o valor objectivo de SIR do Nó B é ajustado [11]. O controlo de potência tem impacto directo no planeamento da interface rádio da rede em termos de capacidade e cobertura. Como será visto mais à frente, a capacidade é mais crítica em DL e depende fortemente da interferência. Assim, se conseguirmos diminuir a potência transmitida ao mínimo conseguimos melhorar a capacidade da rede [11] Células e mobilidade A área de cobertura de uma BS depende em parte da potência máxima de transmissão dos equipamentos. A potência recebida por um terminal diminui proporcionalmente à distância à estação base até atingir um valor mínimo. A distância correspondente é o raio de cobertura da célula e depende não só da potência transmitida, como da topologia do terreno, tipo e alturas das antenas, entre outros factores A sobreposição entre células deve ser minimizada para evitar interferência, mas não deve ser nula para garantir mobilidade aos utilizadores. Numa rede celular podem existir três tipos de células. As macro-células são as mais amplamente usadas e apresentam raios de cobertura na ordem de alguns quilómetros. São ideais para ambientes rurais ou suburbanos e para cobrir zonas em que tipicamente os terminais apresentem grande mobilidade, como auto-estradas. As micro-células servem para cobrir zonas de elevado tráfego, os designados hot spots, e média mobilidade e apresentam raios de cobertura na ordem das centenas de metros. As pico-células destinam-se a ambientes fechados como escritórios e habitações e têm raios de cobertura na ordem das dezenas de metros. Tanto na transferência de chamadas entre células do mesmo tipo como entre células de tipos diferentes é necessário garantir continuidade de serviço. A transferência de chamadas entre células é designada de Handover (HO) e pode ser um de três tipos: Hard, Soft ou Softer HO. Em Hard HO existe quebra de ligação na transferência, apesar de não ser perceptível na 16

35 17 comunicação e ocorre entre células com portadoras de frequências diferentes. Como tal, em redes WCDMA, é apenas utilizado em situações especiais [2]. Soft e Softer HO são baseados nas medições da potência do canal de piloto (CPICH), um canal dedicado que tem como principal objectivo fornecer um indicador da qualidade de sinal numa dada zona. Quando o UE se encontra na zona fronteira de duas células (zona de sobreposição), este encontra-se ligado a duas BS distintas. Se as duas células pertencem a Nós B distintos trata-se de uma situação de Soft HO (case 1 da Figura 2.8). Se por outro lado as células pertencem ao mesmo Nó B, mas a diferentes sectores estamos na presença de Softer HO (case 2 da Figura 2.8). Figura 2.8 Soft e Softer handover em WCDMA [2] Uma das capacidades do Soft HO é a de explorar o ganho de diversidade. Na interface UTRAN o Soft HO é controlado pelo designado Active Set (AS) que contém todos os Nós B aos quais o UE se encontra ligado num dado momento. Se o AS contém mais do que um Nó B então o UE encontra-se em Soft HO. Em DL todos os Nós B que se encontram no AS de um dado UE transmitem os mesmos dados para o UE. Este por sua vez recebe todos os sinais provenientes de diferentes Nós B e aplica-lhes técnicas de combinação para obter o melhor sinal. Esta operação traduz-se num ganho, o designado ganho de macro-diversidade. Em UL o UE continua a emitir um único sinal, contudo, este será recebido por todos os Nós B pertencentes ao AS. Cada Nó B irá tratar os dados recebidos separadamente e enviá-los para o RNC juntamente com um indicador da qualidade do mesmo. O RNC por sua vez selecciona os dados do Nó B de maior qualidade. Esta técnica permite baixar a potência necessária emitida pelo UE [11]. Soft HO apresenta o inconveniente de um único UE poder ocupar vários recursos pelo facto de se encontrar ligado a mais do que um Nó B em simultâneo. Isto aumenta a carga da rede sem que seja suportado um maior número de utilizadores. Além disso, devido à necessidade de sobreposição das células, a interferência entre células aumenta. 17

36 18 Redes Celulares No caso de Softer HO também é explorada a diversidade. Contudo, o processo é mais rápido e simples, dado que a combinação de diferentes sinais é efectuada ao nível da BS e o RNC não é envolvido nesta operação. O HO pode ser categorizado seguindo outros critérios em Intra-carrier, Inter-carrier e Inter-mode HO. Soft e Softer HO são considerados Intra-carrier HO, uma vez que é sempre usada a mesma portadora. Contudo, por vezes é mais vantajoso transferir utilizadores para outras frequências no controlo de carga e gestão de capacidade. Isto é um tipo de Hard HO e é categorizado como Inter-carrier HO. Pode ainda ocorrer HO entre modos FDD e TDD ou entre tecnologia GSM e UMTS. Este tipo de HO é designado Inter-mode HO [2, 9] Capacidade e efeito cell breathing O fenómeno de cell breathing (Figura 2.9) que se verifica numa estrutura celular UMTS resulta da variação da carga na célula. Assim, com o aumento do tráfego aumenta também a interferência e a razão entre a energia de chip e a densidade espectral de interferência (E c /I o ) do canal de piloto diminui. Por outro lado, os terminais necessitam emitir maior potência para que o sinal seja recebido nas BSs. Como a potência do UE é limitada, a distância máxima entre UE e BS diminui com o aumento da interferência, logo a área de cobertura diminui. Deste modo a área de cobertura da célula oscila com a variação do tráfego, criando um efeito designado de respiração. Este fenómeno é também um mecanismo de controlo de carga nas redes WCDMA. Quando o raio de uma dada célula que sofre elevada interferência diminui, os terminais localizados no limite da célula são forçados a efectuar HO para células vizinhas, distribuindo a carga. Assim, a capacidade de uma célula depende da carga na própria célula, mas também da das células vizinhas [9]. Figura Efeito cell breathing [9] 18

37 Cobertura e link budget O objectivo da determinação da potência disponível numa ligação, designada link budget (LB), é estimar a máxima perda de potência entre as antenas emissora e receptora. Esta perda é usada para determinar o raio máximo da célula que determina a cobertura da célula. Em UMTS a máxima perda de potência é determinada por serviço e o raio da célula é definido pelo serviço mais exigente a suportar. Na Figura 2.10 podem-se ver os vários termos que influenciam o cálculo de um LB UMTS. De seguida são explorados cada um deles em pormenor. Figura Link Budget UMTS [9] Potência de transmissão do UE e BS Os equipamentos móveis são classificados em classes tendo em conta as potências máximas de transmissão, conforme a Tabela 2.3 obtida a partir da especificação da norma [14]. Em relação às BS, a potência máxima definida na norma é de 43 dbm [15]. Tabela Classificação de UE por potência transmitida [9] 19

38 20 Redes Celulares Potência de ruído do receptor A sensibilidade do receptor é maioritariamente limitada pelo ruído térmico. A densidade de ruído térmico é definida por, onde K é a constante de Boltzmann e T é a temperatura do material em Kelvin, tipicamente 290 K, que corresponde à temperatura ambiente. A potência total do ruído térmico no detector, P n, é limitada pela largura de banda do filtro, que corresponde à largura de banda ocupada pelo código de espalhamento, o chip rate (R c = 3,84 MChips/s). Assim,. O nível de ruído de um receptor real é ainda limitado pela qualidade dos equipamentos internos. Esta contribuição para o ruído do receptor é dada pela figura de ruído (NF) e é tipicamente diferente para o Nó B e para o UE (5 db e 9 db, respectivamente). A potência de ruído total no receptor é assim dada por, sendo os valores típicos de uma BS e de um UE cerca de -103 dbm e -100 dbm, respectivamente [9, 11] E b /N o requerido A qualidade do sinal de entrada no receptor é expressa pela razão E b /N o, que traduz a energia de bit por densidade espectral de potência de ruído. Para se obter o BER desejado na detecção, que depende do tipo de serviço, é estabelecido o valor de E b /N o requerido. O E b /N o requerido além de depender do serviço depende ainda das condições do canal e da velocidade do UE. A Tabela 2.4 apresenta os valores requeridos para E b /N 0 por serviço e por ambiente. Tabela E b /N 0 requerido em UL e DL para diferentes serviços (valores obtidos com base em [1]) Ambiente Serviço E b / N 0 em UL E b / N 0 em DL Urbano PS 64 Kbps 2 db 5,5 db PS 144 Kbps 1,5 db 5 db PS 384 Kbps 1 db 4,5 db Suburbano PS 64 Kbps 2,5 db 5 db PS 144 Kbps 2 db 4,5 db PS 384 Kbps 1,5 db 4 db Rural PS 64 Kbps 3,3 db 5 db PS 144 Kbps 3 db 4,5 db PS 384 Kbps 2 db 4 db 20

39 Ganho de processamento Como a transmissão rádio é feita em banda espalhada é importante determinar a energia de chip por densidade espectral de potência de ruído, E c /N o ou E c /I o, dado que a potência total de ruído resulta genericamente da interferência de outros canais (N o =I o ). Assim ou (2.1) em que G p é o ganho de processamento. Esta equação pode ser escrita em db resultando (2.2) (2.3) Isto significa que apesar de o nível de ruído ser maior, o sinal espalhado pode ser inferior ao nível de ruído, como representado na Figura Figura Ganho de processamento [9] Margem de interferência O valor E c /I o do canal de piloto é um bom parâmetro indicador do nível de interferência em DL e é facilmente extraído a partir de medições usando a equação (2.4) em que RSCP é a potência recebida do canal piloto que serve a célula e o RSSI define a potência de interferência em toda a banda, incluindo a potência de interferência dos utilizadores da própria célula (I prop ), a potência de interferência de células vizinhas (I out ) e a potência de ruído do receptor (P nr ). 21

40 22 Redes Celulares O aumento do número de utilizadores leva ao aumento do nível de ruído, o que reduz o LB do sistema. Num sistema WCDMA a margem de interferência é definida por (2.5) em que η é o factor de carga, que depende do número de utilizadores. Esta equação traduzse no gráfico da Figura Quando a carga é baixa o nível de ruído, também designado noise rise, é baixo. Teoricamente a carga máxima de uma célula é de 100%, ou seja, um aumento infinito do nível de ruído. O número de utilizadores correspondente designa-se de pole capacity da célula. Contudo, à medida que a carga aumenta o aumento da interferência impõe uma redução na cobertura, devido ao efeito de cell breathing. Por outro lado, como se vê pelo traçado da margem de interferência, o noise rise aumenta significativamente, pelo que é necessário estabelecer um compromisso entre a capacidade e a cobertura da célula. Valores típicos para o factor de carga estão compreendidos entre 50% e 75%. Figura Margem de interferência em função da carga [9] Ganho de macro diversidade O ganho de diversidade, já referido na secção 2.4.6, resulta da combinação de sinais provenientes de vários Nós B (MDC) quando um UE se encontra em handover. Tipicamente o ganho MDC é maior em DL que em UL, 1,2 db e 0 db respectivamente Margem de Log Normal Shadowing Em ambientes de propagação reais as condições de propagação de ondas electromagnéticas não são estáveis. Ocorrem alguns desvanecimentos lentos na potência de sinal, quando o terminal se desloca num determinado ambiente, o designado efeito de sombra (Shadowing Effect). A variação da potência de sinal segue uma distribuição normal em escala logaritmica conforme a Figura A Tabela 2.5 indica valores típicos do desvio padrão do desvanecimento da potência. 22

41 23 Figura Distribuição normal do desvanecimento do sinal [9] Tabela Valores típicos do desvio padrão do desvanecimento de potência Ambiente Outdoor Indoor Urbano 7 db 12 db Suburbano 6 db 10 db Rural 5 db 10 db Ganho de Soft HO O ganho de Soft HO é obtido pelo quociente entre a potência recebida pelo UE quando efectua HO com base na melhor BS e a potência recebida quando o critério de HO é definido pela distância geométrica à BS. Este ganho depende da probabilidade de cobertura requerido e da localização do UE (indoor ou outdoor). O ganho de Soft HO é tipicamente de 2 a 3 db [1, 9] Margem para controlo de potência A margem de controlo de potência é essencial em UL para controlo das variações rápidas do sinal devido a multi-percurso ou Rayleigh. O UE pode variar a sua potência emitida através de controlo de potência. Contudo, no limite da célula torna-se difícil controlar as variações rápidas do sinal pelo facto de a potência emitida não ser suficiente para proporcionar o E b /N o requerido, como se pode ver pela Figura Valores usados encontram-se na gama entre 0 e 5 db. 3 db é um valor típico. 23

42 24 Redes Celulares Figura Margem de desvanecimento rápido de potência [9] Outras perdas e ganhos Outros termos devem ser considerados na determinação do LB como as pedras de penetração (BPL), quer no interior de edifícios quer no interior de veículos, as perdas dos cabos e conectores usados para ligar as antenas ao equipamento banda base localizado na base das torres dos Nós B, o ganho das antenas dos Nós B (as antenas dos UE não apresentam ganho) e perdas corporais (body loss) pelo facto de o móvel poder encontrar-se perto do corpo humano, nomeadamente da cabeça do utilizador. O cálculo do LB em UL e DL é distinto, uma vez que a potência de emissão do UE é limitada. Em DL todos os canais partilham uma única fonte de potência e a cobertura é determinada pelo E c /I o do canal de piloto. A Tabela 2.6 apresenta os requisitos de cobertura do canal de piloto em diferentes ambientes e para vários serviços. 24

43 25 Tabela Limites mínimos de potência do canal de piloto [9] 2.6 Capacidade Existem vários aspectos que podem limitar a capacidade de um sistema WCDMA. São eles a carga, a limitação de potência do Nó B, o número de elementos de canal e o número de códigos de espalhamento disponíveis. Em termos de cobertura apenas os dois primeiros importam e serão aqui explorados Limitação de carga A carga em UL é baseada na soma dos factores de carga de cada utilizador: (2.6) em que i é o designado little i e (2.7) onde W é a taxa de chips, (E b /N o ) j é o E b /N o requerido para o utilizador j, v j é o factor de actividade e R j o débito binário. O little i é definido por e depende das características de planeamento da rede como o número de sectores, tamanho da célula, características de propagação, altura e largura dos feixes das antenas. A Tabela 2.7 apresenta valores típicos para o litlle i para diferentes ambientes e configurações das BS. Tabela Valores típicos do little i para diferentes configurações e diferentes ambientes [9] 25

44 26 Redes Celulares Em DL devido à ortogonalidade do códigos de canal usados a interferência causada pela própria célula é reduzida por um factor de e portanto o factor de carga neste caso é dado por: (2.8) em que α j é o factor de ortogonalidade compreendido entre 0,4 e 0,9, sendo tipicamente 0,5 para macro-células e 0,9 para micro-células Limitação de potência A capacidade da célula pode ser limitada devido à emissão inadequada de potência pelos Nós B, dado que vários UE partilham a potência em DL do mesmo Nó B. Utilizadores em ambientes de propagação com elevadas perdas como interior de edifícios podem requisitar demasiada potência ao Nó B, reduzindo drasticamente a potência disponível para canais dedicados. Para evitar isto a potência emitida pelo Nó B é cuidadosamente controlada e limitada. No Nó B a potência total é partilhada pelos canais dedicados e pelos canais partilhados (ver Figura 2.15). Assim, (2.9) Figura Distribuição da potência pelos canais no Nó B Como podemos ver uma parte da potência (15%-20%) é alocada a canais comuns (CCCH) como o canal de piloto. A restante potência pode ser utilizada por canais dedicados. Quanto maior a potência (P TXi ) consumida por cada utilizador menos utilizadores a célula suporta e portanto a capacidade diminui. 26

