Informe - Escuela de Ingeniería Eléctrica
Anuncio
Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Calidad de servicio sobre la interfaz de radio en redes UMTS Por: Francisco Rodríguez Castillo Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Diciembre de 2011 Calidad de servicio en la interfaz de radio en redes UMTS Por: Francisco Rodríguez Castillo Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: LICENCIADO EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: _________________________________ Ing. Jorge Arturo Romero Chacón, PhD. Director, Escuela de Ingeniería Eléctrica _________________________________ Ing. Guillermo Rivero González Director, Comité Asesor _________________________________ Ing. Johnny Cascante Miembro, Comité Asesor _________________________________ Ing. Julio Stradi Miembro del Tribunal _________________________________ Ing. Gabriel Víquez Miembro, Comité Asesor _________________________________ Ing. Raúl Sequeira Miembro del Tribunal DEDICATORIA Este trabajo está dedicado a mis familiares, quienes durante toda mi carrera académica y profesional me han apoyado incondicionalmente y me han alentado a seguir mejorando en todos los ámbitos personales. ii RECONOCIMIENTO Agradezco a todos los profesores, amigos y profesionales que han colaborado de una u otra forma para la elaboración de este trabajo. Su valioso aporte incluyó información técnica así como la trasferencia del conocimiento adquirido, producto de su experiencia en el campo de las telecomunicaciones. iii ÍNDICE GENERAL CAPÍTULO 1: Introducción ............................................................................................................................ 1 1.1 Objetivos..................................................................................................................................... 2 1.1.1 Objetivo general ..................................................................................................................... 2 1.1.2 Objetivos específicos ............................................................................................................. 2 1.2 Justificación ................................................................................................................................ 2 1.3 Metodología ................................................................................................................................ 3 CAPÍTULO 2: Introducción a UMTS .............................................................................................................. 4 2.1 Tecnología CDMA de Espectro Extendido .................................................................................. 4 2.1.1 Extensión del espectro ........................................................................................................... 5 2.1.2 Códigos ortogonales .............................................................................................................. 7 2.1.3 Códigos Scrambling ............................................................................................................... 8 2.2 2.2.1 Arquitectura de protocolo ............................................................................................................ 9 Canales Lógicos................................................................................................................... 10 2.2.1.1 Canales de Control ........................................................................................................ 11 2.2.1.2 Canales de Tráfico ........................................................................................................ 12 2.2.2 Canales de Transporte ......................................................................................................... 12 2.2.2.1 Canales de transporte dedicados .................................................................................. 13 2.2.2.2 Canales de transporte común........................................................................................ 13 2.2.3 Canales Físicos .................................................................................................................... 14 2.2.3.1 Canales físicos en Uplink .............................................................................................. 15 2.2.3.2 Canales físicos en Downlink .......................................................................................... 19 2.3 Arquitectura de red UMTS ........................................................................................................ 26 2.3.1 Red de Acceso de Radio (RAN) ........................................................................................... 27 2.3.2 Red Núcleo (CN) .................................................................................................................. 27 2.3.3 Equipo del Usuario (UE) ....................................................................................................... 28 CAPÍTULO 3: Calidad de servicio en UMTS ............................................................................................... 30 3.1 Introducción al concepto de Calidad de Servicio ....................................................................... 30 3.2 Factores principales que afectan a la calidad de la señal radio................................................. 30 3.3 Arquitectura del modelo de Calidad de Servicio ........................................................................ 32 3.4 Atributos de servicio para portadoras UMTS ............................................................................. 34 3.4.1 3.5 Atributos asignados a clases de servicio .............................................................................. 36 Medida de la calidad ................................................................................................................. 38 iv 3.5.1 Técnicas de medida ............................................................................................................. 38 3.5.2 Sistemas y herramientas de medida .................................................................................... 39 3.5.2.1 Sistemas de medida de la señal de radio ...................................................................... 40 3.5.2.2 Sistemas de recolección de datos de la red .................................................................. 40 CAPÍTULO 4: Gestión de Recursos de Radio ............................................................................................. 42 4.1 Administración de Calidad de Servicio ...................................................................................... 42 4.2 Aprovisionamiento QoS en la Red de Acceso........................................................................... 