43 4 Planejamento de ede este capítulo é apresentado o planejamento da rede do sstema CDMA, nclundo dmensonamento, planejamento de capacdade e cobertura e otmzação da rede [4] O planejamento vsa à alocação de recursos de forma a atender à demanda de comuncação por parte dos usuáros Deve-se prmero pesqusar o rao das células, pos este tem relação dreta com os custos de mplantação e operação do sstema o sstema CDMA há dferentes requstos de qualdade de comuncação, tendo em vsta que aplcações dstntas são suportadas pelo sstema; sto pode ser traduzdo por dferentes valores de Eb/o para cada usuáro do sstema Isso também se traduz por dferentes taxas de transmssão coexstndo smultaneamente no sstema, acarretando com que a comuncação de dferentes usuáros apresente dferentes ganhos de processamento 4 Dmensonamento O dmensonamento é um processo onde possíves confgurações e alguns equpamentos de rede são estmados baseados nos requstos do operador detalhados abaxo [4]: Cobertura: egões de cobertura Informações do tpo de área Condções de propagação
44 Capacdade: Espectro dsponível Informações de densdade de tráfego Qualdade de Servço: Probabldade de localzação no espaço Probabldade de bloqueo Taxa de saída 4 Ln Budget esta seção é apresentado o ln budget Alguns parâmetros mportantes estão especfcados a segur [4]: Margem de Interferênca A margem de nterferênca é necessára no ln budget devdo ao tráfego na célula O fator de tráfego afeta a cobertura, pos, quanto maor o tráfego, maor é a margem de nterferênca necessára no upln e menor a área de cobertura Fast Fadng Margn ( power control headroom) Alguma margem é necessára na potênca de transmssão da estação móvel com o objetvo de manter um controle rápdo de potênca em loops fechados Essa margem é mportante prncpalmente para pedestres com velocdade baxa, pos, neste caso o controle rápdo de potênca é capaz de compensar o fast fadng Ganho de Soft handover Handover soft ou hard proporcona um ganho contra desvanecmento lento, pos reduz a margem de desvanecmento requerda Havendo desvanecmento lento descorrelatado entre as estações base e fazendo handover, a estação móvel pode escolher uma estação base melhor
45 Soft handover proporcona um ganho adconal de dversdade contra fast fadng, reduzndo a taxa de Eb/o requerda relatva a um únco ln rádo 4 Fator de Tráfego do Upln A degradação da margem de nterferênca é uma função do tráfego da célula Quanto mas tráfego é permtdo no sstema, uma maor margem de nterferênca se faz necessára no upln e a área de cobertura dmnu O tráfego do upln pode ser determnado como demonstrado a segur Para determnar a potênca do snal transmtdo e recebdo para uma estação móvel (MS), lgada a uma estação base (BS) n, a equação básca para o cálculo de Eb/o para CDMA (equação 4) é utlzada Assume-se que Ioth é a potênca recebda pelas estações móves conectadas a outras células e Iown é a potênca recebda por estações móves conectadas à mesma estação base n, assm como a estação base desejada A potênca Ioth é dretamente proporconal a potênca Iown por um fator Consdera-se que MS utlza taxa de bt, sua taxa de Eb/o requerda é e sua taxa de chp é de Assm, a potênca recebda da th estação móvel na estação base na qual ela está lgada deve ser de : p,,, n Iown p Ioth Iown p Iown (4) onde n é o número de estações móves conectadas a estação base n, p f T (4) 0 0 é a potênca de ruído para uma célula vaza, f é a fgura de ruído de receptor, é a constante de Boltzmann e T0 é a temperatura absoluta Para T0 93 (0 ºC) e f, sto resulta em 0-740 dbm/hz e -08 dbm A nequação em 4 é otmsta, pos assume que não exste nterferênca do própro snal, o que não é realmente verdade nas condções normas de propagação por multpercurso esolver a nequação como uma equação sgnfca determnar o mínmo de potênca requerda, p :
46 I p I p own own,,, ) ( ) ( (43) Se as equações (43) são verdaderas para as estações móves conectadas a BS n, então: own P I P P P desde que ) ( ) ( ) ( ) ( (44) Se defnrmos o fator de tráfego de upln como sendo: UL ) ( η (45) podemos modfcar a equação (45) de modo a nclur o efeto da setorzação (ganho de setorzação ζ e número de setores s) e da taxa de atvdade do servço ν s UL ) ( ς ν η (46)