45 Cobertura versus capacidade A cobertura prende-se com a máxima distância entre BS e UE para um determinado nível de serviço e é tipicamente limitada em UL devido às restrições em termos de potência do UE. A capacidade por sua vez tem a ver com o número de utilizadores que podem ser servidos mantendo o nível de serviço. Neste caso a limitação é em DL, devido à partilha de potência entre canais. A figura de mérito típica da capacidade versus cobertura é apresentada na Figura O objectivo de um planeador de uma rede WCDMA é maximizar a capacidade e a cobertura, o que corresponde a afastar ao máximo as curvas DL e UL da origem. Figura Figura de mérito cobertura versus capacidade [9] 2.7 Propagação rádio O planeamento da interface rádio é talvez a tarefa mais complexa e menos sistemática do planeamento de uma rede. As condições de propagação variam com diferentes factores e uma BS que forneça boa cobertura num dado instante poderá tornar-se inútil devido a problemas de propagação provocados, por exemplo, por irregularidades no terreno, vegetação, obstáculos naturais e artificiais e até aspectos atmosféricos. O desempenho de um sistema móvel depende em grande parte do projecto da interface ar. De seguida são apresentados alguns dos mecanismos de propagação que determinam a qualidade da cobertura Mecanismos de propagação A reflexão ocorre quando uma onda electromagnético incide num objecto com dimensões muito maiores que o comprimento de onda, λ, como por exemplo a superfície terrestre, um edifício ou árvores. Segundo a lei de Snell o ângulo de incidência da onda no objecto é igual ao ângulo de reflexão. Nesta situação pode acontecer que parte da potência seja transmitida ou refractada. O ângulo de transmissão depende do ângulo de incidência e da permeabilidade magnética e permitividade do objecto. Por outro lado, quando uma onda incide num objecto e sofre 27

46 28 Redes Celulares reflexão a onda reflectida pode sofrer dispersão de Rayleigh. Isto deve-se a rugosidades dos objectos ou a reflexões em partículas de dimensões muito menores que o comprimento de onda. Um outro fenómeno de propagação é a difracção em esquinas de objectos. Isto permite cobertura em zonas de sombra através da criação de várias frentes de onda. Este mecanismo é de especial importância em zonas urbanas onde não existe linha de vista (LOS) entre emissor e receptor. A difracção depende directamente do grau de obstrução dos elipsóides de Fresnel. Quando existe LOS, as perdas em espaço livre podem ser facilmente determinadas a partir da distância de propagação (d) e pelo comprimento de onda através da seguinte equação: (2.10) Contudo, numa situação real o sinal recebido no terminal resulta da combinação de vários destes efeitos (Figura 2.17), o que exige utilização de modelos de propagação complexos que têm em conta grande parte destes efeitos. Figura Sinal recebido num terminal [9] Modelos de propagação Existem três tipos de modelos de propagação distintos: modelos empíricos, semiempíricos e determinísticos. Os modelos empíricos são os mais amplamente usados e consistem na utilização de equações baseadas na utilização de medidas exaustivas empíricas do ambiente em causa e como tal só podem ser usados em ambientes semelhantes aos das 28

47 29 medições. Pequenas alterações nas características dos ambientes podem causar erros grosseiros na propagação prevista. Os modelos determinísticos, por outro lado, baseiam-se na propagação de ondas como raios (modelo de traçado de raios) que viajam entre emissor e receptor, tendo em conta reflexões, difracções e dispersão e outros. Este modelo oferece o modelo mais preciso mas requer grande processamento devido à complexidade de situações possíveis. Numa posição intermédia existem os modelos semi-empíricos que são uma combinação dos modelos empíricos e determinísticos Okumura-Hata O modelo Okumura-Hata é largamente utilizado para simulação de macro-células. Este modelo baseia-se num conjunto de medidas efectuadas por Y. Okumura na cidade de Tóquio e nas relações matemáticas empíricas estabelecidas por Hata a partir dos gráficos destas medições. As formulações de Hata são matemática muito simples e de implementação básica. Ao valor da atenuação em espaço livre são adicionados factores de correcção obtidos a partir das curvas, relacionados com a variação da altura da BS ou do UE, irregularidades no terreno e acréscimo de atenuação em áreas de densa construção [1]. O modelo Okumura-Hata, à semelhança de outros, atribuiu factores de correcção tendo em conta o tipo de ambiente de propagação, o designado clutter. Tipicamente são definidos três tipos de ambientes distintos. As zonas urbanas são as zonas mais densamente povoadas e de edifícios de maiores dimensões, áreas comerciais e industriais. Nestas zonas são acentuados os efeitos de sombra devido aos edifícios e efeito de túnel devido aos arruamentos bem definidos. A cobertura de zonas de sombra é conseguida por difracção. As zonas suburbanas são zonas residenciais com alguns espaços abertos. Os prédios têm entre 2 e três andares e portanto o efeito de sombra não é tão significativo como em ambientes urbanos. Contudo, o efeito das árvores e da folhagem nos espaços verdes como jardins e parques podem introduzir perdas significativas adicionais. Os ambientes rurais caracterizamse por terrenos que podem ser planos, acidentados ou mesmo montanhosos. As residências encontram-se dispersas e a densidade de tráfego é baixa. As células utilizadas são de grandes dimensões, em que o relevo do terreno e a vegetação assumem especial importância. O modelo de Okumura-Hata é definido por: (2.11) onde h BS e h UE são as alturas da BS e do UE respectivamente. Os parâmetros A e B valem 69, 55 e 26,16 respectivamente. O parâmetro C depende do tipo de ambiente e deve ser usado para uma sintonia mais fina entre o modelo e a realidade. Para uma pequena ou média cidade: (2.12) 29

48 30 Redes Celulares A formulação de Hata é apenas válida para uma determinada gama de parâmetros e para terrenos pouco acidentados. A frequência deve estar compreendida entre 150 e 1000 MHz, a altura da antena de BS e do UE devem estar na gama m e 1-10 m respectivamente e o raio da célula compreendido entre 1 e 20 Km [1] COST 231-Hata Devido à limitação na banda de frequência em que o modelo Okumura-Hata se pode aplicar, surgiu uma evolução deste modelo designado COST 231-Hata com uma gama de frequências entre 1,5 e 2 GHz e portanto usável para 3G. A equação deste modelo é a mesma definida para o modelo Okumura-Hata, sendo os parâmetros A e B respectivamente 46,3 e 33,9 [1] Walfisch Ikegami Este modelo tem em conta mais parâmetros do cenário de propagação, o que permite maior precisão na estimativa do PL, como a altura dos edifícios, orientação das ruas, separação entre edifícios e largura das ruas. O modelo assume que os edifícios possuem dimensões semelhantes e se encontram uniformemente espaçados e que o terreno é plano na área da célula. O modelo COST 231-Walfisch Ikegami é dividido em duas partes: LOS e sem LOS (NLOS). A altura dos edifícios é usada para determinar se existem LOS no percurso ou não. O PL deste modelo é calculado por: (2.13) onde L rst é a difracção no topo dos edifícios e L msd é a perda por difracção definidas da seguinte forma: (2.14) (2.15) em que w é a largura das ruas, h R e (2.16) onde é o ângulo em graus que a rua faz com o caminho de propagação. Este modelo é válido para frequências na banda MHz, o raio da célula deve estar compreendido entre 20 m e 50 km, o que faz deste modelo o mais indicado para microcélulas. As alturas das antenas dos móveis e das BSs devem estar compreendidas entre 1 e 3 m e entre 4 e 50 m respectivamente. 30

49 UMTS850 versus UMTS2100 A diferença no PL entre as bandas 900 MHz e 2100 MHz pode ser de cerca de 10 db, mas a diferença entre 850 MHz e 900 MHz é de apenas 0,45 db [16]. Assim, na comparação das bandas 850 MZ e 2100 MHz serão por vezes utilizados resultados obtidos para a banda 900 MZ sem perda de validade Desempenho do receptor e emissor Devido à pequena diferença de frequência entre portadoras DL e UL (45 MHz) e à pequena diferença entre as bandas em UL e DL (20 MHz) e à utilização da mesma tecnologia de dimensões semelhantes as perdas de inserção do duplexer em UE na banda dos 850 MHz é superior às perdas na banda dos 2100 MHz. Por este motivo o 3GPP relaxou em 2 db o requisito de sensibilidade para UE na banda dos 850 MHz, resultando numa sensibilidade para DPCH de -115 dbm [17]. Por outro lado, os requisitos de sensibilidade das BS UMTS850 não são alterados (-121 dbm), uma vez que não existem constrangimentos nas dimensões máximas dos equipamentos utilizados, sendo as perdas de inserção semelhantes às dos equipamentos destinados a UMTS2100 [18] Vantagens de UMTS850 sobre UMTS2100 AS vantagens de UMTS850 sobre UMTS2100 derivam da utilização de portadoras de mais baixas frequências. As portadoras na banda dos 850 MHZ propagam-se mais facilmente que as portadoras na banda Isto pode ser visto directamente através dos modelos de propagação na Secção 2.7.2, que dependem directamente da frequência. Melhor propagação significa melhor cobertura, cerca de 2 a 4 vezes melhor cobertura [19-20], o que sob o ponto de vista da operadora se traduz na redução do número de BSs necessárias como mostra o estudo de um exemplo prático apresentado na Tabela 2.8. Por outro lado, melhor propagação permite maior cobertura indoor. Prevê-se uma melhoria de cerca de 25 % da cobertura indoor [19]. Tabela Redução do número de BSs utilizando UMTS900 [19] Mas a melhoria da propagação não é a única vantagem. Os dispositivos electrónicos possuem geralmente maior ganho e menor figura de ruído para frequências mais baixas. Assim, os fornecedores de equipamentos podem fornecer equipamento mais barato e com melhores características de transmissão e de recepção [19-20]. 31

50 32 Redes Celulares Contudo, nem tudo são aspectos positivos para UMTS850. Um dos inconvenientes é por exemplo o tamanho das antenas a utilizar que deve ser o dobro das utilizadas em UMTS2100 para que o ganho das mesmas seja semelhante, apesar de este menor ganho das antenas poder ser colmatada com as melhores características de propagação e melhores amplificadores de potência. Melhor propagação também significa que sinais interferentes tanto em UL como em DL se irão propagar melhor. Isto significa que do ponto de vista do planeamento será necessário um ajuste mais fino da altura e da inclinação das antenas para reduzir as interferências [20] Comparação de cobertura e link budget As diferenças na cobertura devem-se a dois factores: diferenças no LB e diferenças na propagação. Aqui [20] é apresentado um LB comparativo entre UMTS900 e UMTS2100. De seguida são discutidas as principais diferenças em termos de LB Ganho das antenas As antenas utilizadas nas BSs podem ser mono-banda ou multi-banda. As antenas monobanda têm a vantagem de permitir uma optimização independente de outras tecnologias e/ou bandas que a mesma BS possa eventualmente suportar. Por outro lado, a necessidade de várias antenas para a mesma BS e mesmo sector acarreta mais custos. Em antenas multi-banda existe um compromisso entre a largura do feixe vertical/horizontal e o ganho da antena. Se por um lado se optar por obter o mesmo ganho para as diferentes portadoras suportadas, a largura do feixe diminui com o aumento da frequência. Em termos de LB não tem efeito, mas a cobertura e a capacidade resultantes são modificadas dado que as áreas de sobreposição entre diferentes sectores são diferentes. Por outro lado, pode-se optar por manter a largura de feixe para evitar estes efeitos e deixar o ganho da antena variar. Tipicamente isto traduz-se em diferenças de ganho de cerca de 2 a 3 db entre as duas bandas [20]. No entanto, para se obter antenas com ganhos aproximadamente iguais para UMTS850 são necessárias antenas com aproximadamente o dobro do tamanho das utilizadas para UMTS Perdas do cabo AS perdas dos cabos coaxiais aumentam com o aumento da frequência dos sinais. Isto significa que sistemas com iguais comprimentos de cabo entre antena e equipamento bandabase existe maior perda na banda dos 2100 MHz, por outro lado, devem-se usar cabos com menor perda para sistemas a funcionar numa banda mais elevada. A escolha do cabo tem impacto directo na determinação do LB [20]. 32

51 Perdas de penetração A propagação rádio entre o exterior e o interior de um edifício implica perda de alguma energia devido às perdas de transmissão do sinal na estrutura do edifício. Esta perda é referida como pedra de penetração (BPL) e depende não só da frequência da onda como do tipo de edifício, tipo de construção e piso. Na bibliografia a forma como a perda de penetração varia com a frequência não gera consenso. A dependência do BPL da frequência é objecto de grande discussão entre os investigadores. As diferenças entre abordagens podem estar relacionadas com o tipo de edifícios, material de construção ou tamanho relativo das janelas. A. Toledo [21] apresenta dados (Tabela 2.10) que mostram melhorias em 1 ou 2 db utilizando a banda dos 2300 MHz em detrimento da banda dos 900 MHz. O estudo de S. Aguirre [22], por outro lado, apresenta dados contraditórios (Tabela 2.9) que dizem que BPL aumenta com o aumento da frequência. Estas contradições motivam as operadoras a efectuar as suas próprias medições no sentido de avaliar como o BPL é afectado pela portadora num dado ambiente real. Tabela BPL como função decrescente da frequência [9, 20] Tabela BPL como função crescente da frequência [9, 20] Comparação da capacidade A capacidade das células deve ser equivalente, assumindo os mesmos requisitos de E b /N o e desde que se mantenha a interferência controlada. Em UMTS900 coloca-se o problema de sobreposição de bandas entre as tecnologias UMTS e GSM, o que causa interferência entre os sistemas. Em UMTS 850 esse problema é menos significativo uma vez, que apesar de UMTS850 e GSM900 utilizarem bandas adjacentes, ajustando convenientemente a separação entre as bandas se minimiza esta interferência. Outro motivo que poderá levar à redução da capacidade da célula é o aumento da interferência devido às melhorias significativas das condições de propagação. Caso a rede UMTS850 seja planeada como se de uma rede 33

52 34 Redes Celulares UMTS2100 se tratasse verificar-se-á maior sobreposição entre células adjacentes bem como um aumento da probabilidade de HO, o que diminui a capacidade da rede. Para reduzir este efeito é necessário aumentar o espaçamento entre BSs, aumentar as inclinações e baixar as alturas das antenas e baixar a potência emitida. 2.9 Planeamento celular O processo de planeamento de uma rede é algo complicado e consiste em várias etapas. O objectivo é desenvolver uma rede de qualidade tanto quanto possível. Por outro lado, existe a questão dos custos de operação (CAPEX) e manutenção (OPEX). Estes dois factores estão inter-ligados e são fortemente influenciados pelo número de utilizadores suportados pela rede e pela qualidade de serviço que lhes é prestada Etapas de desenvolvimento de uma rede celular Isto explica a complexidade do planeamento da rede, em que é necessário desenvolver um sistema com capacidade e cobertura suficientes a um custo reduzido. Na Figura 2.18 podemos ver o processo de desenvolvimento de uma rede celular. Os primeiros passos são levados a cabo antes do lançamento comercial da rede, enquanto a optimização é feita após o seu lançamento. Esta é uma fase do processo cíclica que nunca termina na tentativa de obter a melhor configuração possível da rede, através da alteração de alguns dos parâmetros da mesma [4]. Os principais passos no planeamento da rede são: pré-planeamento, planeamento, planeamento detalhado, aceitação e optimização. Aqui serão focados o pré-planeamento, planeamento e optimização. Figura Etapas do processo de planeamento de uma rede celular [4] Pré-planeamento A principal função do pré-planeamento é o dimensionamento da rede que dá uma configuração inicial partindo de um conjunto de critérios. São eles requisitos de cobertura em termos de nível de sinal requerido indoor, outdoor e in-car, juntamente com a probabilidade de cobertura; requisitos de qualidade como taxa de falhas e probabilidade de serviço; espectro de frequências disponível, número de canais e bandas de guarda necessárias; 34