43 4.3 Funcionalidades, umbrales y contadores de red para la gestión de QoS .................................. 44 4.4 Control de Potencia .................................................................................................................. 45 4.4.1 Control de potencia en canal común .................................................................................... 46 4.4.1.1 Control de potencia sobre el canal común de uplink ...................................................... 46 4.4.1.2 Control de potencia sobre el canal común de downlink ................................................. 49 4.4.2 Control de potencia en canal dedicado ................................................................................ 50 4.4.2.1 Control de potencia a bucle abierto ............................................................................... 51 4.4.2.2 Control de potencia a bucle interno ............................................................................... 56 4.4.2.3 Control de potencia a bucle externo .............................................................................. 58 4.4.2.4 Balanceo de potencia .................................................................................................... 60 4.4.3 Control de potencia HSDPA ................................................................................................. 61 4.4.3.1 Control de potencia sobre HS-DPCCH .......................................................................... 61 4.4.3.2 Control de potencia sobre HS-SCCH ............................................................................ 62 4.4.4 Control de potencia sobre HSUPA ....................................................................................... 63 4.4.4.1 Control de potencia sobre E-DPCCH ............................................................................ 63 4.4.4.2 Control de potencia sobre E-DPDCH ............................................................................ 63 4.4.4.3 Control de potencia a bucle externo sobre E-DCH ........................................................ 63 4.4.4.4 Control de potencia sobre E-AGCH, E-RGCH y E-HICH ............................................... 64 4.5 Handover .................................................................................................................................. 65 4.5.1 Handover Intra-frecuencia .................................................................................................... 66 4.5.2 Handover Inter-frecuencia .................................................................................................... 68 4.5.3 Handover Inter-RAT (3G a 2G) ............................................................................................ 70 4.6 4.6.1 Control de Carga ...................................................................................................................... 72 Escenarios y funciones de control de carga ......................................................................... 72 4.6.1.1 Control de usuario potencial .......................................................................................... 76 4.6.1.2 Control de Acceso ......................................................................................................... 78 4.6.1.3 Control de Admisión ...................................................................................................... 80 4.6.1.4 Balaceo de Carga Intra-Frecuencia ............................................................................... 87 v 4.6.1.5 Reorganización de carga............................................................................................... 89 4.6.1.6 Control de sobrecarga ................................................................................................... 91 4.7 4.7.1 Control de tasa de transmisión ................................................................................................. 92 Mediciones de estabilidad para los servicios AMR ............................................................... 94 4.7.1.1 Mediciones de estabilidad sobre el uplink para servicios AMR ...................................... 95 4.7.1.2 Mediciones de estabilidad sobre el downlink para servicios AMR ................................. 97 4.7.2 Mediciones de estabilidad del enlace para servicios BE....................................................... 99 4.7.2.1 Mediciones de estabilidad sobre el uplink para servicios BE ......................................... 99 4.7.2.2 Mediciones de estabilidad sobre el downlink para servicios BE ....................................100 4.7.3 Mediciones de volumen de tráfico para servicios de mejor esfuerzo ...................................103 4.7.4 Mediciones de la tasa efectiva para servicios de mejor esfuerzo.........................................105 CAPÍTULO 5: Optimización .......................................................................................................................107 5.1 Optimización de red .................................................................................................................107 5.2 Proceso de optimización ..........................................................................................................107 5.2.1 Administración de mediciones .............................................................................................110 5.2.2 Indicadores Clave de Desempeño.......................................................................................112 5.2.3 Modelo de optimización basado en mezclas de tráfico ........................................................114 CAPÍTULO 6: Conclusiones y Recomendaciones ......................................................................................118 vi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Acceso Múltiple por División de Código ....................................................................................... 4 Figura 2.2 Relación entre frecuencia y potencia de una señal ...................................................................... 6 Figura 2.3 Extensión de una señal utilizando códigos ortogonales .............................................................. 8 Figura 2.4 Arquitectura del protocolo de interfaz de aire ............................................................................ 10 Figura 2.5 Estructura de canales lógicos .................................................................................................... 11 Figura 2.6 Mapeo de canales de lógicos sobre canales de transporte ........................................................ 12 Figura 2.7 Mapeo de canales de transporte sobre canales físicos .............................................................. 