47 4 Fator de tráfego do Downln O dmensonamento do downln segue o mesmo racocíno que o do upln Para um determnado rao de célula, a potênca total transmtda pela estação base precsa ser estmada Para realzar este cálculo, é necessáro nclur as conexões de soft handover o caso de a potênca ser ultrapassada, o tamanho da célula deve ser lmtado ou o número de usuáros por célula deve ser dmnuído O fator de tráfego do downln é estmado por: ν Lp m Lpn I η DL ( α ) (47) n, n m onde Lpm é a perda no ln entre a estação base m e a estação móvel, Lpnn é a perda no ln entre a estação base n e a estação móvel e, é a taxa de Eb/o requerda para a estação móvel, nclundo o ganho de soft handover e a potênca méda causada pelo controle rápdo de potênca é o número total de estações base, I é o número de conexões por setor e α é o fator de ortogonaldade que vara de 0 até, dependendo nas condções de multpercurso Quando α, totalmente ortogonal Então o termo: DL n, n m Lp Lp m n (48) defne a nterferênca de outras células a célula em questão no downln A saída dreta de um ln budget de downln é a potênca requerda por um usuáro na célula de um únco ln A estmatva da potênca total a ser transmtda pela estação base deve consderar múltplos lns de comuncação com dstânca méda de ( Lp m ) das estações base servdoras O ambente multcelular com ortogonaldades α deve ser ncluído no modelamento o ln budget do upln, o fator lmtante é a potênca de transmssão da estação móvel; no ln budget do downln, o fator lmtante é o total de potênca transmtda pela estação base Ambos os ln budgets devem ser consderados no LB
48 A margem de nterferênca de degradação a ser consderada no ln budget devdo a um fator de tráfego η tanto no upln como no downln é de : L 0log0 ( η) (49) A margem de desvanecmento rápdo é outro tem mportante no LB Algumas margens são necessáras, na potênca transmtda na estação móvel, para manter um controle adequado de cloosed-loop fast power control em condções desvantajosas de propagação, como perto da borda da célula 43 Margem de sombreamento e estmatva do Ganho de Soft Handover O próxmo passo é estmar o rao máxmo da célula e a cobertura da célula em dferentes regões e ambentes o LB a máxma perda sotrópca por percurso é calculada e, deste valor, uma margem de desvanecmento lenta, relaconada com a probabldade de cobertura, deve ser subtraída Quando determnada a probabldade de cobertura, deve-se calcular o expoente do modelo de propagação e o desvo padrão do desvanecmento log-normal o caso de se estar consderando um ambente ndoor, valores típcos para perda podem varar de 5 db até 0 db e o desvo padrão da margem de desvanecmento log-normal vara de 0 db até db A equação 4 estma a probabldade de cobertura para o caso de uma únca célula : a b a b Fu erf ( a) exp erf b b onde (4) a x 0 P r σ e 0 nlog b σ onde Pr é o nível recebdo na borda da célula, n é a constante de propagação, x0 é a força méda do snal, e σ é o desvo padrão da força do campo e erf é a função erro as redes de celular CDMA, as áreas de cobertura das células se sobrepõem e a estação móvel é capaz de se conectar a mas de uma célula servdora Se mas de uma célula é detectada, a probabldade de localzação aumenta e é maor do que quando determnada por uma únca célula solada 0 e
49 Em [7], a teora de casos por multservços com snas correlatados é ntroduzda: x SHO a xx γ σ Pout e Q dx b (4) π σ onde Pout é a potênca na borda da célula, γ SHO é a margem de desvanecmento com soft handover, σ é o desvo padrão da força do campo para um desvanecmento log-normal de 50% de correlação entre as estações móves e duas estações base, a b o ln budget do sstema CDMA, o ganho de soft handover é necessáro O ganho consste em duas partes, combnando o ganho contra desvanecmento rápdo e o ganho contra desvanecmento lento gle SHO G γ sn γ (43) Se assumrmos uma probabldade de cobertura de 95%, um expoente de perda por percurso n 35 e um desvo padrão do desvanecmento lento de 7 db, o ganho va ser de 73 db 40 db 33 db Se o desvo padrão for maor e a probabldade requerda for maor, o ganho também será maor a fgura 4 tem-se um exemplo de ln budget tanto para upln como para downln