53 35 informação de assinantes, incluindo tendências de evolução do número de clientes esperada; tráfego por utilizador esperado; e serviços a suportar. Recorre ao cálculo do LB e a ferramentas específicas para dimensionamento. O dimensionamento oferece um planeamento preliminar da rede que será utilizado como ponto de partida da fase de planeamento. Deve incluir o número de elementos de rede previsivelmente necessários Planeamento É a base para um planeamento nominal da rede e envolve planear a capacidade e cobertura da rede usando uma ferramenta de simulação dedicada ao efeito. O objectivo é determinar a localização óptima das BSs e sua configuração de forma a garantir cobertura contínua de acordo com os requisitos de planeamento. A ferramenta de planeamento deve incluir informação sobre topografia e morfologia do terreno e modelos de propagação adequados à situação real. O resultado final deverá ser os planos de cobertura final detalhada e plano de capacidade. São desenhados mapas de cobertura da área planeada e apresentada a configuração e localização finais das BSs Optimização A optimização da rede é um processo contínuo sem fim que se inicia com o lançamento da rede. A optimização é feita com base em toda a informação da rede e seu estado. As estatísticas da rede, os alarmes gerados e o tráfego são cuidadosamente registados. Além dos registos do comportamento da rede são ainda usadas medidas efectuadas em testes específicos no sentido de analisar um dado problema da rede ou detectar problemas Ferramentas de planeamento rádio móvel No planeamento da rede 3G deste trabalho foi usado o módulo 3G da AIRCOM International Lda. Este módulo é uma ferramenta de planeamento de redes apropriada para redes WCDMA. O propósito da sua utilização foi o dimensionamento e planeamento da rede UMTS. Esta ferramenta permite definir as portadoras a utilizar; definir os modelos de propagação apropriados; configurar os parâmetros e características das BSs, nomeadamente tipo de antena, inclinações, azimute, diagrama de radiação, potência, entre outros; configurar os parâmetros do UE, nomeadamente potência; modelar diferentes serviços que em modo de pacote quer modo circuito; modelar o tráfego, distribuindo-o por zonas e ambientes; simulara rede tendo em conta mecanismos de controlo de potência, handover, controlo de admissão; e representar o desempenho da rede em diferentes gráficos e estatísticas ilustrativas e recolher valores estatísticos. 35

54 36 Redes Celulares Processo de planeamento rádio O processo de planeamento e simulação da rede deve seguir o diagrama apresentado na Figura Este processo começa pela configuração de todos os parâmetros da rede de forma a reproduzir ao máximo a situação real. Nesta fase criam-se os terminais, configurando a forma como estes se distribuem na área a planear e o número total a distribuir; definem-se os serviços atribuindo-lhes parâmetros QoS adequados e taxas de penetração; definem-se os modelos de propagação, antenas e seus parâmetros a usar nas BSs, portadoras e localização das BSs. Esta fase do processo é desenvolvida no Capítulo 3. Após a configuração procede-se à simulação definindo-se os parâmetros de simulação e escolhendo-se os resultados que se pretendem analisar. Estes resultados podem ser obtidos na forma de gráficos ilustrativos do desempenho da rede ou pela geração de relatórios. Isto é feito no Capítulo 4. Figura Processo de simulação no módulo 3G da Enterprise [23] 36

55 Capítulo 3 Pré-planeamento da rede 3.1 Introdução Este capítulo foca-se essencialmente na fase de dimensionamento, na definição de objectivos de desempenho e na configuração dos parâmetros da rede. Na Secção 3.2 são apresentados os serviços previstos e as suas características, as configurações dos terminais e das células. Na secção 0 é discutida a forma de distribuir o tráfego pela área a planear e é apresentado o resultado desse espalhamento. Na secção 3.4 é determinado o link budget para os vários serviços e para as duas bandas de frequência em estudo e na Secção 3.5 é determinado o número de sites que se prevê necessário. Na secção 3.6 é apresentado o resultado do dimensionamento efectuado nas secções anteriores. 3.2 Parâmetros de entrada Serviços Numa rede 3G um UE está habilitado a estabelecer e manter várias ligações em simultâneo. A rede permite também ligações com requisitos de qualidade de serviço (QoS) diferentes. A qualidade do serviço pode ser resumida em dois parâmetros principais: o máximo débito binário e os atrasos permitidos. Os serviços multimédia podem ser classificados em 4 categorias: de conversação, de distribuição, interactivos e de background. Os serviços de conversação são para aplicações de voz e são os mais sensíveis aos atrasos. Um exemplo é o serviço VoIP. Os serviços de distribuição referem-se a um serviço contínuo do tipo servidor-utilizador, como por exemplo o streaming de vídeo. Web browsing é um típico serviço interactivo. O utilizador requer dados a um servidor remoto e este responde aos pedidos. O utilizador poderá aceder a informação como notícias, horários de transportes 37

56 38 Pré-planeamento da rede públicos, entre outros. A classe de background é apenas serviços de transferência de dados como correio electrónico e é a classe de serviço menos exigente em termos de QoS Serviços previstos Com base no tráfego actualmente registado na rede 2.5G comercialmente disponível, para o caso de estudo deste trabalho prevê-se que os principais tipos de serviço passíveis de serem utilizados sejam serviços web browsing (http), cerca de 90%, e de transferência de correio electrónico e de ficheiros (FTP), cerca de 10%. Estes serviços enquadram-se nas classes de serviço interactivo e de background, respectivamente, e são serviços baseados em comutação de pacotes (PS). Cada um destes serviços é passível de utilizar diferentes débitos binários, podendo as taxas de transmissão ser simétricas ou assimétricas. Os serviços contemplam débitos semelhantes em UL, 64 Kbps, enquanto em DL prevê-se utilização de débitos mais elevados (64, 128 e 384 Kbps). Esta escolha deve-se à natureza assimétrica do tráfego causada pelo tipo de serviço em causa Modelo de tráfego O modelo de tráfego definido no simulador é apresentado na Figura 3.1. Durante uma sessão de pacotes são efectuadas várias chamadas de pacotes. O tempo decorrido entre cada chamada é o designado tempo de leitura entre chamadas. Por sua vez, em cada chamada são trocados pacotes com diferentes durações. A duração de um pacote depende do tamanho médio do pacote e do débito binário. Figura Pacotes numa sessão de dados [23] Parâmetros QoS Para cada um dos serviços previstos foram escolhidos os parâmetros de QoS por ambiente que se consideram convenientes. O resultado é apresentado na Tabela 3.1. Os valores de 38

57 Rural Sub-urban URBAN Eb/ N0 em UL (db) Eb/N0 em DL (db) Soft HO? Débito médio (bps) Tamanho médio pacotes Nº médio Chamadas por sessão Tempo de leitura (s) Nº médio Pacotes por chamada Tempo médio entre chegadas de pacotes (s) Taxa de Retransmissão (%) Factor Actividade equivalente (%) 39 E b /N o requeridos para cada serviço são os apresentados na Tabela 2.4 Os restantes parâmetros foram retirados da referência [24]. Como podemos ver pela Tabela 3.1, os parâmetros dos serviços dependem do ambiente. Se tivermos ainda em conta que os serviços de classe de serviço interactivo e de background apresentam outros parâmetros de simulação distintos, seria necessário definir 18 serviços diferentes, o que seria demasiado. Assim, achou-se conveniente definir apenas dois serviços por débito (Tabela 3.2), um interactivo e outro de background, contendo estes serviços os parâmetros mais exigentes de cada serviço. Os parâmetros por serviço são apresentados na Tabela 3.1, em que os parâmetros mais exigentes se encontram assinalados. Tabela 3.1 Modelo de tráfego e QoS por serviço e por ambiente Parâmetros PS (UL e DL) Serviços PS 64 Kbps 2 5,5 S , ,5 PS 128 Kbps 1,5 5 S , ,7 PS 384 Kbps 1 4,5 S , ,29 PS 64 Kbps 2,5 5 S , ,5 PS 128 Kbps 2 4,5 S , ,7 PS 384 Kbps 1,5 4 S , ,29 PS 64 Kbps 3,3 5 S , ,5 PS 128 Kbps 3 4,5 S , ,7 PS 384 Kbps 2 4 S , , Definição dos serviços Para cada serviço é necessário configurar os seguintes parâmetros: tipo de tráfego, voz (CS), RT (CS) ou NRT (PS); soft HO, se o serviço suporta soft HO ou não; modelo de ruído, forma de mapear E b /N o requerido e BER; portadoras (definidas na Secção ); valores de E b /N o em DL e UL; classe de tráfego, comutação, distribuição, interactivo ou background; parâmetros PS em DL e UL, débitos binários médios, número médio de chamadas por sessão, tempo de leitura entre chamadas, número médio de pacotes numa chamada, tempo médio entre pacotes, taxa de retransmissão e atraso sofrido por 95% dos utilizadores. Alguns destes parâmetros encontram-se ilustrados na Figura 3.1. Os parâmetros introduzidos resultam na Tabela 3.2. Alguns destes valores encontram-se já definidos por defeito na própria ferramenta. A cada serviço definido no simulador deve ser alocado um tipo de terminal. 39

58 Eb/ N0 em UL (db) Eb/N0 em DL (db) Tamanho médio pacotes Nº médio Chamadas por sessão Tempo de leitura (s) Nº médio Pacotes por chamada UL DL Tempo médio entre chegadas de pacotes (s) Taxa de Retransmissão (%) Factor Actividade equivalente para CS (%) Atraso sofrido por 95% dos utilizadores (frames) 40 Pré-planeamento da rede Tabela 3.2 Parâmetros de entrada de cada serviço (modelo de tráfego) Serviços HTTP64/64 3,3 5, ,0625 0, ,5 250 HTTP64/128 3, ,0625 0, ,7 250 HTTP64/384 3,3 4, ,0625 0, , FTP64/64 3,3 5, ,0625 0, , FTP64/128 3, ,0625 0, , FTP64/384 3,3 4, ,0625 0, , Terminais Hoje em dia os utilizadores de uma rede móvel possuem os mais variados tipos de terminais móveis com diferentes propriedades. É necessário definir o tipo e as propriedades dos terminais necessários para os utilizadores da rede e descrever a sua distribuição geográfica. Dado que a AIRCOM recomenda que se use um terminal por serviço, foram configurados seis terminais. Isto não significa que sejam necessário colocar seis terminais distintos à venda ou que para aceder a um determinado serviço apenas se possa utilizar um dado terminal. Esta é apenas uma situação de simulação Definição de terminais Em cada tipo de terminal é necessário efectuar configurações relacionadas com os parâmetros 3G dos equipamentos, com os serviços suportados e com a distribuição do tráfego. Os parâmetros 3G abarcam a potência máxima de transmissão do terminal, a gama dinâmica, o degrau de potência, o ganho da antena, a figura de ruído do receptor e ainda o E c /I o requerido. Estes valores foram definidos de forma igual para todos os seis terminais. É de referir que existem já há algum tempo vários tipos de terminais no mercado com características melhoradas. Um exemplo é os receptores que usam interface USB para se ligarem a computadores pessoais. Estes terminais apresentam uma potência máxima superior, cerca de 24 dbm (classe 4) em relação aos terminais convencionais (classe 1 ou 2). Contudo, optou-se por utilizar equipamentos de classe 1, por ser a situação mais desfavorável. Os parâmetros 3G dos terminais podem ser consultados na Tabela 3.3, obtidos a partir da referência [15]. 40

59 41 Potência Máxima do Terminal Ganho da antena Tabela Parâmetros 3G dos terminais Gama Dinâmica de Transmissão Figura de ruído Degrau de Potência E c /I 0 Requerido 21 dbm 0 dbi 65 db 9 db 1-15 A gama dinâmica de transmissão é a variação máxima de potência que o terminal consegue. Assim, definida a potência máxima, a potência mínima é a diferença entre a potência máxima e a gama dinâmica. O degrau de potência é o passo de potência usado no terminal. E c /I o requerido é a relação sinal/interferência que o canal de piloto deve satisfazer para que se possa estabelecer uma ligação. Para este valor foi usado o definido por defeito na ferramenta. Em relação aos serviços, podem ser alocados vários a um terminal. Contudo, é aconselhado que se atribua um serviço por terminal para que se possa efectuar a distribuição de serviços de forma independente. Isto permite também visualizar os resultados por serviço. Esta foi a prática seguida, correspondendo cada tipo de terminal a um serviço. A configuração dos terminais serve também para fazer a distribuição de tráfego e definir o número total de terminais móveis a espalhar pela área a planear. A distribuição de tráfego pode ser feita por ambiente, o designado clutter, por vector ou por polígono. As distribuições de tráfego por clutter e por vector baseiam-se na atribuição de pesos a cada tipo de clutter/vector. Um polígono serve para atribuir um dado número de terminais à área geográfica coberta pelo mesmo. O estudo da distribuição de terminais será feito na Secção Células e sites Durante a fase de planeamento é necessário introduzir novos sites e alterar parâmetros das células para satisfazer os requisitos de qualidade da rede. Em cada site é possível configurar o modelo de propagação, que é o método de cálculo das perdas de propagação em todos os pixéis da célula; o tipo de antena usada, que faz uso dos modelos fornecidos pelos fabricantes de antenas que contêm os parâmetros de radiação da antena como o ganho, diagrama de radiação, frequência de funcionamento, polarização, inclinação e outros; os parâmetros das antenas como o azimute (orientação no plano horizontal) e inclinação (orientação no plano vertical); portadoras alocadas; e parâmetros 3G do Nó B. Parte destes parâmetros são ajustados durante as fases de planeamento e optimização da rede. Outros definem a própria rede e o ambiente que a envolve, sendo mantidos inalterados Parâmetros 3G À semelhança do terminal, é necessário configurar os parâmetros 3G no Nó B. Os principais parâmetros definidos são apresentados de seguida. 41

60 42 Pré-planeamento da rede A potência máxima é a potência máxima que o transmissor consegue entregar à antena (P TX_TOT da equação (2.9)). A potência do canal de piloto é a potência emitida pela portadora usada na célula. O factor de ortogonalidade representa a ortogonalidade entre os canais em UL e DL. Este parâmetro é compreendido entre 0 e 1. O valor 1 significa que há uma ortogonalidade perfeita. Devido à propagação multi-percurso a ortogonalidade é mais baixa, sendo tipicamente 0,65 para macro-células e 0,9 para micro-células. O tamanho do active set limita o número de células que podem estar ligadas a um terminal em simultâneo durante o handover, tipicamente 3. O limite de interferência (Noise Rise) é o máximo valor de interferência suportada. Em UL um terminal candidato será rejeitado se a sua potência de transmissão requerida provocar um aumento de interferência que exceda este limite. Tipicamente para determinar este valor considera-se uma carga máxima em UL de 50 % e em DL de 75%, o que corresponde a uma margem de interferência de 3 db e 6 db, respectivamente. A janela de sof HO define o nível de E c /I o das células secundárias que pertence ao Active Set de um terminal. Para que uma dada célula pertença ao AS de um móvel o valor do seu E c /I o deverá ser maior ou igual à diferença entre o E c /I o da célula primária e a janela de sof HO. A configuração usada para as várias células é apresentada na Figura 3.2. Os parâmetros usados foram obtidos a partir da referência [15]. 42

61 43 Figura Parâmetros 3G das células Modelos de propagação Os modelos de propagação foram já introduzidos na Secção do Capítulo 2. O simulador dispõe de dois modelos de propagação, para micro-células e macro-células. O modelo usado é destinado a macro-células e é baseado nos modelos Okumura-Hata e COST 231-Hata. O modelo do simulador é descrito pela seguinte equação: (3.1) Em que as constantes K são definidas pelo planeador, diffn são as perdas por difracção calculadas pelo simulador segundo o modelo escolhido pelo planeador e C Loss são as perdas por obstrução em função dos diferentes clutters. Comparando esta equação com as equações Okumura-Hata e COST 231-Hata (equação (2.11)) tem-se que: (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) e (3.6) Para os valores de K 4 e K 7 foram utilizados os sugeridos pela AIRCOM [23]. O modelo usado para determinar as perdas por difracção foi o Epstein Peterson e o valor C Loss foi considerado igual para todos os clutters e igual a zero. Os valores determinados e consultados para os valores de k são apresentados na Tabela 3.4. Tabela Constantes K do modelo de propagação Modelo de Propagação f (MHz) K 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 K 7 Hata ,9-2, ,82-6,55 0,7 Hata ,9-2, ,82-6,55 0, Portadoras Foram configuradas quatro portadoras no simulador: duas para cada uma das bandas em estudo, uma para UL e outra para DL. Uma portadora é definida pelo UARFCN, como referido 43