14 Figura 2.8 Estructura de trama uplink DPDCH/DPCCH .............................................................................. 16 Figura 2.9 Estructura de trama uplink HS-DPCCH ..................................................................................... 16 Figura 2.10 Estructura de trama uplink E-DPDCH/ E-DPCCH ................................................................... 17 Figura 2.11 Ranuras de acceso RACH ...................................................................................................... 18 Figura 2.12 Estructura de transmisión de acceso aleatorio ........................................................................ 18 Figura 2.13 Estructura de la parte de mensaje de acceso aleatorio ........................................................... 19 Figura 2.14 Estructura de la trama downlink DPCH ................................................................................... 20 Figura 2.15 Estructura de la trama E-RGCH y E-HICH .............................................................................. 20 Figura 2.16 Estructura de la trama F-DPCH ............................................................................................... 21 Figura 2.17 Estructura de la trama CPICH ................................................................................................. 22 Figura 2.18 Estructura de la trama del P-CCPCH ...................................................................................... 22 Figura 2.19 Estructura de la trama del S-CCPCH ...................................................................................... 23 Figura 2.20 Estructura del canal de sincronización .................................................................................... 23 Figura 2.21 Estructura de la trama del AICH .............................................................................................. 24 Figura 2.22 Estructura de PICH ................................................................................................................. 24 Figura 2.23 Estructura de la trama del HS-SCCH ...................................................................................... 25 Figura 2.24 Estructura de la sub-trama del HS-PDSCH ............................................................................. 25 Figura 2.25 Estructura de la sub-trama del E-AGCH .................................................................................. 26 Figura 2.26 Estructura del MICH ................................................................................................................ 26 Figura 2.27 Arquitectura de red UMTS........................................................................................................ 29 Figura 3.1. Arquitectura QoS para UMTS ................................................................................................... 33 Figura 4.1 Marco de administración de QoS ............................................................................................... 42 Figura 4.2 Control de potencia sobre PRACH ............................................................................................. 48 Figura 4.3 Control de Potencia sobre canal dedicado UL............................................................................ 51 Figura 4.4 Control de potencia a lazo externo UL ....................................................................................... 59 vii Figura 4.5 Balanceo de Potencia DL ........................................................................................................... 60 Figura 4.6 Control de potencia sobre HS-DPCCH....................................................................................... 61 Figura 4.7 Handover Intra-frecuencia .......................................................................................................... 67 Figura 4.8 Eventos de handover ................................................................................................................. 68 Figura 4.9 Tipos de Handovers en UMTS ................................................................................................... 71 Figura 4.10 Funciones de control de carga en las fases de acceso ............................................................ 74 Figura 4.11 Procedimiento Control de Usuario Potencial ............................................................................ 76 Figura 4.12 Estados de carga en celda ....................................................................................................... 77 Figura 4.13 Procedimiento de Control de Acceso ....................................................................................... 78 Figura 4.14 Procedimiento de Control de Admisión .................................................................................... 81 Figura 4.15 Función de balanceo de carga intra-frecuencia ........................................................................ 88 Figura 4.16 Estados de congestión en una celda ........................................................................................ 90 Figura 4.17 Condiciones de sobrecarga en una celda ................................................................................ 91 Figura 4.18 Eventos y umbrales en UL para servicios AMR ........................................................................ 96 Figura 4.19 Umbral del evento 6D .............................................................................................................. 97 Figura 4.20 Eventos y umbrales en DL para servicios AMR ........................................................................ 98 Figura 4.21 Reporte del evento 5A ............................................................................................................100 Figura 4.22 Reporte del evento F...............................................................................................................102 Figura 4.23 Umbral para el reporte de retransmisión PDU RLC .................................................................102 Figura 4.24 Evento 4a – Aumento del volumen de tráfico ..........................................................................104 Figura 4.25 Evento 4b – Disminución del volumen de tráfico .....................................................................105 Figura 4.26 Reporte de los eventos 4a y 4b ...............................................................................................106 Figura 5.1 Lazo de optimización y factores externos que influyen en las diferentes fases .........................108 Figura 5.2 Balance entre cobertura, capacidad y calidad del enlace ..........................................................110 viii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Atributos RAB definidos para cada clase de portadora de tráfico...................... 