50 Upln Downln Potênca de Transmssão 500 a 3797 m 097 b 0log(a) 338 dbm Tx Ganho de Antena 000 c 800 db Perda de cabo/body Loss 00 d 00 db Transmtter EIP 897 e bc-d 4738 dbm Densdade de uído Témco -7400 f -7400 dbm/hz Fgura de uído do eceptor 500 g 800 db Densdade de uído no eceptor -6900 h fg -6600 dbm/hz Potênca de uído no eceptor -033 I 0log()h -003 dbm Margem de Interferênca -30 j -009 db Ec/Io equerda -7 0log[Eb/0(/)]-j -77 db Potênca de Snal equerda [S] -05 l j -0784 dbm x Ganho de Antena 800 m 000 db Perda de cabo/body Loss 00 n 00 db Probabldade de Cobertura Outdoor 9500 9500 % (requerda) Probabldade de Cobertura Indoor 000 000 % (requerda) Probabldade de Localzação Outdoor 856 856 % (calculada) Probabldade de Localzação Indoor 333 333 % (calculada) Ambente Lmtante Outdoor Outdoor Constante de desvanecmento lento, outdoor 700 700 db Constante de desvanecmento lento, ndoor 00 00 db Expoente do Modelo de Propagação 350 350 Margem de Desvanecmento Lento -77 o -77 db Ganho de HO 000 p 00 db Margem de Desvanecmento Lento Ganho de HO -77 q op -57 db Perda de Indoor 000 r 000 db Margem de desvanecmento ápdo 000 s 000 db Perda de Propagaçãp Permtda 4796 t e-lm-nqr-s 4796 db Fgura 4 - Exemplo de LB 44 ao da Célula e Estmatva da Área de cobertura da Célula Assm que a perda máxma por propagação é determnada, é fácl aplcar qualquer um dos modelos de propagação para estmatva do rao da célula Alguns desses modelos foram apresentados no capítulo 3 Depos de determnado o rao da célula, a área de cobertura de uma célula hexagonal pode ser estmada por: S r (44) onde S é a área de cobertura, r é o rao máxmo da célula e é uma constante Até ses setores são razoáves para o sstema CDMA, mas, com ses setores, a estmatva do rao da célula se torna problemátca, pos um ste com ses setores
5 não necessaramente é um hexágono Quanto mas setores são utlzados, mas cudado se deve tomar com o soft handover overhead para se obter uma estmatva segura a tabela 4 alguns valores de são apresentados Confguração do ste Omn setores 3 setores 6 setores Valores de 6 3 95 6 Tabela 4 - Valores de para determnação da área do ste 45 Efcênca Espectral A efcênca espectral no sstema CDMA pode ser defnda pelo número de chamadas smultâneas com mesma taxa de bt ou pela taxa de saída da camada físca, suportada em cada célula por 5 Mhz de freqüênca, meddo em bps/célula/freqüênca A efcênca espectral é função de dversos fatores: ambente rádo, mobldade do usuáro, localzação do usuáro, servços e qualdade de servço, condções de propagação A varação pode ser muto grande, de 50-00%, mas a maora das smulações dos sstemas que oferecem ndcações da efcênca espectral méda reflete apenas os resultados para algumas condções predefndas da célula e para certos comportamentos do usuáro 46 Cálculo de Capacdade A densdade de tráfego pode ser medda em Erlang e é defnda por [4]: taxa de chegada de chamadas (chamadas/s) densdade de tráfego (erlang) (45) taxa de saída de chamadas (chamadas/s) Se a capacdade é bloqueada por razão de hardware, a capacdade por Erlang pode ser obtda pelo modelo de Erlang B Para um sstema com capacdade levemente lmtado, a capacdade por Erlang não pode ser calculada pela fórmula de Erlang, uma vez que ela apresentará resultados pessmstas A soft capacty pode ser explcada do segunte modo: quanto menos nterferênca está chegando das células vznhas, mas canas estão dsponíves no
5 centro da célula Com um número pequeno de canas por célula, ou seja, para usuáros de dados em tempo real com alta taxa de bt, o tráfego médo deve ser bem baxo para garantr baxa probabldade de bloqueo Como o tráfego médo é baxo, tpcamente se tem capacdade extra dsponível nas células vznhas Essa capacdade pode ser emprestada pelas células adjacentes Por essa razão a dvsão da nterferênca produz uma soft capacty Para o cálculo de soft capacty demonstrado abaxo, é assumdo que o número de usuáros nscrtos é o mesmo em todas as células, entretanto as conexões começam e termnam ndependentemente Além dsso, é assumda uma dstrbução de Posson para os ntervalos de chegada de chamada A CDMA soft capacty pode ser defnda como o aumento da capacdade em Erlang com soft blocng comparado com a própra capacdade em Erlang com hard blocng, com o mesmo número máxmo de canas por célula: Erlang capacty com soft blocng soft capacty (46) Erlang capacty com hard blocng 43 Detalhes do Dmensonamento este tópco, alguns aspectos de um planejamento de rede detalhado são apresentados com a ajuda de um smulador estatístco que acompanha o lvro [6] Ele utlza como entrada um mapa dgtal, um layout da rede e a dstrbução de tráfego na forma de um mapa Em um smulador estatístco cada usuáro pode ter dferentes velocdades, apesar de eles não estarem realmente andando A velocdade e o servço utlzado juntos defnem a taxa de Eb/o requerda, margens e ganhos mportados das smulações de ln O smulador consste bascamente em três partes, ncalzação, combnação da análse de upln e downln e a fase pós-processamento a ncalzação, tanto o upln e o downln para todas as estações móves são analsados repetdamente o passo fnal, após as terações terem preenchdo algum crtéro de convergênca, os resultados das analses de upln e de downln são apresentadas em formas gráfcas e numércas