62 44 Pré-planeamento da rede no Capítulo 2, secção As portadoras e os respectivos UARFCN introduzidos no simulador são apresentadas na Tabela 3.5. Portadora (MHZ) Tabela Portadoras utilizadas no simulador UL DL Banda (MHz) UARFCN Portador a (MHz) Banda (MHz) UARFCN UMTS ,4 823,9 828, ,4 868,9 873, UMTS ,4 1919,9 1924, ,4 2109,9 2114, Antenas Dado que são utilizadas duas bandas distintas podem ser usadas duas antenas distintas ou uma única antena multi-banda, como referido na secção Contudo, em termos de simulação são usados dois modelos de antenas distintos, fornecidos pelo fabricante. Os modelos utilizados foram fornecidos pela KATHREIN-Werke KG [5]. Para a portadora de 850 MHz utilizou-se uma antena que tem como frequência central 870 MHz, dado que para esta banda, e esta era a antena com frequência de funcionamento mais próxima. O mesmo método de escolha foi seguido para a banda dos 2100 MHZ: e a antena com frequência de funcionamento mais próxima tem como frequência central 1950 MHz. Nas Figura 3.3 e Figura 3.4 são apresentados as principais características destas antenas. Como podemos ver as características das antenas favorecem a banda dos 2100 MHz, dado que o ganho da antena apresenta maior ganho, o que favorece o LB e a largura horizontal do feixe é mais estreita, cerca de 60º, pelo que é suficiente estreita para evitar interferência entre sectores de um mesmo Nó B. Contudo, a largura vertical do feixe também é mais estreita. 44

63 45 Figura 3.3 Principais parâmetros da antena utilizada na banda dos 850 MHz Figura Principais parâmetros da antena utilizada na banda dos 2100 MHz 45

64 46 Pré-planeamento da rede 3.3 Distribuição do tráfego O caso de estudo é a cidade da Praia em Cabo Verde e é apresentada na Figura 3.5 numa vista satélite desta cidade. Como se pode ver esta área é composta por contrastes com zonas densamente povoadas tipicamente urbanas e zonas bastante despovoadas rurais. Com o objectivo de conter a maior parte das zonas povoadas foi desenhado um polígono envolvente. Este polígono irá servir para melhor distribuir o tráfego pelas zonas mais povoadas e para obter resultados estatísticos sobre uma área contida bem definida. Na Figura 3.6 pode-se ver uma representação da zona a planear e o polígono desenhado. A resolução usada é de 20 metros, a maior possível. Figura Área a planear 46

65 47 Figura Distribuição da zona a planear por tipo de clutter Os terminais e os modelos de propagação dependem do ambiente em que os dispositivos se encontram. Desta forma é necessário atribuir cada um dos clutters a um ambiente de propagação. Esta atribuição é efectuada na Tabela 3.6. Tabela Atribuição de cada tipo de clutter a um ambiente Ambiente Urbano Suburbano Rural Clutter Urban Urban_open_space Building_blocks Dense_residential-low_vegetation Residential-medium_vegetation Industrial Village Airport Open Bush_thicket A zona a planear tem 17,63 Km 2 de área repartida em 2,18 Km 2 de zona urbana, 8,06 Km 2 de zona suburbana e 7,4 Km 2 de zona rural. Em termos de perfil do terreno podemos ver as curvas de nível da cidade na Figura 3.7. A altura máxima atingida no interior do polígono é 200 m. 47

66 48 Pré-planeamento da rede Figura Curvas de nível da zona a planear Número de terminais a espalhar Para determinar o número de terminais a espalhar no interior do polígono recorreu-se à previsão de população na cidade da Praia para 2009 por zona e consideram-se três taxas de penetração distintas (1%, 2% e 3%) dos serviços 3G para uma fase inicial, obtendo-se o número de assinantes previsto. Deste número total de assinantes considerou-se que numa situação real de funcionamento da rede apenas 10% destes assinantes estariam a efectuar chamadas em simultâneo. A partir destes dados e da taxa de utilização actualmente verificada para serviços GPRS/EDGE, determinou-se que o número de terminais a distribuir no interior do polígono seria de cerca de 180. Partindo deste dado, definiu-se uma distribuição dos terminais por tipo de serviço, sendo esta distribuição semelhante paras os três tipos de ambientes considerados (urbano, suburbano e rural). Para efectuar esta distribuição considerou-se, como já referido na Secção , que a taxa de penetração de serviços http seria de cerca de 90% e dos serviços FTP 10%. Assim, dos 180 terminais a espalhar cerca de 160 usariam serviços de web browsing e 20 terminais estariam a fazer uso de serviços FTP. Por outro lado, prevê-se que numa fase inicial os serviços de mais baixo débito sejam os mais requisitados, dado que os utilizadores continuam a fazer uso dos serviços suportados por 2.5 G, que são de mais baixo débito, e a transição para serviços de mais alto débito será um pouco mais lenta. Deste modo, a distribuição de terminais por serviço resulta na Tabela

67 49 Considerou-se ainda um pequeno acréscimo do número de terminais por cada serviço relacionado com a previsão de crescimento das urbanizações na zona Sudoeste da cidade, onde se localizarão parte dos potenciais clientes, o que requer um especial cuidado na determinação da cobertura desta zona. Este acréscimo foi introduzido na ferramenta através de um polígono adicional que simula os novos terminais, como representado na Figura 3.6. Tabela Distribuição de terminais por serviço Distribuição HTTP 64/64 HTTP 64/128 HTTP 64/384 FTP 64/64 FTP 64/128 FTP 64/384 Total D Distribuição de tráfego por clutter Para se distribuir o tráfego de forma equilibrada (mais terminais em zonas mais densamente povoadas) é necessário atribuir no simulador diferentes pesos a cada tipo de clutter. É expectável que em zonas urbanas a densidade de terminais seja maior, daí que os pesos atribuídos aos clutters desta zona também sejam maiores. Por outro lado, nas zonas rurais e nos clutters correspondentes não se espera grande tráfego e como tal os pesos atribuídos foram baixos. A distribuição de pesos por clutter é apresentada na Tabela 3.8. Tabela Distribuição de pesos por clutter Ambiente Clutter Peso Urban 20 Urbano Urban_open_space 12 Buildin_blocks 20 Dense_residential-low_vegetation 16 Suburbano Residential-medium_vegetation 12 Industrial 12 Village 2 Rural Airport 1 Open 1 Bush_thicket 1 Estes pesos não são normalizados. O facto de, por exemplo, o clutter Building_Blocks ter peso 20 significa que a densidade de terminais nesta zona é de 20 vezes superior à densidade de terminais no clutter Open do ambiente rural. Esta distribuição foi igual para todos os serviços Resultados do tráfego espalhado De seguida procedeu-se ao espalhamento do tráfego para os diferentes serviços. Dos gráficos obtidos da distribuição de tráfego a partir das Tabela 3.7 e Tabela 3.8 verificou-se 49

68 50 Pré-planeamento da rede que, qualquer que seja o serviço, a densidade de terminais é maior em zonas mais densamente povoadas (ambientes urbano e suburbano), assim como na zona do loteamento. Comparando os diferentes serviços verifica-se que o serviço que apresenta maior densidade de terminais é o serviço HTTP64/64. A distribuição de tráfego para este serviço é apresentada a título ilustrativo na Figura 3.1 Figura Resultado do tráfego espalhado do serviço HTTP64/64 (Terminais/Km 2 ) 3.4 Determinação do link budget Como referido na Secção 2.9.1, o projecto de uma rede celular começa com o préplaneamento e dimensionamento da rede. O dimensionamento baseia-se essencialmente na elaboração de um link budget por serviço e por ambiente. O LB deve ser balanceado entre UL e DL, o que significa que as perdas em DL e UL serão semelhantes (definidas pelos modelos de propagação), diferindo apenas num pequeno factor de correcção devido à utilização de portadoras em diferentes bandas. O LB é tipicamente limitado em UL, uma vez que a potência máxima emitida pelo UE é limitada. Assim são determinados LBs para UL, DL e canal de piloto. O LB em UL serve para determinar as perdas máximas permitidas e a partir desse valor o raio da célula. Em DL determina-se a potência máxima de transmissão no Nó B por ligação. 50

69 51 A determinação do LB teve em conta valores típicos dos parâmetros necessários por ambiente e por serviço. Alguns destes parâmetros foram já aqui definidos e apresentados alguns valores típicos. Outros são definidos de seguida Considerações gerais sobre o cálculo do LB Os objectivos em termos de cobertura por serviço que se pretendem atingir não distinguem o tipo de ambiente e são apresentados na Tabela 3.9. A mesma probabilidade de cobertura foi assumida para o limite da célula na determinação do LB. Partindo deste valor e do desvio padrão do desvanecimento do sinal (Shadowing Fading) definido na Tabela 2.5 determinou-se a margem de Shadow. Tabela Probabilidade de cobertura objectiva por serviço Probabilidades de Cobertura (%) PS 64 Kbps PS 144 Kbps PS 384 Kbps Assumiu-se que o UE típico é de classe 4 e que o ganho da antena é de 0 dbi. Ainda ao que o UE diz respeito, assumiu-se um valor de BPL de 12,8 db conforme a Tabela 2.9 e uma perda corporal (BL) de 0 db, uma vez que não se prevê utilização do terminal junto à cabeça (apenas se prevêem serviços de dados). Foi atribuída uma potência máxima para canais dedicados de 70 % da potência total e 6% para o canal de piloto. Os restantes parâmetros, nomeadamente outros ganhos e margens definidos no LB foram estabelecidos com base na discussão efectuada na Secção 2.5. A estratégia de cálculo do LB consistiu em começar por efectuar a análise em UL. A partir do E b /N o requerido pelo Nó B e da potência de ruído, determinou-se a potência de sinal necessária e a potência mínima a receber. A partir deste valor e da potência emitida pelo UE determina-se a perda de propagação (PL). Este valor limita a distância máxima de propagação que é calculada através do modelo de propagação. Como o LB deve ser balanceado, a perda de propagação em UL é utilizada para obter a perda em DL. Desta forma, e pelo processo inverso ao efectuado para UL, determina-se a potência por ligação que o Nó B deve transmitir. O quociente entre a potência necessária por ligação e a potência máxima disponível para canais dedicados determina o número máximo de ligações em termos de potência Determinação do LB para UMTS2100 Para UMTS2100 considerou-se 5 db de perdas dos cabos e a antena da Figura 3.4 com ganho 16,4 dbd (18,55 dbi). Na Tabela 3.10 é ilustrado o cálculo do LB para o caso de serviços PS com débitos em UL e DL de 64 Kbps e 384 Kbps, respectivamente, num ambiente urbano e para portadoras na 51

70 52 Pré-planeamento da rede banda dos 2100 MHz. O modelo de propagação utilizado foi o COST 231, que é o adequado à banda de portadoras em causa. Tabela Cálculo ilustrativo do Link Budget para serviços PS64/384 e para UMTS2100 Potência máxima no Nó B dbm 43,00 Potência máxima do UE dbm 21,00 Probabilidade de cobertura (P cob ) % 85,0 Modelo de propagação COST 231 Ambiente Urbano Desvio padrão Log-Normal Shadow (σ LNF ) db 7,0 Link Budget Piloto DL UL Frequência da portadora MHz 2.112, , ,40 Débito de chips Mcps 3,84 3,84 3,84 Débito binário kb/s 384,00 64,00 Carga % Percentagem de potência da portadora % 6 70,00 100,00 Potência máxima disponível dbm 30,79 41,45 21,00 Transmissor Nó B Nó B UE Potência por ligação (P ligação ) dbm 30,79 29,09 21 Perda do cabo db 5,00 5,00 0,00 Ganho da antena dbi 18,55 18,55 0 EIRP de pico dbm 44,34 42,64 21,00 UE Piloto DL UL Perdas corporais db Perdas de penetração db 12,80 12,80 12,80 Margem Log-Normal Shadow db 7,30 7,30 7,30 Margem total de desvanecimento (MD) [db] 20,10 20,10 20,1 Receptor UE UE Nó B Temperatura de ruído K 293,00 293,00 293,00 Densidade de ruído térmico dbm/hz -173,93-173,93-173,93 Figura de ruído db 9,00 9,00 5,00 Densidade de ruído recebido dbm/hz -164,93-164,93-168,93 Potência de ruído recebido (P nr ) dbm -99,09-99,09-103,09 E b /N o Requerido db 4,50 2,00 Ganho de processamento db 10,00 17,78 Margem de interferência db 6,02 3,01 Ganho MDC db 1,20 0,00 E c /I o db -15,00-0,68-12,77 Potência do sinal requerida (PSR = P n +E c /I o ) dbm -110,06-98,77-115,86 Ganho de Soft HO db 0,00 2,00 2,00 Margem para controlo de potência db 0,00 0,00 3,00 Perdas do receptor d 0,00 0,00 5,00 Ganho da antena dbi 0,00 0,00 18,55 Potência mínima a receber (PMR) dbm -110,06-101,77-128,41 Perdas de propagação (PL=EIRP+MD+PMR) db 134,30 124,31 129,31 Factor de correcção em DL db 5,00 52

71 Rural Suburbano Urbano 53 Máximo PL no limite da célula em DL db 129,31 Raio máximo da célula Km 0,73 0,52 0,57 Determinações semelhantes foram feitas para os serviços de mais alto débito e para os diferentes ambientes. As diferenças entre o LB ilustrado para serviços PS64/384 e os restantes serviços limitam-se ao ganho de processamento que é determinado pelo débito binário do serviço, ao E b /N o conforme a Tabela 2.4 e a probabilidade de cobertura. Em termos de ambiente de propagação, as alterações efectuadas dizem respeito ao desvio padrão do Log-Normal Shadow, conforme a Tabela 2.5. Os resultados destes cálculos são apresentados na Tabela Os raios máximos de cobertura das células foram determinados a partir das perdas de propagação calculadas e dos modelos já aqui apresentados e não têm em conta o perfil de terreno em causa, apenas o tipo de ambiente. Tabela Resultados do Link Budget para os vários serviços e diferentes ambientes para UMTS2100 Serviço E b / N 0 UL (db) E b / N 0 DL (db) P cob (%) PL (db) Raio DL (Km) Raio UL (Km) P ligação (dbm) Nº máximo de ligações PS64/64 2 5, ,11 0,4 0,44 22,31 82 PS64/ ,61 0,48 0,52 24,82 46 PS64/ , ,31 0,54 0,59 29,09 17 PS64/64 2, ,21 0,53 0,58 21, PS64/128 2,5 4, ,41 0,62 0,68 23,82 58 PS64/384 2, ,91 0,68 0,75 28,09 22 PS64/64 3, ,11 4,32 4,58 20, PS64/128 3,3 4, ,91 4,88 5,18 23,02 70 PS64/384 3, ,11 5,3 5,62 27,29 26 O raio da célula permitido para ambientes urbanos é menor que o de ambientes rurais, o que se deve essencialmente às características de propagação definidas pelo modelo de propagação COST 231, dado que as perdas PL permitidas são aproximadamente iguais entre ambientes. Entre serviços, o PL é maior para serviços de mais baixo débito pelo facto de a exigência tanto em termos de E b /N o em DL como a probabilidade de cobertura exigidas serem superiores. Contudo, em serviços de baixo débito a potência exigida por ligação em DL é inferior, o que permite maior número de ligações considerando a mesma potência máxima disponível Determinação do LB para UMTS850 Como discutido na Secção 2.8.3, o LB utilizando portadoras na banda dos 850 MHz difere no ganho da antena, no BPL e nas perdas dos cabos. Dado que se prevê um PL bastante mais vantajoso na banda dos 850 MHz, a abordagem em termos de LB foi no sentido de considerar o pior cenário para esta banda, em comparação com a banda dos 2100 MHz. Assim, considerou-se que a perda de penetração diminui com a 53