38 Tabla 4.1 Parámetros y métodos de control de potencia ................................................... 65 Tabla 4.2 Recursos considerados por diferentes funciones de control de carga................ 74 Tabla 4.3 Relación típica entre Prioridad de Usuario y ARP .............................................. 75 Tabla 4.4 Uso de créditos de acuerdo al SF para servicios DCH ...................................... 85 Tabla 4.5 Uso de créditos de acuerdo al SF para servicios HSUPA .................................. 86 Tabla 4.6 Mediciones y eventos asociados para servicios BE ........................................... 99 Tabla 5.1 Indicadores de desempeño típicos .................................................................. 114 Tabla 5.2 Distribución de tráfico ...................................................................................... 116 Tabla 5.3 Definición de parámetros de acuerdo a prioridades de tráfico ......................... 116 Tabla 5.4 Clases de tráfico y prioridades de servicio ....................................................... 117 ix NOMENCLATURA 3GPP 3G Partnership Project Proyecto de Asociación 3G AICH Acquisition Indication Channel Canal de Indicación de Adquisición AMR Adaptive Multi-Rate Multi-Tasa Adaptativa BCCH Broadcast Control Channel Canal de Control de Difusión BCH Broadcast Channel Canal de Difusión BE Best Effort Mejor Esfuerzo CCCH Common Control Channel Canal de Control Común CCPCH Common Control Physical Channel Canal Físico de Control Común CDMA Code Division Multiple Access Acceso Múltiple por División de Código CPCH Common Packet Channel Canal de Paquete Común CPICH Common Pilot Channel Canal Piloto Común CTCH Common Traffic Channel Canal de Tráfico Común DCCH Dedicated Control Channel Canal de Control Dedicado DCH Dedicated Channel Canal de Control Dedicado DL Downlink Enlace de bajada DPCCH Dedicated Physical Control Channel Canal de Control Físico Dedicado DPDCH Dedicated Physical Data Channel Canal de Control Físico Dedicado DRD Directed Retry Decision Decisión de Reintento Dirigido DSCH Downlink Shared Channel Canal Compartido Enlace bajada DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Espectro Extendido de Secuencia Directa DTCH Dedicated Traffic Channel Canal de Tráfico Dedicado FACH Forward Access Channel Canal de Acceso Directo FDD Frequency Division Duplex División de Frecuencia Duplex GBR Guaranteed Bit Rate Tasa de Bit Garantizada HO Handover Traspaso MAC Media Access Control Control de Acceso al Medio MMS Multimedia Message Service Servicio de Mensaje Multimedia MS Mobile Station Estación Móvil NB Narrow Band Banda Estrecha NGBR No Guaranteed Bit Rate Tasa de Bit No Garantizada OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor Factor Extensión Variable Ortogonal PCCH Paging Control Channel Canal de Control de Localización PCH Paging Channel Canal de Localización PCPCH Physical Common Packet Channel Canal de Paquete Común Físico PDSCH Physical Downlink Shared Channel Canal Compartido Enlace bajada Físico PICH Paging Indication Channel Canal de Indicación de Localización x PRACH Physical Random Access Channel Canal de Acceso Aleatorio Físico QoS Quality of Service Calidad de Servicio QPSK Quadrature Phase Shift Keying Clave Cambio de Fase en Cuadratura RACH Random Access Channel Canal de Acceso Aleatorio SCH Synchronization Channel Canal de Sincronización SF Spreading Factor Factor de Extensión SHO Soft Handover Traspaso Suave SIM Subscriber Identity Module Módulo de Identidad de Subscriptor SMS Short Message Service Servicio de Mensaje Corto SNR Signal to Noise Ratio Relación Señal a Ruido SS Spread Spectrum Espectro Extendido TDD Time Division Duplex División de Tiempo Duplex TPC Transmit Power Control Control de Potencia Transmitida UE User Equipment Equipo de Usuario UICC Universal Integrated Circuit Card Tarjeta de Circuito Integrado Universal UL Uplink Enlace de subida UMTS Universal Mobile Telephone System Sistema de Telefonía Móvil Universal USIM Universal Subscriber Identity Module Módulo Identidad Subscriptor Universal WB Wide Band Banda Ancha xi RESUMEN El desarrollo de este trabajo inicia con una breve introducción sobre los conceptos básicos de la tecnología CDMA, debido a que una de sus variantes da origen a la tecnología WCDMA, la cual es utilizada como modo de acceso en el sistema de telefonía móvil de tercera generación UMTS. Seguidamente se presenta la descripción de la arquitectura del protocolo asociada con la interfaz de radio utilizada bajo este estándar y se describe de forma general la arquitectura física de las redes UMTS. Esta introducción ofrece una base para comprender los conceptos asociados al tema de calidad de servicio en redes UMTS, los cuales son expuestos tomando como referencia las especificaciones elaboradas por la organización 3GPP, donde se definen aspectos generales relacionados con la arquitectura y los atributos del modelo de calidad de servicio. A partir de este marco de referencia se definen procedimientos para gestionar los recursos disponibles sobre la interfaz de radio, de tal forma que se pueda proporcionar calidad de servicio de acuerdo con el tipo de atributos asignados a los diferentes servicios. Una vez que se ha expuesto este tema, se inicia con la descripción de los algoritmos utilizados por cada una de las funciones de gestión de recursos de radio, las cuales toman en consideración las condiciones actuales de la red, relacionadas con diferentes factores tales como: carga, interferencia, disponibilidad de recursos, rendimiento, entre otros. Finalmente y con base en los temas desarrollados en los capítulos previos, se propone un marco de referencia en el cual se plantea un proceso de optimización de red basado en la gestión de los recursos de radio, donde se establece un conjunto de requerimientos esenciales que debe satisfacer un operador con el fin de implementar mecanismos de control que permitan hacer un uso eficiente de los recursos de radio disponibles, especialmente en escenarios que presentan altas mezclas de tráfico. xii CAPÍTULO 1: Introducción El sistema de telefonía móvil de tercera generación UMTS, también llamado popularmente 3G, ha sido diseñado para soportar una amplia variedad de aplicaciones, las cuales se catalogan en diferentes niveles o tipos de calidad de servicio. El concepto de Calidad de Servicio (QoS) se define como la capacidad de la red para proveer un servicio con un determinado nivel de calidad. La Calidad de Servicio abarca todas las funciones, mecanismos y procedimientos que aseguren una provisión de calidad de servicio negociada entre la red celular y el terminal del usuario. Otro término relacionado con el concepto de Calidad de Servicio es el de Calidad de la Experiencia, y