53 43 Dados de entrada Mapa Dgtal: O dado mas mportante para qualquer planejamento de ede é um mapa geográfco da área onde será feto o planejamento O mapa é necessáro para predções de cobertura Para o planejamento de rede, um mapa dgtal deve conter ao menos os dados topográfcos, os dados morfológcos e a localzação dos prédos, assm como suas alturas Quando dsponíves, nformações sobre as estradas e ruas podem ser utlzadas em algumas operações como modelamento de tráfego e predções de cobertura A resolução do mapa depende do tpo de regão em questão Quanto mas urbana, menor deve ser a resolução do mapa Plano: Um plano é sempre crado e defndo antes de as atvdades atuas de uma rede serem ncadas Ele contém todas as confgurações necessáras e valores dos parâmetros para os elementos da rede a prátca, o plano apresenta todos os dados das estações base e das células a serem utlzadas na rede real Um software de planejamento de rede deve ser capaz de crar, defnr e salvar dversos planos Assm, váras versões podem ser comparadas em termos de qualdade, capacdade e cobertura, com o objetvo de escolher o plano que melhor atende ao objetvado Edtor de Antena: O conceto de antena nclu o dagrama de radação e alguns parâmetros como o ganho de antena e a banda de freqüênca Uma vez que a antena é defnda, ela pode ser utlzada em células seleconadas e em predções de cobertura Modernas ferramentas de planejamento de rede permtem a vsualzação do dagrama de radação da antena Tpcamente dos tpos de modelos de antenas são suportados, os globas e as de plano específco Modelos de antenas globas estão dsponíves em todos os planos, quantos modelos de antenas de plano específco pertencem a planos ndvduas, cujas varações não afetam os modelos globas
54 Estações Base e Modelos de Células e Stes: Ferramentas de planejamento devem possur a funconaldade de defnr e utlzar confgurações de hardware geras, confgurações e parâmetros de elementos como stes e células 44 Smulando a Performance do Ln A smulação de performance do ln forma o coração da ferramenta de planejamento de rede Ela deve prover suporte tanto para G quanto para 3G Para G só é necessára a prevsão de cobertura, a estmatva da nterferênca mútua entre células e a performance de alocação de freqüênca o sstema CDMA, a análse é mas complexa Devem ser fetas dversas terações de upln e downln com o objetvo de encontrar as potêncas de transmssão para a estação móvel e a estação base Ao estmar a nterferênca na rede CDMA, modernas ferramentas de planejamento também consderam a nterferênca de canal adjacente Esse é um requsto básco quando mas de uma faxa de freqüêncas é utlzada, como ocorre em mcrocélulas as técncas modernas de planejamento de rede, deve-se realzar a análse de um únco snapshhot de dos modos o prmero método, apenas poucas terações são realzadas para o upln e o downln para determnar mas rapdamente as áreas que estão nsufcentemente cobertas e as que possuem altos níves de nterferênca Assm, pode-se fazer as modfcações necessáras no planejamento de rede rapdamente, antes de se ncarem cálculos mas detalhados que utlzam mas tempo e esforço computaconal O segundo método de análse consdera um número muto maor de nformações durante as terações, o que leva a um tempo de processamento maor do que no prmero caso Quando os cálculos e as smulações estão fetos em uma ferramenta de planejamento de rede, o passo segunte é verfcar e analsar se os resultados obtdos são acetáves A ferramenta de planejamento de rede deve prover suporte para pós-processamento, análse e vsualzação dos resultados de dversos modos