72 54 Pré-planeamento da rede diminuição da frequência, de acordo com o discutido na Secção , em que a perda na banda dos 850 MHz é de 14, 2 db em detrimento dos 12,8 db utilizados no cálculo do LB de UMTS2100. Considerou-se ainda uma perda por atenuação do cabo no Nó B igual à utilizada para UMTS2100, o que implica que sejam utilizados cabos coaxiais de maior espessura para UMTS2100. Em termos de antenas, foi usada a da Figura 3.3, que apresenta um ganho de 14,7 dbd (16,85 dbi). Neste caso o modelo de propagação utilizado foi o Okumura-Hata. O LB ilustrativo para UMTS850 para o serviço PS64/384 e ambiente urbano (os mesmo utilizados no cálculo para UMTS2100) é apresentado na Tabela Tabela Cálculo ilustrativo do Link Budget para serviços PS64/384 e para UMTS850 Potência máxima no Nó B dbm 43,00 Potência máxima do UE dbm 21,00 Probabilidade de cobertura (P cob ) % 85,0 Modelo de propagação Okumura Ambiente Urbano Desvio padrão Log-Normal Shadow (σ LNF ) db 7,0 Link Budget Piloto DL UL Frequência da portadora MHz 871,40 871,40 826,40 Débito de chips Mcps 3,84 3,84 3,84 Débito binário kb/s 384,00 64,00 Carga % Percentagem de potência da portadora % 6 70,00 100,00 Potência máxima disponível dbm 30,79 41,45 21,00 Transmissor Nó B Nó B UE Potência por ligação (P ligação ) dbm 30,79 29,09 21 Perda do cabo db 5,00 5,00 0,00 Ganho da antena dbi 16,85 16,85 0 EIRP de pico dbm 42,64 40,94 21,00 UE Piloto DL UL Perdas corporais db Perdas de penetração db 14,20 14,20 14,20 Margem Log-Normal Shadow db 7,30 7,30 7,30 Margem total de desvanecimento (MD) db 21,50 21,50 21,5 Receptor UE UE Nó B Temperatura de ruído K 293,00 293,00 293,00 Densidade de ruído térmico dbm/hz -173,93-173,93-173,93 Figura de ruído db 9,00 9,00 5,00 Densidade de ruído recebido dbm/hz -164,93-164,93-168,93 Potência de ruído recebido (P nr ) dbm -99,09-99,09-103,09 E b /N o Requerido db 4,50 2,00 Ganho de processamento db 10,00 17,78 Margem de interferência db 6,02 3,01 Ganho MDC db 1,20 0,00 E c /I o db -15,00-0,68-12,77 Potência do sinal requerida (PSR = P n +E c /I o ) dbm -110,06-99,77-115,86 Ganho de Soft HO db 0,00 2,00 2,00 54

73 Rural Suburbano Urbano 55 Margem para controlo de potência db 0,00 0,00 3,00 Perdas do receptor d 0,00 0,00 5,00 Ganho da antena dbi 0,00 0,00 16,85 Potência mínima a receber (PMR) dbm -110,06-101,77-126,71 Perdas de propagação (PL=EIRP+MD+PMR) db 131,20 121,21 126,21 Factor de correcção em DL db 5,00 Máximo PL no limite da célula em DL db 126,21 Raio máximo da célula Km 1,75 1,25 1,30 À semelhança do efectuado para UMTS2100 foram determinados LBs para os restantes serviços e ambientes e os resultados são apresentados na Tabela Usando UMTS850, o número de ligações suportadas em termos de potência é o mesmo, dado que a potência por ligação é a mesma. Contudo, o raio da célula é consideravelmente maior. Verifica-se um aumento do raio da célula de 2 a 3 vezes utilizando UMTS850 (acréscimo do raio). Tabela Resultados do Link Budget para os vários serviços e diferentes ambientes para UMTS850 Serviço E b / N 0 UL (db) E b / N 0 DL (db) P cob (%) PL (db) Raio DL (Km) Raio UL (Km) Acréscimo do raio PS64/64 2 5, ,01 0,94 0,98 2,35 PS64/ ,51 1,11 1,16 2,31 PS64/ , ,21 1,25 1,3 2,31 PS64/64 2, ,11 1,98 2,04 3,74 PS64/128 2,5 4, ,31 2,3 2,37 3,71 PS64/384 2, ,81 2,54 2,63 3,74 PS64/64 3, ,01 7,43 7,62 1,72 PS64/128 3,3 4, ,81 8,4 8,61 1,72 PS64/384 3, ,01 9,12 9,35 1, Determinação da carga da rede Apesar de em termos de potência cada célula poder suportar um elevado número de ligações por serviço, o sistema pode ser limitado em termos de carga. Partindo das equações (2.6), (2.7) e (2.8) determinaram-se o factor de carga por utilizador, considerando Nós B de três sectores, com um little i de valor 0,65 e macro-células com factor de ortogonalidade α igual a 0,5. Para este cálculo consideraram-se serviços PS64/64. PS64/384 e PS64/384 com os valores de E b /N o mais exigentes. Partindo do factor de carga por utilizador, determinou-se o número de utilizadores suportados por célula, conforme a Tabela Deste valor e do número de terminais previstos por serviço (Tabela 3.7), previu-se que seriam necessários pelo menos 5 Nós B para suportar este tráfego. Para distribuir estes Nós B pela área a planear recorreu-se ao módulo 55

74 56 Pré-planeamento da rede 3G e à opção de dimensionamento, bem como aos raios previstos das células para so diferentes ambientes determinados na secção anterior. Tabela Determinação do número de Nós B necessários Eb/ N0 UL (db) Eb/ N0 DL (db) Utilizadores por célula Nº células Nº de Nós B necessários PS64/64 3,3 5, PS64/128 3, PS64/384 3,3 4, Resultados do dimensionamento A ferramenta de dimensionamento de tráfego permite visualizar o número de Nós B necessários numa dada área a planear a partir de alguns parâmetros definidos pelo planeador, e faz uso do princípio de células como hexágonos. Para isso, os terminais previstos foram distribuídos pela área a planear conforme descrito na Secção 0. As células utilizadas foram definidas a partir dos dados da Tabela 3.11 e satisfazem o serviço mais exigente por ambiente. Foram também definidos os azimutes para cada célula. O resultado é apresentado na figura. Podemos ver que o número de utilizadores suportados por cada célula é o adequado, com base nos limites de carga máxima e mínima definidos. 56

75 57 Figura Resultado do dimensionamento da rede Por fim, convém referir que esta etapa de dimensionamento é uma aproximação grosseira da realidade. Os valores assumidos são valores típicos que podem não ter correspondência com a realidade, dado que não são tidos em conta factores como o perfil do terreno. Assim, esta etapa (cálculo de LB, capacidade e cobertura) deve ser entendida como ponto de partida para o planeamento detalhado efectuado no Capítulo 4 com base em simulações que oferecem alguma garantia de correspondência com a realidade. 57

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77 Capítulo 4 Resultados do planeamento e optimização da rede 4.1 Introdução Este capítulo destina-se ao planeamento da rede a partir do dimensionamento efectuado no capítulo anterior e à apresentação dos resultados da simulação da rede prevista. Na Secção 4.2 são apresentados os pressupostos usados nas várias simulações e apresentados os diferentes resultados passíveis de serem obtidos. Na Secção 4.3 explica-se a metodologia seguida para o planeamento da rede, a rede resultante e os resultados de simulação da mesma. Na secção 4.4 são apresentados resultados de simulação para UMTS850 semelhantes aos obtidos para UMTS2100. São também apresentados e discutidos resultados do desempenho em termos de área de cobertura e de probabilidade de serviço para ambas as bandas e para diferentes configurações de sites e diferentes distribuições de tráfego. Por fim, na Secção 4.5 é apresentado um breve estudo do estado da arte de algumas técnicas de auto-sintonia. 4.2 Processo de simulação Algoritmo de Monte Carlo A ferramenta de planeamento 3G faz uso do algoritmo de Monte Carlo para efectuar simulações estáticas da rede. Uma simulação estática é um método de simulação em que o desempenho da rede é analisada em vários instantes de tempo distintos, designados snapshots e os terminais estão estaticamente localizados de acordo com a distribuição de tráfego. Cada snapshot ou fotografia apresenta um cenário diferente, sendo as localizações estatísticas dos terminais independentes entre fotografias consecutivas. Em cada fotografia os terminais são distribuídos pela área a planear de forma a satisfazer, em média, os pesos de tráfego configurados para cada tipo de clutter de acordo com uma distribuição de Poisson. Cada terminal tenta estabelecer ligação com uma ou mais células de modo a conseguir o serviço desejado. No processo de estabelecimento da ligação, testam-se as várias razões de 59

78 60 Resultados do planeamento e optimização da rede falha possíveis, nomeadamente insuficiência de SIR do canal de piloto, limite de noise rise ultrapassado em UL, potência insuficiente no Nó B ou no terminal, perdas excessivas no percurso e E b /N o insuficiente. Os resultados são guardados para cada fotografia e usados posteriormente para efeitos estatísticos. Cada fotografia fornece uma medição estática do comportamento da rede, sendo o desempenho da rede dado pela média dos resultados das várias fotografias. Desta forma, para que haja validade estatística, o número de fotografias deve ser elevado, sendo necessário estabelecer um compromisso entre o número de fotografias e o tempo de duração de cada simulação. Este algoritmo apresenta as vantagens de ser razoavelmente rigoroso nos resultados obtidos, ter complexidade moderada no processo de simulação e apresentar resultados de fácil interpretação. Contudo, não permite analisar o carácter dinâmico de uma rede real, não sendo possível modelar o efeito de deslocação dos UE ao longo da rede, ou seja, não há relação entre fotografias consecutivas Parâmetros de simulação Antes de efectuar uma simulação, é necessário configurar uma série de parâmetros no simulador. Entre os parâmetros de configuração em cada simulação estão a resolução da simulação; a taxa de chips do sistema UMTS; o desvio padrão do controlo de potência associado a imperfeições no mecanismo de controlo de potência; o número de células servidoras, que são o número de células que o simulador considera na determinação da célula primária, das células de HO e das células que causam interferência; o limite de E c /I o usado no cálculo do pilot polution, que limita o número de células que causam interferência no canal de piloto; e a correlação de interferência entre células do mesmo site e sites diferentes. Os valores configurados para estes parâmetros são apresentados na Figura 4.1. Figura Parâmetros de configuração das simulações 60

79 61 Um outro parâmetro a configurar de grande importância é o número de fotografias a utilizar em cada simulação. Segundo o manual de utilização do simulador, o número de fotografias necessário de modo a obter validade estatística depende da densidade de terminais, da resolução da simulação, e da distribuição dos terminais pelos diferentes tipos de clutter, entre outros. Este parâmetro foi determinado com base na experiência obtida a partir das simulações e constituiu um compromisso entre a duração da simulação e a validade estatística. Este parâmetro foi atribuído caso a caso para cada simulação Gráficos e relatórios gerados O simulador permite gerar em cada simulação um conjunto de gráficos e relatórios obtidos a partir dos vectores dos resultados produzidos, que permitem analisar e medir o desempenho da rede. Ao que aos gráficos diz respeito, estes podem ser obtidos por portadora e por serviço e baseiam-se na análise da rede pixel a pixel. Os relatórios gerados servem para analisar a área de simulação como um todo, bem como o desempenho das células individualmente. Os gráficos por serviço mais relevantes são: - Best Server, que assinala em cada pixel a melhor célula servidora, ou seja, a célula primária que melhor serve os terminais que caíram naquele pixel durante a simulação; - a probabilidade de cobertura, que dá a probabilidade de obter serviço em cada pixel; - a razão de falha, que, das razões de falha possíveis, dá aquela que é mais provável num dado pixel; - a probabilidade de falha por causa; - o Path Balance, que para cada pixel informa em caso de falha se esta ocorreu em UL, em DL ou em ambos os sentidos. Por portadora, os gráficos mais importantes são: - Best Server por piloto, que à semelhança do que acontece para os serviços assinala em cada pixel a célula que melhor serve, mas em termos de potência do canal de piloto recebida; carga da célula em UL, que assinala em cada pixel a carga média dessa portadora para a célula melhor servidora; E c /I o do canal de piloto; - o Pilot Strength, que dá a potência do piloto num dado pixel para a melhor célula servidora; - o número médio de poluidores do canal de piloto, que dá o número médio de canais de piloto que causam interferência num dado pixel, ou seja, que não pertencem ao AS nem são a célula primária; - a cobertura do canal de piloto. Os relatórios gerados permitem obter estatísticas da cobertura da zona planeada para os vários vectores. Estas estatísticas podem ser obtidas por clutter ou por polígonos definidos. É 61

80 62 Resultados do planeamento e optimização da rede possível também obter relatórios de falha, tráfego suportado e bloqueio por serviço e por célula, dando uma visão do desempenho de toda a rede. 4.3 Planeamento e simulação da rede Estratégia de planeamento No planeamento da rede considerou-se a utilização de uma única portadora para cobrir toda a área, rejeitando-se assim a utilização de uma estrutura hierárquica de células. A cobertura de zonas de elevado tráfego é feita utilizando células de dimensões menores, não havendo lugar a sobreposição para cobrir os designados hot spots. Privilegiou-se a utilização de sites ou Nós B sectorizados em três, em que cada sector cobre cerca de 120º, pois reduz a probabilidade de pilot polution, melhora níveis de cobertura e de capacidade de transmissão rádio. Em termos de localização, privilegiou-se a reutilização de sites 2G já existentes no terreno, apesar de não existirem quaisquer constrangimentos que impedissem a colocação de novos sites noutros sítios. A co-localização foi privilegiada dado que, apesar de este ser apenas um estudo, numa situação real o reaproveitamento de sites 2G é objectivo para reduzir os custos de investimento (CAPEX). Contudo, como é óbvio não é necessário utilizar todos os sites GSM, procedendo-se à escolha daqueles que permitem melhor desempenho. Ao que às alturas das antenas diz respeito, nos sites em que se conseguiu co-localização, restringiu-se a altura máxima das antenas às alturas dos sites existentes. Nas restantes situações considerou-se razoável usar antenas com alturas entre 15 e 30 metros, dependendo do ambiente e da existência de obstáculos que dificultem a propagação. A definição da configuração e localização dos sites foi um processo iterativo que partiu do resultado do dimensionamento apresentado no capítulo anterior e que só terminou com o atingir dos objectivos de cobertura apresentados na Tabela 3.9. Durante este processo foram vários os parâmetros de configuração que sofreram alterações. Outros permaneceram inalterados por definirem o ambiente e as condições de funcionamento da rede. Dos parâmetros definidos na secção 3.2, mais concretamente no que à configuração da rede diz respeito, os parâmetros mantidos inalterados foram por exemplo o modelo de propagação, a antena usada, a potência máxima de transmissão, tamanho máximo do AS, entre outros. Entre os parâmetros modificados múltiplas vezes no sentido de aumentar o desempenho a rede destacam-se, para além da localização e número de sites, os azimutes e inclinações das antenas. Para determinar a inclinação de cada antena partiu-se de uma determinação analítica como mostra o exemplo da Figura

81 63 Figura Exemplo de cálculo da inclinação das antenas Partindo do raio da célula da área que se pretende cobrir (no caso da figura 0,83 Km) e da diferença entre as alturas da antena e a altura do ponto mais distante da célula determinou-se o ângulo (α). A inclinação da antena é definida por, em que VBW é a largura do feixe vertical da antena utilizada. De focar que este é apenas um ponto de partida Rede resultante Na Figura 4.3 mostra-se o conjunto de sites UMTS a que se chegou para a distribuição de terminais (D1) da Tabela 3.7. De referir que se conseguiu total reutilização de sites GSM. Os resultados de desempenho desta rede são apresentados de seguida, começando-se por analisar o desempenho da rede por portadora e depois por serviço. 63

82 64 Resultados do planeamento e optimização da rede Figura Configuração de sites obtida para a distribuição de terminais D Avaliação do desempenho por portadora A avaliação do desempenho da rede por portadora baseia-se na análise do comportamento do canal de piloto. Na Figura 4.4 é apresentado o gráfico da melhor célula servidora por piloto. Como podemos ver as áreas de cobertura de cada célula estão relativamente bem definidas, tendo em conta que nesta fase em que se utilizam pouco sites, é mais difícil delimitar zonas de cobertura por célula, devido ao relevo do terreno e aos raios das células elevados. Verifica-se que, como previsto, as áreas de cobertura das células em ambiente urbano (células dos sites SERB, AGT e ACVM), onde existe mais tráfego, são menores, de modo a dividir de forma semelhante a carga pelas diferentes células, com se verifica na Figura 4.5. A carga em UL encontra-se bem distribuída pelas diferentes células e abaixo de 20%, por sua vez inferior ao limite imposto (50%). A cobertura do canal de piloto é avaliada usando vários vectores gerados pelo simulador. Como referido o Strength do canal de piloto (Figura 4.6) dá a potência do canal de piloto para a melhor célula servidora. Em zonas urbanas, onde existe maior número de sites, a força do sinal de piloto é maior, dado que o nível de sinal é mais contido através da utilização de inclinações mais elevadas para se obter células de menores raios de cobertura. Além disso, a potência do sinal requerido nestas zonas também é maior. 64