se refiere a la percepción del usuario cuando hace uso de algún servicio en particular, es decir, qué tan satisfecho está en términos de accesibilidad, continuidad e integridad1. La accesibilidad del servicio se relaciona con conceptos de probabilidad de acceso, seguridad (autenticación y autorización), activación, acceso, cobertura, bloqueos y tiempos de establecimiento de los servicios. La integridad del servicio se relaciona con el rendimiento efectivo, el retardo, la variación del retardo (jitter) y la pérdida de datos durante la transmisión. La continuidad del servicio se refiere, en términos generales, a la capacidad del sistema para asegurar la conexión o limitar las pérdidas de conexión1. La variedad de aplicaciones ofrecidas por el estándar UMTS, demanda la definición de requerimientos específicos de Calidad de Servicio que aseguren a los usuarios un servicio estable y eficiente. Por lo tanto, la Calidad de Servicio en UMTS conlleva requisitos técnicos de alto nivel que implican: 1. Control de la QoS entre el terminal y los nodos de red. 2. Mapeo de los requerimientos de las aplicaciones en esa QoS. 3. Monitoreo del comportamiento dinámico de la QoS durante la sesión. Dado que las redes UMTS soportan múltiples aplicaciones, se hace necesario administrar los recursos de la red de acceso debido a que cualquier falla, cambio en el volumen de tráfico, mezcla de tráfico o el establecimiento de un parámetro incorrecto en algún elemento 1 “QoS and QoE Management in UMTS Cellular Systems” 1 de red, puede generar la degradación de la calidad de servicio en la red y con ello afectar la calidad de la experiencia de los usuarios de la red2. 1.1 Objetivos 1.1.1 Objetivo General Determinar los mecanismos necesarios que permitan proporcionar Calidad de Servicio sobre la interfaz de radio utilizada en la tecnología celular de tercera generación UMTS. 1.1.2 Objetivos Específicos • Conocer los conceptos generales sobre Calidad de Servicio en sistemas de comunicación móvil. • Analizar las funciones que se utilizan en la red de acceso para proporcionar un determinado nivel de Calidad de Servicio. • Definir indicadores, umbrales y contadores que permitan supervisar adecuadamente la red de radio, de tal forma que puedan ser utilizados para generar informes en tiempo real y tiempo diferido. • Establecer una propuesta sobre procedimientos de optimización para mejorar el rendimiento sobre la interfaz de radio. 1.2 Justificación En la actualidad todo operador de telecomunicaciones se ve obligado a garantizar calidad en los servicios que brinda a sus clientes, especialmente porque los clientes acceden a una gran cantidad de servicios, tanto de uso privado como de uso profesional, y por lo tanto demandan niveles de calidad cada vez mayores. Por otro lado, los organismos reguladores también exigen a los operadores ofrecer niveles de calidad adecuados a la hora de ofrecer los servicios a sus clientes. 2 “UMTS Networking Planning, Optimization and QoS Management” 2 En 1998 se estableció el 3rd Generation Partnership Project (3GPP), un acuerdo de colaboración internacional entre varios organismos de estandarización de telecomunicaciones, con el fin de definir aspectos generales relacionados con la arquitectura y atributos de calidad de servicio para UMTS; sin embargo, este no define la forma ni el manejo de los recursos para asegurar Calidad de Servicio, dejando que los fabricantes y los operadores de telecomunicaciones establezcan sus propios medios para alcanzar dicho fin. De la misma forma, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) establece una serie de recomendaciones cuyo fin es asegurar la calidad de los servicios de telecomunicaciones en general. Entonces, es claro que existe la necesidad de establecer mecanismos de control y administración de los recursos de radio, que permitan asegurar un nivel de Calidad de Servicio en la interfaz de radio UMTS, de acuerdo con las características de los servicios que se desean ofrecer a los usuarios del sistema. 1.3 Metodología Con el fin de desarrollar el tema propuesto, se ha establecido como primer paso realizar un estudio detallado sobre la interfaz de radio utilizada en el sistema UMTS, de tal forma que permita tener la base teórica para realizar el análisis planteado. En esta etapa se hace un enfoque de la estructura, arquitectura, normativa y aplicaciones de este sistema. Una vez superada esta primera etapa, se desarrollará el tema específico de Calidad de Servicio en redes de telefonía móvil, tomando como base la arquitectura definida por el 3GPP y considerando una serie de parámetros y atributos que permiten estructurar el concepto de Calidad de Servicio sobre la interfaz de radio utilizada en UMTS. En la tercera etapa se evaluarán los procedimientos necesarios para garantizar Calidad de Servicio en la interfaz de radio de las redes de telefonía celular de tercera generación, considerando factores asociados con la planificación y el aprovisionamiento de funciones para la administración de recursos de radio, así como las tareas de monitoreo con respecto al rendimiento en la red de acceso de radio UMTS (UTRAN). En la cuarta etapa se plantean los requerimientos esenciales que debe satisfacer un operador de telecomunicaciones, con el fin de implementar mecanismos de control que 3 permitan hacer un uso eficiente de los recursos de radio y a la vez optimizar el funcionamiento de la red de acceso, con el fin de suministrar servicios de calidad a los usuarios del sistema. CAPÍTULO 2: Introducción a UMTS 2.1 Tecnología CDMA de Espectro Extendido El Acceso Múltiple por División de Código (CDMA, por sus siglas en inglés) es una tecnología de transmisión digital la cual permite que múltiples usuarios utilicen un mismo canal de radiofrecuencia, limitando la interferencia mediante la asignación de diferentes códigos a cada usuario. Figura 2.1 Acceso Múltiple por División de Código WCDMA es la tecnología utilizada en la interfaz de radio de los sistemas UMTS. Es una tecnología de banda ancha basada en el Acceso Múltiple por División de Código de Secuencia Directa (DS-CDMA, por sus siglas en inglés), lo cual significa que la información de usuario es extendida sobre un ancho de banda amplio, esto mediante la multiplicación de 4 los datos de usuario por un número específico de bits, llamados chips, derivados de los códigos de extensión3. 