55 aturalmente, se a cobertura, a qualdade e os objetvos de QoS não são alcançados, as atvdades do planejamento de rede devem contnuar até todas as característcas chegarem a níves acetáves Uma ferramenta moderna de planejamento pode apresentar os resultados em dversas formas: mapas, tabelas e hstogramas cabendo ao planejador realzar as modfcações necessáras 44 Cobertura A cobertura é mportante quando a rede não é lmtada pela capacdade, tpcamente em áreas ruras Mesmo em áreas urbanas, a rede pode ser lmtada pela cobertura, se a cobertura ndoor é oferecda para servços com altas taxas de bt, usando estações base outdoor Os requstos para boa cobertura ndoor geram um tamanho de célula pequena, o que pode acarretar mas capacdade por m quadrado do que necessára [4] A potênca de saída de uma estação móvel é tpcamente de dbm (5 m) e as estações base de células macro de 40 46 dbm (0-40 ) por setor O efeto dos melhoramentos no ln budget, L, nos raos relatvos, podem ser calculados assumndo um modelo de propagação, como o modelo de Oumura-Hata este exemplo a perda de propagação pode ser de: A área relatva pode ser calculada por: L 35, log0 ( ) (47) L 35, A ( ) 0 (48) Os fatores que afetam a máxma perda por propagação podem ser vstos pela tabela do ln budget Os efetos das soluções das estações base e da taxa de bt va ser descrta nas próxmas seções 44 Cobertura no Upln esta seção são analsados os efetos dos parâmetros da camada físca e das soluções das estações base na cobertura upln do sstema CDMA
56 [4]: A cobertura de dferentes taxas de bt é afetada pelos seguntes parâmetros Para altas taxas de bt, o ganho de processamento é baxo e a cobertura é menor (ver o ln budget, lnha l) Para altas taxas de bt, a taxa de Eb/o requerda tende a ser menor, compensando a redução de cobertura devdos às altas taxas de bt Quanto mas baxa a taxa de erro requerda, menos potênca é necessára para a mesma performance e maor va ser o rao da célula obtdo 44 Cobertura no Downln o downln mas potênca pode ser alocada para uma conexão quando comparado com o upln, porque a potênca de saída da estação base pode ser maor do que a potênca de saída de uma estação móvel Assm, uma melhor cobertura pode ser proporconada para servços com altas taxas de bts no downln do que no upln [4] Será apresentada uma comparação de cobertura para uma taxa de bt de, bps para voz e Mbps para dados Assume-se nesta comparação que: O tamanho da célula é defndo pela cobertura de upln para voz A recepção do upln na estação base possu 6 db de sensbldade do que a recepção no downln, prncpalmente devdo à fgura de ruído mas baxa e a dversdade de antena Mbps de dados possu uma taxa de erro Eb/o 3 db menor do que nos casos de voz O termnal de voz possu uma body loss 3 db maor do o termnal de dados de Mbps A potênca de transmssão do termnal de voz é de dbm A quantdade de nterferênca causada por outras células é a mesma para voz e para Mbps
57 Se o tamanho da célula é planejado de acordo com a voz no upln, a potênca méda necessára para transmssão de voz no downln é calculada para ser de 7 dbm e, para conexão de Mbps, deve ser de aproxmadamente de 40 dbm (0 ), a fm de obter a cobertura completa no downln O calculo é apresentado na tabela 4 Transmssão de Potênca da estação móvel no upln Potênca de transmssão Estmada para voz no downln Dferença no ganho de processamento entre, bps e Mbps Eb/o mas baxa para termnal de dados body loss Potênca de transmssão necessára para cobertura completa em Mbps dbm dbm 6 dbm 7 dbm 0*log (000/,)9, db 3dB termnal de voz : 3 db termnal de dados : 0 db 7 dbm 9, db -3dB - 3dB 40 dbm Tabela 4 Potênca de Transmssão requerda para Mbps com cobertura Completa a prátca, a cobertura para taxa de bts altas no downln depende de: Dmensonamento do upln, sendo a taxa de bt calculada para cada alcance de célula no upln Taxa de amplfcação da potênca no upln Tráfego nas células adjacentes Se o planejamento é feto de forma modo a prover altas taxas de bt, tanto no upln como no downln, a célula va ser menor e a cobertura de downln va ser melhor O tráfego das células adjacentes afeta a possbldade de conexões com alta taxa de bt na borda da célula 44 Capacdade A capacdade de nterface aérea no downln é menor do que a capacdade de nterface aérea do upln A razão prncpal é que, na estação base, podem ser utlzadas melhores técncas de recebmento do que na estação móvel Essas
58 técncas ncluem dversdade de receptores nas antenas e detecção de multusuáros