83 65 Em zonas mais rurais, com menor densidade de tráfego, como é o caso da zona superior do polígono definido, a potência do canal de piloto da melhor célula é baixa, não garantindo cobertura em certas zonas. Isto fica melhor evidenciado pela Figura 4.7, que apresenta a cobertura por canal de piloto. Este gráfico mostra a mesma informação que o anterior, mas com as potências agrupadas de acordo com a Tabela 2.6, que impõe limites mínimos de potencia do canal de piloto para diferentes ambientes e diferentes serviços. Assim a potência mínima do canal de piloto é de -102 dbm e como se pode ver as zonas rurais e suburbanas têm uma cobertura um pouco deficiente. Nas zonas urbanas a cobertura parece ser limitada para serviços de mais alto débito. As zonas rurais com cobertura de canal piloto deficiente são cobertas graças à combinação de sinais provenientes de diferentes células, como se mostra pela Figura 4.8. A zona mais crítica (zona norte do polígono) apresenta uma potência média recebida superior a -102 dbm, enquanto a potência recebida do canal piloto da célula servidora não atinge em certas situações os -120 dbm. Pelo conjunto de valores que apresenta a potência de ruído média (Figura 4.9), resultante maioritariamente da interferência de outras células, verificamos que é nas zonas em que o nível médio de sinal é maior que a densidade de potência do ruído também é superior, nomeadamente nas zonas com maior número de sites. A combinação dos vectores das Figura 4.8 e Figura 4.9 resulta no gráfico da Figura que apresenta o nível de pureza do canal de piloto. Como podemos ver, a pureza do sinal é mais deficiente na zona compreendida entre os sites SERB e PTAG, que é uma zona com elevada densidade de terminais. Isto deve-se à dificuldade de cobertura desta zona, pelo facto de se tratar de uma zona de vale. Além disso é uma zona de sobreposição entre as células SERBA e SERBB, o que faz desta uma zona de grande interferência. As zonas de pilot pollution mostram que existem mais poluidores de canal de piloto nesta zona. Esta figura mostra ainda que as zonas privilegiadas para que isto ocorra são zonas de HO entre células adjacente do mesmo site ou de sites diferentes coincidentes com zonas de baixo E c /I o. Contudo, na maior parte da área planeada verifica-se que o número de poluidores de piloto é nulo, o que é um bom indicativo de um bom planeamento. Ainda sobre o gráfico E c /I o, verifica-se que a maior parte das zonas apresenta um sinal com elevada pureza (2 a 5 db) e que toda a área do polígono apresenta E c /I o superior a -10 dbm, o necessário para os serviços mais exigentes (Tabela 2.6). 65

84 66 Resultados do planeamento e optimização da rede Figura Melhor célula servidora por portadora Figura Carga das células em UL 66

85 67 Figura Strength do canal de piloto Figura Cobertura do canal de piloto 67

86 68 Resultados do planeamento e optimização da rede Figura Potência média recebida Figura Densidade espectral de potência de ruído média 68

87 69 Figura E c /I o do canal de piloto Avaliação do desempenho por serviço Para avaliar o desempenho da rede por serviço, foi analisada uma série de gráficos, bem como os resultados obtidos a partir de relatórios de simulação. Para análise dos gráficos, apenas serão aqui apresentados os resultados obtidos para os serviços HTTP64/64 e HTTP64/384 por serem os serviços de mais alto e mais baixo débito. O primeiro destaca-se ainda por suportar um elevado número de terminais HTTP64/64 Para avaliar o desempenho do serviço HTTP64/64, foi considerada uma probabilidade de cobertura de 95%, de acordo com a Tabela 3.9. Na Figura 4.11 observam-se as áreas de dominância de cada célula para o serviço em causa. As zonas a branco são zonas em que não é possível garantir uma probabilidade de cobertura de 95% e são localizadas principalmente nos limites do polígono. Isto não é grave uma vez que, pelo facto de se encontrarem nos limites do polígono, podem ser cobertas por sites localizados fora deste polígono. Mais uma vez, à semelhança do que acontece para o melhor servidor por portadora, as células mais bem definidas e de menores dimensões encontram-se nas zonas urbanas. Nas zonas rurais a divisão entre células não é tão clara. A probabilidade de cobertura é apresentada na Figura 4.12, e confirma a existência de zonas de probabilidade de cobertura baixas, o que não é grave pelo facto de, como referido, 69

88 70 Resultados do planeamento e optimização da rede serem zonas limítrofes e pelo facto de apresentarem baixa densidade de tráfego. Analisando a razão destas falhas (Figura 4.13) verifica-se que se devem a baixo SIR, falha de cobertura (baixo E b /N o em DL) e baixo E b /N o em UL. Para conseguirmos aumentar a probabilidade de cobertura nestas zonas, seria necessário aumentar o número de sites, contudo, o aumento em termos de número de utilizadores servidos não o justifica. Nas Figura 4.14, Figura 4.15 e Figura 4.16 são apresentadas as principais razões de falha e as suas probabilidades para cada pixel. Como se pode ver as falhas ocorrem sempre nas mesmas zonas. Na Figura 4.17 podemos ver que as falhas, quando ocorrem, são maioritariamente em simultâneo em UL e DL. Contudo, em algumas zonas o UL é limitador, uma vez que existem pixéis em que o sistema falha apenas em UL. Figura Melhor célula servidora do serviço HTTP64/64 70

89 71 Figura Probabilidade de cobertura do serviço HTTP64/64 Figura Razão de falha do serviço HTTP64/64 71

90 72 Resultados do planeamento e optimização da rede Figura Probabilidade de falha devido a baixo SIR do canal de piloto do serviço HTTP64/64 Figura Probabilidade de falha devido ao E b /N o em UL do serviço HTTP64/64 72

91 73 Figura Probabilidade de falha devido ao E b /N o em DL do serviço HTTP64/64 Figura Path Balance do serviço HTTP64/64 73

92 74 Resultados do planeamento e optimização da rede O desempenho do sistema em termos de HO para o serviço em causa é analisado nas Figura 4.18, Figura 4.19, Figura 4.20 e Figura 4.21 pelos vectores probabilidade de sof e softer HO, tamanho do AS e tipo mais provável de HO. Para obter estes gráficos foram considerados valores para o limite máximo de probabilidade de sof, softer e ambos os HOs de 15, 10 e 5%, respectivamente. Existem algumas zonas em que é bastante provável a ocorrência de HO, o que é importante para garantir mobilidade entre células, mas em grande parte da área planeada a probabilidade de HO é nula, o que evita que haja carga elevada da rede pelo facto de o UE se encontrar ligado a várias células em simultâneo. Isto é comprovado pela Figura 4.20, que mostra que em grande parte da área a planear o tamanho do AS médio é 1, ou seja, o terminal encontra-se ligado apenas à célula primária. Contudo, existem zonas em que o AS médio é superior, zonas estas que coincidem com as zonas de HO. Por fim, a Figura 4.21 pode-se ver que o Soft HO ocorre, como esperado, em zonas de contacto entre células de sites diferentes enquanto o Softer HO observa-se naturalmente em zonas de sobreposição entre células pertencentes ao mesmo site. De destacar, por exemplo, a zona entre os sectores PTAGA e PTAGC que têm uma elevada probabilidade de Softer HO devido à grande sobreposição entre as células. Figura Probabilidade de Soft HO do serviço HTTP64/64 74

93 75 Figura Probabilidade de Soft HO do serviço HTTP64/64 Figura Tamanho médio do Active Set do serviço HTTP64/64 75

94 76 Resultados do planeamento e optimização da rede Figura Tipo mais provável de HO do serviço HTTP64/ HTTP64/384 Para avaliar o serviço HTTP64/384, voltou-se a analisar os mesmos gráficos do serviço anterior, mas para uma probabilidade de cobertura de 85% como definido na Tabela 3.9. Os gráficos que não sofreram alterações consideráveis na comparação com HTTP64/64 não serão aqui apresentados. No gráfico da melhor célula servidora (Figura 4.22), apesar de a probabilidade de cobertura ter sido relaxada para 85%, a área de zonas em que não é possível garantir esta probabilidade de cobertura (zonas a branco) aumentou. Isto pode ser confirmado pelo gráfico de probabilidade de cobertura da Figura As áreas de dominância das células mantêm-se as mesmas. Ainda ao que à probabilidade de cobertura da figura diz respeito, verifica-se que a zona mais desfavorável se encontra entre os sites PTAG e SERB, e como podemos ver pela Figura 4.24 o motivo desta falha é o alcance em DL, o que significa que a BS não tem potência suficiente para satisfazer o E b /N o requerido nestas zonas. Isto acontece porque, apesar de o serviço HTTP64/384 suportar menos utilizadores por célula, a carga em DL para este serviço é maior pelo facto de usar débitos binários maiores. O aumento da carga leva à ocorrência do efeito de Cell Breathing, reduzindo o raio de cobertura da célula. Isto é confirmado pelo gráfico do Path Balance. Como se pode ver pela Figura 4.26, apenas a falha em DL aumentou. Comparando com a Figura 4.17, verifica-se que a área em que o sistema falha em simultâneo 76

95 77 em UL e DL é semelhante, mas a área em que o sistema falha em DL aumentou consideravelmente, devido ao efeito referido. Na Figura 4.25 apresenta-se a probabilidade de falha devido ao alcance, pelo que se verifica que existe uma área relativamente elevada em que a probabilidade de falha é elevada. As restantes razões de falha apresentam comportamento semelhante ao serviço HTTP64/64, como mostra a Figura 4.24, pelo que os seus gráficos não serão apresentados. Figura Melhor célula servidora do serviço HTTP64/384 77

96 78 Resultados do planeamento e optimização da rede Figura Probabilidade de cobertura do serviço HTTP64/384 Figura Razão de falha do serviço HTTP64/64 78

97 79 Figura Probabilidade de falha devido ao E b /N o em DL do serviço HTTP64/384 Figura 4.26 Path Balance do serviço HTTP64/384 79

98 80 Resultados do planeamento e optimização da rede Todos os serviços Foram obtidos e analisados os mesmos resultados para os restantes serviços, mas não serão aqui apresentados porque tornariam este documento demasiado extenso, não trazendo valor acrescentado à discussão aqui apresentada. Em vez disso, são apresentados na Tabela 4.1 os resultados da probabilidade de serviço e das várias razões de falha possíveis. Estes resultados foram obtidos a partir dos relatórios gerados pelo simulador para os vários serviços simulados. Como podemos ver, os serviços de mais alto débito (64/384 Kbps) apresentam probabilidade de serviço de apenas 85%, mas cumpre-se o objectivo da Tabela 3.9. Isto significa que 85% dos utilizadores que tentaram estabelecer ligação durante a simulação o conseguiram. Os restantes 15% falharam devido a três motivos, como foi visto para a análise do serviço HTTP64/384. Destes 15% de utilizadores que falharam a ligação, todos eles (100%) falharam devido a E b /N o em DL insuficiente. Parte destes utilizadores falharam também devido a baixo SIR do canal de piloto e baixo E b /N o em UL. De referir que a soma das probabilidades de falha não necessita ser 100%. O facto de ser superior significa que um dado utilizador pode falhar devido a vários factores em simultâneo. Tabela 4.1 Resultados de probabilidade de serviço e razão de falha para UMTS2100 Nº médio de tentativas de ligação HTTP 64/64 HTTP 64/128 HTTP 64/384 FTP 64/64 FTP 64/128 FTP 64/ ,67 54,91 18,01 12,05 7,09 2,02 Nº médio de ligações 115,14 53,29 15,36 11,56 6,83 1,71 Nº médio de falhas 4,53 1,62 2,65 0,48 0,26 0,31 Probabilidade de serviço 96,21% 97,06% 85,28% 95,98% 96,39% 84,69% Nº médio de ligações em Soft ou Softer HO 21,72 11,04 3,70 2,22 1,30 0,46 Nº médio de ligações em Softer HO 8,03 4,07 1,54 0,79 0,47 0,21 Contribuições para as falhas Falha de canais primários em UL 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Falha de canais primários em DL 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Limite de canais em UL atingido 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Limite de canais em DL atingido 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Baixo SIR do canal de piloto 38,41% 34,20% 7,96% 38,48% 31,13% 4,50% E b /N o em DL (Alcance) 76,85% 94,58% 100,00% 78,60% 96,89% 100,00% E b /N o em DL (Capacidade) 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% E b /N o em UL 100,00% 97,23% 21,37% 100,00% 98,05% 14,47% Noise Rise 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 80

99 81 Falta de portadora 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Excesso de PL 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 4.4 Estudo comparativo UMTS850 versus UMT2100 Como foi visto na comparação do LB, a cobertura (raio da célula) depende consideravelmente das portadoras usadas. Aqui é analisado como a cobertura melhora com a utilização de portadoras na banda dos 850 MHz. Para isso, foram efectuadas simulações com o mesmo número de sites, a mesma configuração e os memos serviços e distribuição de terminais usados para UMTS2100. Nestas simulações apenas foram alteradas as portadoras (Tabela 3.5), o modelo de propagação (Tabela 3.4) e a antena usada (Figura 3.3). A análise dos resultados começou por ser em tudo semelhante à efectuada para UMTS2100, avaliandose os resultados por portadora e por serviço, tentando-se em simultâneo comparar com os resultados obtidos para UMTS Avaliação do desempenho de UMTS850 por portadora Pelo gráfico da melhor célula servidora (Figura 4.27) verifica-se que a área de dominância de cada célula se encontra um pouco melhor definida. Contudo, também se verifica que é mais difícil conter o sinal e restringi-lo à sua área de cobertura, dado que não se procede ao ajuste da inclinação das antenas. Isto deve-se à melhoria nas condições de propagação proporcionadas pela utilização de portadoras de baixa frequência. A melhoria da cobertura pode ser vista na Figura Se compararmos a Figura 4.9 com a Figura 4.29, verificamos que a densidade espectral de potência de ruído aumentou em toda a área do polígono. Ou seja, as melhorias na propagação fazem com que as várias células também interfiram mais entre sim. Apesar disso, as melhorias no sinal recebido compensam a interferência adicional causada, como se pode ver pela Figura 4.30, em que o E c /I o é superior a -5 db em grande parte da área do polígono. 81

100 82 Resultados do planeamento e optimização da rede Figura 4.27 Melhor célula servidora por portadora para UMTS850 Figura Cobertura do canal de piloto para UMTS850 82

101 83 Figura Densidade espectral de potência e ruído média para UMTS850 Figura E c /I o do canal de piloto para UMTS850 83

102 84 Resultados do planeamento e optimização da rede Avaliação do desempenho de UMTS850 por serviço Na Tabela 4.2 UMTS850 apresenta uma probabilidade de serviço bastante elevada, acima de 94%, para todos os serviços, sendo que para os serviços de mais baixo débito é de aproximadamente 100%. Assim, os requisitos de probabilidade de cobertura da Tabela 3.8 são satisfeitos com distinção, obtendo-se uma rede com probabilidade de cobertura muito superior ao pretendido. Tabela Resultados de probabilidade de serviço e razão de falha para UMTS850 HTTP 64/64 HTTP 64/128 HTTP 64/384 FTP 64/64 FTP 64/128 FTP 64/384 Nº médio de tentativas de ligação 110,36 55,43 17,09 10,99 6,95 3,07 Nº médio de ligações 109,87 55,34 16,17 10,97 6,92 2,95 Nº médio de falhas 0,49 0,09 0,92 0,02 0,03 0,12 Probabilidade de serviço 99,56% 99,84% 94,62% 99,82% 99,57% 96,09% Nº médio de ligações em Soft ou Softer HO 15,84 8,56 3,21 1,64 1,10 0,45 Nº médio de ligações em Softer HO 6,63 3,34 1,25 0,66 0,45 0,21 Contribuições para as falhas Falha de canais primários em UL 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Falha de canais primários em DL 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Limite de canais em UL atingido 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Limite de canais em DL atingido 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Baixo SIR do canal de piloto 2,04% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% E b /N o em DL (Alcance) 48,98% 88,89% 100,00% 100,00% 66,67% 100,00% E b /N o em DL (Capacidade) 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% E b /N o em UL 97,96% 100,00% 1,09% 100,00% 100,00% 8,33% Noise Rise 2,04% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Falta de portadora 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Excesso de PL 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Neste caso, os principais motivos de falha são E b /N o em DL e E b /N o em UL. Dado que os serviços mais exigentes são os de mais alto débito são apresentados de seguida alguns gráficos que ilustram a melhor célula servidora, probabilidade de cobertura e razão de falha nas Figura 4.31, Figura 4.32 e Figura 4.33, respectivamente, para o serviço HTTP64/