2.1.1 Extensión del Espectro Las técnicas de extensión del espectro permiten transmitir una señal sobre un ancho de banda mayor del que se requiere para las transmisiones normales de banda estrecha. Originalmente fue utilizada en las aplicaciones militares para contrarrestar el efecto de interferencia intencional (jamming) y para ocultar la señal transmitida. La desventaja de los sistemas de banda estrecha es su limitada capacidad de canal, por lo tanto las señales deben transmitirse con la potencia suficiente para que la interferencia por ruido “gaussiano” no afecte la transmisión y además para que la probabilidad de errores en la transmisión sea baja. Esto significa que la Relación Señal a Ruido (SNR, por sus siglas en inglés) efectiva debe ser suficientemente alta para que el receptor pueda recuperar la señal transmitida sin errores. La SNR se puede disminuir sin que aumente la tasa de error de bit. Esto significa que si la señal se ensancha sobre un ancho de banda grande con un nivel inferior de densidad espectral de potencia, aún se puede lograr la tasa de error mínima requerida. Si la potencia total de señal se interpreta como la zona bajo la densidad espectral de potencia, entonces señales con la potencia total equivalente pueden tener o una potencia de señal grande concentrada en un ancho de banda pequeño o una potencia de señal pequeña distribuida sobre un ancho de banda grande. 3 “CDMA: principles of spread spectrum communication” 5 Figura 2.2 Relación entre frecuencia y potencia de una señal Algunas de las ventajas que ofrece la transmisión de datos utilizando la técnica de espectro extendido con respecto a otros tipos de transmisión son: seguridad, resistencia a la interferencia y al desvanecimiento multi-trayecto, así como su facilidad para el soporte de técnicas de acceso múltiple. La extensión del espectro (SS, por sus siglas en inglés) puede realizarse mediante varias técnicas; en el caso particular de UMTS, la técnica de extensión del espectro utilizada es la denominada “Extensión del Espectro por Secuencia Directa” (DSSS, por sus siglas en inglés), y para esto se utilizan los códigos de extendido, específicamente los códigos ortogonales (OVSF, por sus siglas en inglés). Mediante este proceso se transforma cada símbolo o bit de datos en un número mayor de chips, donde el cociente del número de chips por símbolo es llamado Factor de Extendido (SF, por sus siglas en inglés), por lo tanto mediante este proceso se incrementa el ancho de banda de la señal. Los códigos de extendido son una secuencia binaria con una longitud determinada, esta secuencia es denominada chips y es generada a una tasa de bit mucho mayor que la tasa de transmisión de datos en banda base. La tasa a la que generan los códigos de extendido es llamada tasa de chip3. 6 2.1.2 Códigos Ortogonales Los códigos ortogonales son aquellos que en un ambiente ideal no interfieren unos con otros, para lo cual, los códigos deben estar sincronizados en tiempo. Estos códigos son utilizados en el enlace de bajada (downlink) para diferenciar a los usuarios de una misma celda y en el enlace de subida (uplink) se utilizan para diferenciar los diferentes servicios de un mismo usuario. En el enlace de bajada, el mismo árbol de códigos ortogonales es utilizado por la estación base para todos los móviles en esa celda. Como ya se ha mencionado, estas secuencias son completamente ortogonales para un retraso cero. Para otros retrasos, tienen muy malas propiedades de correlación cruzada y por eso sólo son apropiados para sistemas síncronos. Debido al efecto de la propagación multi-trayecto, es necesario combinar estas secuencias con otras que eliminen dicho efecto, para reducir la interferencia producida por el mismo código. La operación de extensión incrementa el ancho de banda de la señal según el factor de extensión, en este contexto, el factor de extensión se conoce como ganancia de extensión, la cual representa la relación entre la tasa de chip y la tasa de bit después del procesamiento en la capa física. Es importante diferenciar la ganancia de extensión con respecto a la ganancia de procesamiento, la cual representa la relación entre la tasa de chip y la tasa de bit en la parte superior de la capa RLC. Si se tiene una ganancia de extensión amplia se reduce el ancho de banda de ruido en el receptor después de realizar la operación inversa de extensión. En la figura 2.3 se puede observar como una señal es multiplicada por un código ortogonal con factor de extensión igual a ocho (SF=8) para su transmisión, posteriormente, la señal resultante vuelve a ser multiplicada por el mismo código en el receptor, para recuperar la señal original4. 7 Figura 2.3 Extensión de una señal utilizando códigos ortogonales 4 2.1.3 Códigos Scrambling Los códigos ortogonales solo pueden ser utilizados cuando están sincronizados, porque de lo contrario estos se cancelarían debido a sus propiedades matemáticas. Por lo tanto, se requiere de otro tipo de códigos que permitan que la transmisión de las señales sea efectiva, y para esto se utilizan los llamados códigos scrambling. La transmisión en el enlace de bajada de estaciones base separadas no es ortogonal, así que el terminal móvil debe distinguir mediante el código scrambling cuál es la estación base que le envía la señal correcta. Para el caso del uplink, la señal es multiplicada mediante la función XOR por códigos scrambling largos (códigos Gold) y cortos (códigos S(2) extendidos), los cuales tienen una muy buena auto-correlación, lo que implica una buena sincronización entre la señal original y la versión de la misma que ha sido retardada en el tiempo. Estos códigos permiten que un terminal móvil se identifique en una determinada estación base. En el enlace de bajada los códigos scrambling son utilizados para distinguir nodos B y se seleccionan para reducir la interferencia entre estaciones base, debido a que cada nodo B 4 “Radio Network Planning and Optimization for UMTS” 8 tiene solo un código scrambling primario y el UE utiliza esta información para separar las estaciones base. Existen 224 códigos scrambling en el enlace de subida. El móvil es informado por un mensaje en el enlace de bajada acerca de cuál código utilizar. Para los códigos en el enlace de bajada se pueden generar 218-1, sin embargo no todos los códigos son utilizados, y son divididos en 512 grupos, cada uno con un código primario y 15 secundarios. Los 512 códigos scrambling primarios se dividen en 64 grupos y cada uno consiste de 8 códigos, el propósito de estos es mejorar el proceso de sincronización, mientras que los códigos scrambling secundarios son utilizados en celdas sectorizadas. 2.2 Arquitectura de Protocolo La interfaz de radio utilizada en el sistema UMTS se estructura en tres capas: • Capa física • Capa de enlace de datos • Capa de red La capa física sirve de interfaz con la subcapa MAC de la capa 2 y la subcapa RRC de la capa 3. La capa física ofrece diferentes canales de transporte a MAC. Un canal de transporte está caracterizado por la forma en que la información es transferida sobre la interfaz de aire, estos son codificados y asignados en los canales físicos especificados en la capa física. MAC ofrece diferentes canales lógicos a la subcapa RLC de la capa 2. Un canal lógico está caracterizado por el tipo de información transferida. La capa 2 es dividida en las siguientes subcapas: MAC, RLC, PDCP y BMC. La capa 3 está dividida en subcapas donde la subcapa más baja es llamada RRC y es la interfaz con la capa 25. 