103 85 Figura 4.31 Melhor célula servidora do serviço HTTP64/384 e para UMTS850 Figura Probabilidade de cobertura do serviço HTTP64/384 para UMTS850 85

104 86 Resultados do planeamento e optimização da rede Figura Razão de falha do serviço HTTP64/384 para UMTS850 Na Tabela 4.3, é apresentada a comparação da área de cobertura para as duas bandas em estudo e para serviços de diferentes débitos. Estes valores foram determinados considerando a probabilidade de cobertura da Tabela 3.9. Como podemos ver, a área de cobertura usando portadoras UMTS850 para os diferentes serviços é maior do que a área de cobertura para a portadora UMTS2100. A diferença é mais acentuada para os serviços de mais alto débito, que são os mais exigentes. Consegue-se cobrir mais 12 % da área do polígono usando UMTS850. Tabela 4.3 Área de cobertura para UMTS2100 e UMTS850 Área total do polígono (km²) Área coberta (km²): HTTP 64/64 UMTS2100 HTTP 64/128 HTTP 64/384 HTTP 64/64 UMTS850 HTTP 64/128 HTTP 64/384 17,63 17,63 17,63 17,63 17,63 17,63 16,59 16,60 14,07 17,38 17,38 16,24 Área coberta 94,11% 94,14% 79,85% 98,56% 98,58% 92,10% Avaliação da evolução do tráfego da rede De seguida procedeu-se à avaliação do desempenho da rede para as duas bandas em estudo. Para isso, foram efectuadas simulações utilizando distribuições de tráfego com 86

105 Área de cobertura (%) 87 número de terminais superior, conforme a Tabela 4.4. De referir que as razões entre o número de terminais dos diferentes serviços se mantêm os mesmos. Tabela Distribuições de tráfego consideradas nas simulações Distribuição de terminais Factor de escala HTTP 64/64 HTTP 64/128 HTTP 64/384 FTP 64/64 FTP 64/128 FTP 64/384 Total D D2 1, D D4 2, D D6 3, D D Partindo dos relatórios gerados pelo simulador e de resultados semelhantes aos das Tabela 4.1, Tabela 4.2 e Tabela 4.3, foram obtidos os traçados da área de cobertura, probabilidade de serviço e probabilidade de falha em função do número total de utilizadores para as duas bandas em estudo. Estes resultados são apresentados nas figuras a seguir. 100,00% 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% Nº total de utilizadores UMTS HTTP64/64 UMTS HTTP64/128 UMTS HTTP64/384 UMTS850 - HTTP64/64 UMTS850 - HTTP64/128 UMTS850 - HTTP64/384 Figura Curvas da área de cobertura 87

106 Probabilidade de serviço (%) 88 Resultados do planeamento e optimização da rede 100,00% 90,00% 80,00% 70,00% 60,00% 50,00% 40,00% Nº total de utilizadores UMTS HTTP64/64 UMTS HTTP64/128 UMTS HTTP64/384 UMTS850 - HTTP64/64 UMTS850 - HTTP64/128 UMTS850 - HTTP64/384 Figura Curvas da probabilidade de serviço AS curvas de área de cobertura e de probabilidade de serviço apresentam comportamentos semelhantes. Para ambas as bandas em consideração e para os serviços de mais baixo débito (HTTP64/64 e HTTP64/128), as curvas mantêm-se aproximadamente constantes com o aumento de tráfego, enquanto para os serviços HTTP64/384 as curvas decrescem com o aumento do número de utilizadores. Isto significa que os serviços de mais alto débito são mais dependentes do número de utilizadores e mais susceptíveis ao efeito Cell Breathing. Mais importante ainda é o facto de as curvas para UMTS850 apresentarem sempre maiores probabilidades de serviço e área de cobertura para todos os serviços, o que demonstra a vantagem de utilização de portadoras de baixa frequência. Analisando o traçado da área de cobertura em maior pormenor, verifica-se que num sistema que suporte serviços HTTP64/384 para garantir a mesma área de cobertura (por exemplo 80%) apenas serão suportados cerca de 200 utilizadores quando se usam portadoras na banda dos 2100 MHz, enquanto com UMTS850 é possível suportar cerca de 550 terminais, o que equivale a mais do dobro. Algo semelhante se passa em relação à probabilidade de serviço. Como já foi verificado anteriormente, as portadoras UMTS2100 cumprem os requisitos de cobertura da Tabela 3.9 para a distribuição D1 (cerca de 200 utilizadores). Para os mesmos requisitos de probabilidade de serviço, um sistema que use UMTS850 suporta aproximadamente 600 utilizadores, o que corresponde a um aumento de cerca de 2,8 vezes. 88

107 Probabilidade de falha (%) Probabilidade de falha(%) 89 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Nº total de utilizadores UMTS HTTP64/64 UMTS HTTP64/128 UMTS HTTP64/384 UMTS850 - HTTP64/64 UMTS850 - HTTP64/128 UMTS850 - HTTP64/384 Figura 4.36 Curvas da probabilidade de falha 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% UMTS Baixo SIR do canal de piloto UMTS Eb/No em DL (Alcance) UMTS Eb/No em UL 20,00% 10,00% 0,00% Nº total de utilizadores UMTS850 - Baixo SIR do canal de piloto UMTS850 - Eb/No em DL (Alcance) UMTS850 - Eb/No em UL Figura 4.37 Curvas da probabilidade de falha para as principais causas Na Figura 4.36 é apresentado o traçado da probabilidade de falha. Como já referido, apenas os serviços de alto débito dependem do número de utilizadores, para as distribuições de tráfego em estudo. Na Figura 4.37 são analisadas as razões de falha nas duas bandas. Apenas o alcance devido a baixo E b /N o é afectado pelo aumento do número de utilizadores, o que comprova que se trata de um efeito de Cell Breathing. Quanto maior o número de utilizadores menor o raio da célula devido ao aumento de carga, e portanto menor a área de cobertura, o que também reduz a área de cobertura Avaliação da evolução da rede Evolução da rede para 8 sites Para definir os objectivos de evolução da rede, partiu-se da probabilidade de serviço. Como referido anteriormente, para a probabilidade de serviço de 85 %, um sistema UMTS850 suporta cerca de 600 utilizadores. Isto corresponde à distribuição de tráfego D5. O objectivo 89

108 90 Resultados do planeamento e optimização da rede de probabilidade de serviço para a nova rede consiste em obter a mesma probabilidade de serviço e com a mesma distribuição D5 com a portadora UMTS2110. Para definir a localização e configuração (azimutes, inclinações e alturas da antenas), recorreu-se aos relatórios de falha por célula produzidos pela ferramenta para a distribuição D5 e para a portadora UMTS2100. Estes resultados são apresentados na Tabela 4.5 para o serviço HTTP64/384. Tabela 4.5 Probabilidade de falha para as diferentes células Nº médio Taxa de Taxa de falhas devido Taxa de falhas Nº médio Taxa de Célula de falhas devido a baixo E b /N o em DL devido a baixo de falhas falhas tentativas a baixo SIR (Alcance) E b /N o em UL PALMA 1,55 4,20 36,90% 0,00% 100,00% 0,00% PALMB 0,05 2,55 1,96% 0,00% 100,00% 0,00% PALMC 1,20 6,35 18,90% 25,00% 100,00% 75,00% ACVMA 0,80 3,30 24,24% 0,00% 100,00% 6,25% ACVMB 0,35 3,00 11,67% 0,00% 100,00% 0,00% ACVMC 0,30 2,85 10,53% 33,33% 100,00% 33,33% AGTRA 2,00 3,80 52,63% 2,50% 100,00% 5,00% AGTRB 0,10 1,20 8,33% 0,00% 100,00% 0,00% AGTRC 0,05 1,60 3,13% 0,00% 100,00% 0,00% SERBA 4,10 6,75 60,74% 1,22% 100,00% 1,22% SERBB 0,70 3,20 21,88% 0,00% 100,00% 0,00% SERBC 0,25 2,70 9,26% 0,00% 100,00% 0,00% PTAGA 1,55 3,75 41,33% 6,45% 100,00% 22,58% PTAGB 1,00 1,80 55,56% 0,00% 100,00% 10,00% PTAGC 2,55 4,45 57,30% 0,00% 100,00% 1,96% Pela tabela anterior verifica-se que as células com maior taxa de falha são PALMA, AGTRA, SERBA, PTAGA, PTAGB e PTAGC. Para baixar a taxa de falha da célula PTAGA foi adicionado o site NodeB19 que passará a cobrir a zona norte mais remota do polígono. Para melhorar a cobertura da zona da célula PTAGC foi adicionado o NodeB22 que através do sector NodeB22A melhora a cobertura nesta zona. O desempenho das células SERBA. PALMA, AGTA e PTAGB é melhorado com a colocação de um novo site na zona intermédia, o NodeB21 e pelos sectores Node22B e Node22C. A configuração de sites resultante é apresentada na Figura De referir que, para além de se proceder à adição de novos sites, foram também ajustadas as inclinações e os azimutes dos sites vizinhos aos adicionados. Na Figura 4.38 são também apresentadas as áreas de dominância por portadora para UMTS

109 91 Figura Configuração da rede e áreas de dominância para 8 sites Os resultados de cobertura e de probabilidade de serviço são apresentadas nas Tabela 4.6 e Tabela 4.7, respectivamente, para ambas as bandas em estudo e para a nova configuração de sites. A probabilidade de cobertura do serviço HTTP64/384 é de 83,53%, muito próximo de 85%, que é o valor objectivo para este serviço. Os restantes serviços também cumprem os valores objectivo. Tabela Área de cobertura com a configuração de 8 sites e para UMTS2100 e UMTS850 Área total do polígono (km²) Área coberta (km²): HTTP 64/64 UMTS2100 HTTP 64/128 HTTP 64/384 HTTP 64/64 UMTS850 HTTP 64/128 HTTP 64/384 17,63 17,63 17,63 17,63 17,63 17,63 17,04 17,04 13,68 17,43 17,44 14,63 Área coberta 96,68% 96,67% 77,59% 98,88% 98,91% 83,01% Tabela 4.7 Resultados da probabilidade de serviço com a configuração de 8 sites Nº médio de tentativas de ligação HTTP 64/64 UMTS2100 HTTP 64/128 HTTP 64/384 HTTP 64/64 UMTS850 HTTP 64/128 HTTP 64/ ,30 166,63 51,42 332,09 164,62 50,54 Nº médio de ligações 325,31 163,51 42,95 330,88 164,10 45,38 91

110 92 Resultados do planeamento e optimização da rede Nº médio de falhas 6,99 3,12 8,47 1,21 0,52 5,16 Probabilidade de serviço 97,90% 98,13% 83,53% 99,64% 99,68% 89,79% Nº médio de ligações em Soft ou Softer HO Nº médio de ligações em Softer HO Contribuições para as falhas Falha de canais primários em UL Falha de canais primários em DL Limite de canais em UL atingido Limite de canais em DL atingido Baixo SIR do canal de piloto 67,77 34,29 11,04 57,11 28,57 10,67 21,70 10,58 4,45 21,35 10,28 4,45 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 41,63% 46,15% 6,49% 3,31% 3,85% 0,19% E b /N o em DL (Alcance) 77,25% 92,95% 100,00% 29,75% 67,31% 99,61% E b /N o em DL (Capacidade) 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% E b /N o em UL 100,00% 99,36% 16,77% 95,87% 94,23% 3,68% Noise Rise 0,00% 0,00% 0,00% 4,13% 5,77% 0,39% Falta de portadora 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Excesso de PL 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% 0,00% Evolução da rede para 11 sites Procedeu-se de forma semelhante ao caso anterior para evoluir a rede para uma configuração de 11 sites. Neste caso, foi considerada a distribuição D7 (cerca de 800 utilizadores). A nova configuração de sites é apresentada na Figura 4.39, bem como as áreas de dominância por portadora resultantes para UMTS2100. Os novos sites são o NodeB23, NodeB24 e NodeB25 e localizam-se essencialmente nas zonas urbanas do polígono. 92

111 93 Figura Configuração da rede e áreas de dominância para 11 sites Resultados da evolução da rede Foram obtidos resultados para várias distribuições de tráfego tanto para a configuração que contempla 8 como 11 sites, à semelhança do que foi feito para a configuração inicial da rede. Esses resultados são apresentados sob a forma de curvas em função do número de utilizadores por célula para o serviço HTTP64/384. Analisando o gráfico da Figura 4.40, verifica-se que para uma dada probabilidade de cobertura (por exemplo 80%) e para uma configuração de 5 sites (curvas a verde), verifica-se que o sistema suporta cerca de 13 utilizadores por célula para UMTS2100, enquanto UMTS850 suporta cerca de 34 utilizadores por célula, cerca de 2,6 vezes mais utilizadores. À medida que se aumenta o número de sites, verifica-se que as curvas da área coberta para as duas bandas se aproximam. Assim, no caso de uma configuração de 8 sites (curvas a roxo), UMTS2110 passa a suportar cerca de 22 utilizadores por célula, enquanto número de utilizadores por célula suportados por UMTS850 é reduzido para cerca de 30, o que significa que UMTS850 continua a suportar maior número de utilizadores, mas agora a diferença não é tão significativa. O número de utilizadores suportados por UMTS850 é cerca de 1,4 vezes superior ao de UMTS2100. No caso de uma configuração de 11 sites ocorre a situação mais interessante do comportamento do sistema. As curvas da área de cobertura de UMTS2110 e UMTS850 aproximam-se ainda mais, de tal forma que para um número suficiente de utilizadores (cerca 93

112 Área de cobertura (%) 94 Resultados do planeamento e optimização da rede de 28 por célula) as curvas cruzam-se. Assim, no caso de termos baixo número de utilizadores (menos que 28 utilizadores por célula) é mais vantajoso usar UMTS850. Contudo, quando o número de sites aumenta parece ser mais vantajoso utilizar UMTS2100, podendo apresentar uma melhoria na área de cobertura de cerca de 5%. 95,00% 90,00% 85,00% 80,00% 75,00% 70,00% 65,00% 60,00% 55,00% 50,00% Nº médio de utilizadores por célula UMTS sites UMTS sites UMTS sites UMTS850-5 sites UMTS850-8 sites UMTS sites Figura Curvas da área de cobertura em função do número médio de utilizadores por célula para diferentes configurações Situação semelhante se passa com a probabilidade de serviço (Figura 4.41). Para uma probabilidade de serviço de 85% verifica-se que uma rede UMT2100 com 5 sites suporta cerca de 14 utilizadores por célula, enquanto uma rede UMTS850 nas mesmas condições suporta cerca de 37 utilizadores, o que equivale a um aumento de cerca de 2,6 vezes, à semelhança do que acontece com a área de cobertura. Com a evolução da rede, utilizando 8 sites, UMTS2100 aumenta o número de utilizadores suportados para cerca de 25 por célula, enquanto UMTS850 reduz para cerca de 30. O aumento entre UMTS2100 e UMTS850 é de cerca de 1,2 vezes. No caso de uma configuração com 11 sites verifica-se que é mais vantajoso utilizar UMTS2100, dado que, para a probabilidade de serviço em causa, esta banda suporta maior número de utilizadores por célula que UMTS850. Verifica-se um acréscimo de 2 a 4 utilizadores por célula, o que na área total do polígono pode corresponder a cerca de 40 utilizadores suportados a mais. No entanto, se pretendermos uma probabilidade de serviço superior, continua a ser mais vantajosos utilizar UMTS

113 Probabilidade de serviço (%) ,00% 95,00% 90,00% 85,00% 80,00% 75,00% 70,00% 65,00% Nº médio de utilizadores por célula UMTS sites UMTS sites UMTS sites UMTS850-5 sites UMTS850-8 sites UMTS sites Figura Curvas da probabilidade de serviço em função do número médio de utilizadores por célula para diferentes configurações Como visto tanto na Figura 4.40 com da Figura 4.41, as curvas para UMTS850 e UMTS2100 aproximam-se com o aumento do número de sites. Isto resulta do aumento da probabilidade de serviço e área de cobertura do sistema UMTS2100 e em simultâneo da redução destes valores para UMTS850. A área de cobertura de UMTS2100 aumenta quando são utilizados maior número de sites pelo facto de haver maior proximidade entre os sites e o UE, ou seja, é mais fácil cobrir zonas difíceis através da colocação de sites mais próximos. O aumento da área de cobertura conduz a um aumento da probabilidade de serviço. Em UMTS850 o mesmo não acontece. Quando aumentamos o número de sites tanto a área de cobertura como a probabilidade de serviço diminuem, ao contrário do que se poderia pensar. Isto deve-se essencialmente ao aumento da interferência causada pelo aumento do número de sites interferentes. Como UMTS850 tem melhores características de propagação do sinal, também os sinais interferentes se propagam melhor. Assim, nem sistema UMTS850 o número de células interferentes num dado ponto é maior que o número de células interferentes num sistema UMTS2100 e como foi visto na secção de cálculo do Link Budget o aumento da interferência diminui o raio de cobertura da célula. O que acaba de ser dito pode ser confirmado pelas Figura 4.42 e Figura 4.43, onde se apresenta o número de poluidores do canal de piloto em cada pixel. Isto dá uma noção dos níveis de interferência na zona a planear. Como podemos ver, devido à melhoria de propagação, a área do polígono em que existe interferência (área colorida) é maior para UMTS850 do que para UMTS2100. Na Tabela 4.8 são apresentadas as áreas do polígono em que existe interferência para as duas bandas em consideração e para as configurações com 5 sites e com 11 sites e como se pode ver a situação em que existe maior interferência é com uma configuração de 11 sites e UMTS

114 96 Resultados do planeamento e optimização da rede Figura Número médio de poluidores do canal de piloto para UMTS850 Figura Número médio de poluidores do canal de piloto para UMTS

115 97 Com uma configuração de 5 sites a área de interferência para UMTS850 é maior do que a área para UMTS2100. Contudo, dada a distância entre sites, as melhores condições de propagação do sinal compensam a maior interferência, conferindo uma maior área de cobertura e maior probabilidade de serviço. Quando se passa para uma configuração de 11 sites, a proximidade dos mesmos leva ao aumento da interferência em ambas as bandas. Contudo, isto tem maior impacto em UMTS850 pelo facto de a vantagem inicial de possuir melhor propagação do sinal perder importância face à proximidade entre sites e a interferência ser bastante superior. Isto justifica a degradação do desempenho de UMTS850 com o aumento do número de sites. Tabela Área do polígono em que o número médio de poluidores do canal de piloto é superior a 1 5 sites 11 sites Banda Área (km 2 ) Área (%) Área (km 2 ) Área (%) UMTS850 7,56 42,87% 8,70 49,34% UMTS2100 6,38 36,19% 7,54 42,76% Densidade de sites Sob o ponto de vista da operadora, os resultados dos gráficos das Figura 4.40 e Figura 4.41 são de interesse em termos do número sites que podem ser poupados com UMTS850, mantendo o mesmo desempenho da rede. Para analisar melhor esta situação é apresentada a probabilidade de serviço em função do número total de utilizadores na Figura Este gráfico é equivalente ao da Figura 4.41, apenas difere pelo facto de os resultados serem apresentados em função do número total de utilizadores no polígono. Consideremos o cenário de uma probabilidade de cobertura de 85% e um número total de utilizadores superior a 550. Para UMTS850 são necessários apenas 5 sites, enquanto com UMTS2100 estima-se que sejam necessários 6 sites. Se elevarmos o número de utilizadores para 750 o número de sites necessários para UMTS850 passa para 8, enquanto em UMTS2100 estima-se que sejam necessários cerca de 10 a 11 sites para obter a mesma probabilidade de serviço. Assim estima-se que a redução do número de sites utilizando UMTS850 seja na ordem dos 60 a 70%. 97

116 Probabilidade de serviço (%) 98 Resultados do planeamento e optimização da rede 100,00% 95,00% 90,00% 85,00% 80,00% 75,00% 70,00% 65,00% Nº total de utilizadores UMTS sites UMTS sites UMTS sites UMTS850-5 sites UMTS850-8 sites UMTS sites Figura Curvas da probabilidade de serviço em função do número total de utilizadores para diferentes configurações 4.5 Optimização e auto-sintonia Como referido na Secção do Capítulo 2 uma das etapas mais importantes de uma rede celular é a optimização. É também esta etapa, pelo facto de ser um processo contínuo interminável, a etapa que mais custos OPEX traz às operadoras. Para minimizar estes custos é possível usar técnicas avançadas que permitem uma optimização do desempenho da rede de forma automática. Estas técnicas de auto-sintonia oferecem às operadoras meios eficientes de adaptar automaticamente a configuração dos sites às condições operacionais de cada célula. Além de reduzirem os custos de operação pelo facto de permitirem optimização automática e dinâmica da rede, estas técnicas melhoram a capacidade e qualidade da rede, graças à maximização em tempo real. Numa rede convencional são usados para optimização manual os designados Key Performance Indicators (KPIs), que são indicadores obtidos a partir de medições do desempenho da rede. Métodos semelhantes podem ser automatizados. A formulação matemática desta optimização pode ser vista como uma procura da combinação de parâmetros de configuração da rede com os quais os KPIs são o mais próximo possível dos desejados. Algumas destas técnicas de auto-sintonia são discutidas de seguida com base nos estudos [1, 25-26], começando-se por apresentar alguns dos KPIs utilizados para optimização em algumas dessas técnicas. 98

117 Medidas e estatísticas de desempenho da rede Poor quality A qualidade geral de uma chamada numa dada célula pode ser descrita como o quociente entre o número de chamadas activas com um BLER em excesso em função de todas as ligações activas. Uma ligação tem um BLER objectivo associado que é específico de cada tipo de serviço. Se o quociente referido ultrapassar significativamente um determinado nível previsto então a célula aumenta o poor quality. O poor quality é apenas definido para serviços RT e o seu significado é avaliado pela equação: 4.1) em que N PQ é o tamanho da amostra e T PQ e R PQ são a variação e o valor permitido para o quociente de ligações com excesso de BLER, respectivamente A fórmula basicamente divide a diferença do quociente esperado pelo desvio padrão. Isto dá o número de vezes em que os valores recebidos se desviam do valor permitido. O critério para determinar se existe poor quality numa dada célula é que S PQ >2 e N PQ >5/R PQ. O primeiro critério requer uma probabilidade de poor quality de 2% e o segundo que o número de amostras seja suficiente Congestionamento O congestionamento é descrito para chamadas RT como o rácio de chamadas bloqueadas e para chamadas PS como o rácio de chamadas que sofrem atrasos. A taxa de congestionamento é entendida como a razão de chamadas RT bloqueadas e o número total de chamadas RT requeridas. A taxa de bloqueio é medida separadamente em UL e DL e inclui bloqueio devido a problemas em UL, DL, falha de hardware ou falha de códigos de espalhamento. Em chamadas PS a taxa de chamadas que sofre atraso é o quociente entre chamadas que sofrem chamadas e o número total de utilizadores PS na célula medidos num determinado intervalo de tempo. Mais uma vez é medido separadamente em UL e DL. O congestionamento ocorre sempre que a taxa de chamadas bloqueadas e chamadas atrasadas ultrapassa um dado limite permitido. O congestionamento deve ser visto como a equação 4.1, considerando as taxas de falha e de atraso. Se a equação referida excede 2 e o número de amostras é suficiente então existe congestionamento. O nível permitido de probabilidade de bloqueio é tipicamente 2% e, enquanto a probabilidade de atraso é 5% Cobertura do canal de piloto Pela especificação do 3GPP, o UE é capaz de receber um sinal de piloto com E c /I o superior a -20 db. A cobertura do canal de piloto é medida usando a equação: 99

118 100 Resultados do planeamento e optimização da rede (4.2) em que C é a probabilidade de cobertura, N ECIO é um contador que é incrementado sempre que é reportado um novo E c /I o e N exc é o número de vezes que E c /I o excede -18 db (-20dB + 2dB de margem). Assim, considerando uma cobertura (C) de 98%, a cobertura do canal de piloto é considerada baixa ou elevada conforme o resultado da equação 4.1 é superior a 2 ou inferior a -2, respectivamente. Isto implica três níveis de balanceamento de cobertura conforme: (4.3) Carga em UL e DL e balanceamento A carga específica de cada célula é medida para cada célula em UL e DL como a média geométrica da potência total transmitida e a potência total recebida, respectivamente. O balanceamento da carga numa célula é determinado em função da carga nas células vizinhas e o valor de balanceamento é obtido pelo quociente da potência total transmitida e a potência a transmitir objectivo. A potência objectivo depende da potência máxima, que depende do tipo de célula. A carga é determinada separadamente para cada célula através de três contadores. N i armazena o número de amostras, S i a soma dos valores de cada amostra e T i armazena a soma da raiz quadrada das amostras. A média das amostras e a variância da carga são determinadas por: (4.4) e (4.5) Para as células vizinhas a carga é dada por: (4.6) e (4.7) O teste que determina o balanceamento de carga é obtido pela equação: (4.8) 100

119 101 O que implica três níveis de carga conforme: (4.9) Auto-sintonia do canal de piloto por balanceamento de carga e cobertura Com o aumento ou diminuição da potência do canal de piloto o raio de cobertura da célula aumenta ou diminui, respectivamente. Assim, a auto-sintonia da potência do canal de piloto pode ser usada para balancear a carga entre células para melhorar a cobertura. Em [27] é apresentado um método baseado em regras e que usa as medidas da Secção para optimizar a potência do canal de piloto. A potência do canal de piloto aumenta ou diminui de 0,5 db conforme a carga da célula em questão é suficientemente maior ou menor que as células vizinhas, respectivamente, como indica a equação (4.9. Se a carga se encontra balanceada entre as células, mas o sinal do canal de piloto é bastante superior ou inferior ao valor objectivo, então a potência do canal de piloto é aumentada ou diminuída de 0,5 db, respectivamente. As acções do método baseado em regras para controlo do canal de piloto são apresentadas na Tabela 4.9. Tabela 4.9 Acções de controlo do canal de piloto [27] Auto-sintonia dos parâmetros de HO A auto-sintonia do HO depende do poor quality e do congestionamento e faz uso de um algoritmo de custos para balancear estas medidas. Neste caso, o algoritmo de custos foi definido para balancear a capacidade e qualidade da rede. O custo de congestionamento é baseado nas estatísticas de bloqueio e atraso da seguinte forma: (4.10) em que e. 101

120 102 Resultados do planeamento e optimização da rede A equação mostra que o custo de atraso de pacotes é apenas um quarto do custo de bloqueio de tráfego RT. O custo de poor quality de uma chamada foi definido como sendo cinco vezes superior ao custo de bloqueio: (4.11) Os parâmetros a configurar estão relacionados com a actualização do Active Set e são designados por AdditionWindow e DropWindow. A AdditionWindow determina a adição de células ao AS de um determinado terminal. Se o AS não se encontra preenchido e o sinal de piloto recebido é superior à diferença entre o sinal do piloto da célula primária e o AdditionWindow, então a célula é adicionada ao AS. DropWindow determina quando uma célula é retirada do AS de forma semelhante à adição. Estes parâmetros têm impacto no tamanho médio do AS do terminal e no Soft HO. Se AdditionWindow é colocado demasiado elevado o tamanho do AS do terminal é em média demasiado grande, o que pode provocar congestão devido a recursos insuficientes e limite de potência transmitida excedido devido a grande número de ligações. Se AdditionWindow é demasiado baixo o tamanho do AS do terminal é em média muito baixo, o que pode aumentar a interferência em UL, Poor Quality e congestionamento. Os parâmetros de controlo do Soft HO são assim um compromisso entre congestionamento, por um lado, e bloqueio e Poor Quality por outro lado. Asssim, AdditionWindow e DropWindow são incrementados de 0,5 db se: (4.12) Se a desigualdade for inferior então os parâmetros são diminuídos de 0,5 db. Os estudos de [25] e [28] mostram que a optimização destes parâmetros diminui o número de bloqueios de chamadas de voz em 10% e chamadas CS em 11%, mantendo a qualidade das chamadas Controlo de admissão de chamadas baseado no nível de ruído O controlo de admissão de chamadas baseado no ruído é um método que admite alocação de recursos em UL se, e que é o nível actual de interferência total recebida, é o acréscimo de interferência estimado com a nova chamada e é o níevel óptimo de interferência definido, por exemplo, pelo planeador da rede. A variação em é calculado por: (4.13) em que é o factor de carga em UL dado por: 102

121 103 (4.14) e é a variação estimada do factore de carga: (4.15) é o nível de ruído do sistema, W é a taxa de chips e R é o débito binário. O controlo de admissão com base na interferência é ilustrado na Figura Em DL o controlo de admissão é semelhante, novos recursos podem ser alocados se. Figura Controlo de admissão de chamadas baseado na interferência Auto-sintonia de capacidade dedicada a serviços NRT Num sistema de gestão de recursos rádio convencional, a admissão de tráfego RT e NRT usa os mesmos critérios. No caso de a célula se encontrar sobrecarregada com tráfego RT, não existe lugar para tráfego NRT. Introduzindo tráfego dedicado para NRT, a operadora pode garantir capacidade para serviços NRT tal como RT. A capacidade de tráfego dedicado a NRT é introduzida através de limites de potência em UL e DL para RT e para NRT separadamente. Isto melhora o QoS, porque permite reservar capacidade para NRT mediante as características de cada célula. Na Figura 4.45 é apresentada a ideia de reserva de capacidade dedicada para NRT. Nas fases A, B e C, não existem restrições nas limitações de capacidade, dado que a soma das capacidades NRT e RT não atingem o limite máximo de carga permitida. Na fase D a soma de carga dos dois tipos de serviço ultrapassa o limite máximo e novas chamadas RT são registadas até que o tráfego NRT atinja a capacidade necessária. Em E o tráfego RT sofre bloqueio e em F ambos os tipos de tráfego sofrem bloqueio, sendo que o tráfego NRT faz uso da capacidade máxima garantida. 103

122 104 Resultados do planeamento e optimização da rede Figura Representação conceptual da reserve de capacidade para serviços NRT [1] Controlo da inclinação das antenas Os efeitos da altura e da inclinação das antenas utilizadas em redes celulares são bem conhecidos, nomeadamente em termos de path loss, potência transmitida e interferência. Em [26] é apresentado um novo método de controlo em tempo real da inclinação da antena, o que proporciona um aumento da capacidade e redução da taxa de queda de chamadas com a variação do tráfego e das condições de propagação Cobertura e interferência A interferência e a deficiência de cobertura são duas das principais razões de falha. A interferência numa rede celular está normalmente associada a uma orientação deficiente das antenas ou a potência do canal de piloto desadequada. Os valores óptimos da orientação e inclinação das antenas são obtidos iterativamente por simulações durante a fase de planeamento e depois do lançamento da rede raramente são modificados. Isto faz com que não haja uma resposta às variações diárias do tráfego ou variações sazonais no ambiente de propagação. Estas alterações provocam um aumento da taxa de falhas ou cobertura RF deficiente Poluição do canal de piloto e game theory Para minimizar a interferência de forma dinâmica foi usado neste estudo [26] um método baseado em game theory. A ideia deste método é que um grupo inteiro de indivíduos é afectado pela escolha feita por um dos indivíduos desse grupo. A aplicação deste método em controlo de admissão, controlo de taxas de débito e sheduling são apresentados em [29] e [30]. Utilizando game theory o objectivo de aumentar a capacidade da rede minimizando o custo de queda de chamadas pode ser formulado da seguinte forma:, em que 104