5 “WCDMA for UMTS” 9 Figura 2.4 Arquitectura del protocolo de interfaz de aire 6 2.2.1 Canales Lógicos La capa MAC provee servicios de transferencia de datos en los canales lógicos. Cada tipo de canal está definido por el tipo de información que transmite. Los canales lógicos se clasifican en dos grupos5: 6 • Canales de control • Canales de tráfico “TS 25.301, v7.3.0, Radio Interface Protocol Architecture” 10 Figura 2.5 Estructura de canales lógicos 2.2.1.1 - Canales de Control Canal de Control de Difusión (BCCH): Canal downlink para difusión de información del sistema de control. - Canal de Control de Paging (PCCH): Canal downlink usado por la estación base para localizar el móvil, o cuando el móvil esta en modo sleep. - Canal de Control Común (CCCH): Canal bidireccional (downlink/uplink) que transfiere información de control entre la red y el móvil, es utilizado cuando la conexión no está asociada a la capa RRC o cuando se hace una re-selección de celda. - Canal de Control Dedicado (DCCH): Canal bidireccional punto a punto que transfiere información de control dedicada entre la red y el móvil, es utilizado durante el proceso de conexión y para la transferencia de la mayoría de los mensajes RRC. - Canal de Control MBMS punto a multipunto (MCCH): Canal downlink punto a multipunto utilizado para transmitir información de control entre la red y el UE. Es utilizado por los UEs solo para recibir MBMS. 11 - Canal de Programación MBMS punto a multipunto (MSCH): Canal downlink punto a multipunto utilizado para transmitir información de control de programación entre la red y el UE. Es utilizado solo por los UEs que reciben MBMS. 2.2.1.2 - Canales de Tráfico Canal de Tráfico Dedicado (DTCH): Canal bidireccional punto a punto dedicado a una estación móvil para la transferencia de información del usuario. - Canal de Tráfico Común (CTCH): Canal downlink punto a multipunto para la transmisión de información de usuario, para todos o un grupo en especifico de UEs. - Canal de tráfico MBMS punto a multipunto (MTCH): Canal downlink punto a multipunto utilizado para transmitir datos entre la red y el UE. Figura 2.6 Mapeo de canales de lógicos sobre canales de transporte 2.2.2 Canales de Transporte Un canal de transporte está definido tomando en cuenta cómo y con qué características son transferidos los datos sobre la interfaz de aire. Hay dos tipos de canales de transporte: • Canales de transporte dedicados • Canales de transporte común 5 12 2.2.2.1 - Canales de transporte dedicados Canal Dedicado (DCH): El DCH es transmitido en toda la celda o en solo una parte de la celda utilizando antenas con capacidad de forma de haz. El DCH se caracteriza porque brinda cambio de tasa de transmisión rápido, control de potencia rápido y puede ser utilizado para transmitir información relacionada con la señalización del plano de control y los datos del plano de usuario, es transmitido tanto en el downlink como en el uplink. - Canal Dedicado Mejorado (E-DCH): Canal de transporte para el uplink, utilizado en HSUPA. 2.2.2.2 - Canales de Transporte Común Canal de Difusión (BCH): Canal downlink usado para difundir información del sistema y de celda. El BCH es siempre transmitido en toda la celda con una tasa de bit baja y fija. - Canal de Acceso Directo (FACH): Canal downlink de transporte transmitido sobre toda la celda que provee información del plano de control y pequeñas cantidades de datos del plano de usuario. El FACH utiliza control de potencia lento. - Canal de Paging (PCH): Canal downlink de transporte transmitido sobre toda la celda, asociado con la transmisión de señales de la capa física portando datos para procedimientos de paging, además soporta de forma eficiente el sleep-mode. - Canal de Acceso Aleatorio (RACH): Canal uplink recibido por toda la celda, el cual se caracteriza por tener un limitado tamaño del campo de datos, es utilizado para transmitir información del plano de control y pequeñas cantidades de datos del plano de usuario, además utiliza el control de potencia en lazo o bucle abierto. 13 - Canal Compartido Downlink de Alta Velocidad (HS-DSCH): Canal compartido por varias estaciones móviles mediante asignación individual de códigos desde un “pool” común de códigos reservados, está asociado con un DPCH y uno o varios HS-SCCH. Figura 2.7 Mapeo de canales de transporte sobre canales físicos 2.2.3 Canales Físicos Los canales de transporte son canales codificados y emparejados a la tasa de datos ofrecida por los canales físicos, después de esto son mapeados o asignados en los canales físicos. Los canales físicos consisten en tramas de radio y ranuras de tiempo. La longitud de la trama es de 10 ms y dentro de la trama se tienen 15 ranuras de tiempo. Dependiendo de la 14 tasa de símbolo del canal físico, la configuración de la trama de radio o de la ranura de tiempo varía7 . 2.2.3.1 Canales Físicos en Uplink Canales dedicados - Canal Físico Dedicado de Datos (DPDCH): Es usado para llevar datos generados en y sobre la capa 2, como por ejemplo datos de usuario y señalización. En cada enlace de radio puede haber uno, varios o ningún DPDCH. - Canal Físico Dedicado de Control (DPCCH): Es usado para llevar información de control generada en la capa 1, por ejemplo: bits piloto, comandos para el control de la potencia de transmisión (TPC), información de realimentación (FBI), técnica de diversidad de selección de sitio (SSDT) y opcionalmente el indicador de combinación de formato de transporte (TFCI). Para cada conexión de capa 1 hay solo un DPCCH uplink. Cada trama de 10 ms, está dividida en 15 ranuras de tiempo con 2560 chips cada una, correspondiente a un periodo de control de potencia. El parámetro k determina el número de bits por uplink en una ranura DPDCH/DPCCH. Esto está relacionado al Factor de Extensión (SF) del canal físico, donde SF = 256/2k. En el uplink, un DPDCH y un DPCCH generalmente tienen diferentes tasas y diferentes factores de extensión. 7 “WCDMA for UMTS” 15 Figura 2.8 Estructura de trama uplink DPDCH/DPCCH - 8 Canal Físico de Control Dedicado de Alta Velocidad (HS-DPCCH): Este canal porta señalización de retroalimentación relacionada con la transmisión del HSDSCH en downlink. En la señalización se transmite información relacionada con el HybridARQ Acknowledgement (HARQ-ARK), el Channel-Quality Indication (CQI) y el Precoding Control Indication (PCI) para el caso de los terminales configurados en modo MIMO. Figura 2.9 Estructura de trama uplink HS-DPCCH 8 8 “TS 25.211, v7.5.0, Physical Channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD)” 16 - Canal Físico de Datos Dedicado E-DCH (E-DPDCH): Este canal es utilizado para portar el canal de transporte E-DCH, y en cada enlace de radio puede haber uno, varios o ningún E-DPDCH. - Canal Físico de Control Dedicado E-DCH (E-DPCCH): Este canal es utilizado para transmitir información de control asociada al E-DCH, a lo sumo hay un E-DPCCH por cada en lace de radio. Figura 2.10 Estructura de trama uplink E-DPDCH/ E-DPCCH 8 Canales comunes - Canal Físico de Acceso Aleatorio (PRACH): Es usado para portar el RACH. Hay 15 ranuras de acceso por dos tramas con 5120 chips por ranura. 17 Figura 2.11 Ranuras de acceso RACH 8 La estructura de la transmisión de acceso aleatorio contiene varios preámbulos (información preliminar) de 4096 chips y una parte reservada para el mensaje de 10 o 20 ms. El móvil indica a la red la longitud de la parte del mensaje mediante dos bits asignados al campo TFCI de la rama de control del canal. La parte de preámbulo en la ráfaga de acceso consiste de 256 repeticiones de una firma con longitud de 16 chips (25616=4096). Figura 2.12 Estructura de transmisión de acceso aleatorio 8 La parte de datos consiste de 10x2k bits, donde k = 0, 1, 2, 3. Esto corresponde a los factores de extensión de 256, 128, 64 y 32 respectivamente, para esta parte. La parte de control consiste de 8 bits piloto para soportar la estimación de canal para detección coherente y 2 bits de TFCI, el correspondiente factor de extensión para esta parte es igual a 256. 18 Figura 2.13 Estructura de la parte de mensaje de acceso aleatorio 2.2.3.2 8 Canales Físicos en Downlink Un canal físico es identificado por un conjunto de parámetros como: frecuencia portadora específica, código scrambling, código de canalización, tiempo de duración, y en el uplink, la fase relativa (0 o π/2). En UMTS la transmisión de un canal físico en modo de operación normal es continua, sin embargo, en modo comprimido se aumenta de tasa de transmisión para compensar un periodo de pausa o interrupción de la transmisión, el cual es utilizado para permitir al UE monitorear otras celdas, lo que le permitirá realizar un handover en caso de ser necesario. - Canal Físico Dedicado (DPCH): Este canal está conformado por un DPDCH y el DPCCH multiplexados en tiempo y utilizando complex scrambling. Por eso los datos dedicados generados en las capas superiores que son portados en un DPDCH son multiplexados en tiempo con bits piloto, comandos TPC y bits TFCI (opcionalmente) generados por la capa física. Cuando la tasa total de bits a ser transmitida excede la tasa máxima de bits para un canal físico de downlink, se emplea la transmisión multi-código y varios canales de código paralelo son transmitidos por un CCTrCH usando el mismo factor de extensión. Diferentes factores de extensión pueden ser usados cuando varios CCTrCH son mapeados sobre diferentes DPCHs transmitidos al mismo UE. La información de control de capa 1 es transmitida solo en el primer DPCH. 19 Figura 2.14 Estructura de la trama downlink DPCH - 8 Canal de Admisión Relativa E-DCH (E-RGCH): Es un canal físico dedicado con tasa fija (SF=128) que porta las admisiones relativas para el E-DCH en uplink. - Canal Indicador de ARQ Híbrido E-DCH (E-HICH): Es un canal físico dedicado con tasa fija (SF=128) que porta el indicador de reconocimiento de ARQ Híbrido E-DCH en uplink. Figura 2.15 Estructura de la trama E-RGCH y E-HICH - 8 Canal Físico Dedicado Fraccional (F-DPCH): Este canal porta información de control generada en la capa 1, este es un caso especial de DPCCH en downlink. 20 Figura 2.16 Estructura de la trama F-DPCH - 8 Canal Piloto Común (CPICH): Este canal tiene una tasa fija de 30 kbps con un SF = 256 y porta una secuencia de bit/símbolo predefinida. Hay dos tipos de canales piloto: el primario y el secundario. - Canal Piloto Común Primario (P-CPICH): Se caracteriza porque utiliza un código de canalización fijo y siempre utiliza el código de scrambling primario. Hay un P-CPICH por celda y se transmite en broadcast sobre toda la celda. El P-CPICH es la referencia de fase para el SCH, P-CCPCH, AICH, PICH y por defecto para los canales DPCH downlink, es decir, es la referencia de tiempo y estimación de la propagación de canal. - Canal Piloto Común Secundario (S-CPICH): Se caracteriza por un código de canalización arbitrario con un factor de extensión de 256 y utiliza un código de scrambling primario o secundario. Puede haber uno, varios o ningún SCPICH en la celda y cada uno puede ser transmitido sobre toda la celda (broadcast) o solo sobre una parte de esta, utilizando la técnica denominada “forma de haz” (beamforming). 21 Figura 2.17 Estructura de la trama CPICH - 8 Canal Físico de Canal Común Primario (P-CCPCH): Este canal tiene una tasa fija de 30 kbps y un SF = 256, es usado para portar el BCH. El PCCPCH no es transmitido durante los primeros 256 chips de cada ranura de tiempo, en su lugar son transmitidos los SCHs primarios y secundarios. Figura 2.18 Estructura de la trama del P-CCPCH - 8 Canal Físico de Canal Común Secundario (S-CCPCH): Es usado para portar el FACH y el PCH. La diferencia principal entre el CCPCH primario y el secundario, es que el primero tiene una tasa fija predefinida, mientras que el segundo soporta una tasa de transmisión variable entre 15 kbps y 960 kbps (ámbito del SF entre 256 y 4). Además, el CCPCH primario es transmitido continuamente por la celda, mientras el CCPCH secundario solo es transmitido cuando hay datos para transmitir. 22 Figura 2.19 Estructura de la trama del S-CCPCH - 8 Canal de sincronización (SCH): Se divide en dos sub-canales transmitidos en paralelo, el primario y el secundario. El SCH primario consiste de un código modulado de 256 chips, y es transmitido una vez en cada ranura. El Código de Sincronización Primario (PSC) es el mismo para cada celda en el sistema. Figura 2.20 Estructura del canal de sincronización 8 El SCH secundario consiste de una secuencia de 15 ranuras de tiempo de códigos modulados de 256 chips, transmitido paralelamente con el SCH primario. El Código de Sincronización Secundario (SSC) es denotado como c si,k, donde i = 1, 2,…, 64 es el grupo de scrambling code y k = 0, 1, …, 14 es el número de ranura. Cada SSC es escogido de un conjunto de 16 diferentes códigos de 256 chips. 23 - Canal Indicador de adquisición (AICH): Este canal tiene tasa fija (SF=256) y es utilizado para indicar la recepción de los preámbulos (firmas) PRACH por el Nodo B, es decir, una vez que el Nodo B recibe un preámbulo, la misma firma es enviada de vuelta al UE. El AICH consiste de una secuencia repetida de 15 ranuras de acceso consecutivas (AS), cada una de 5120 chips. La ranura de acceso está formada por dos partes: el Indicador de Adquisición (AI), el cual consiste de 32 símbolos de valor real y una parte de 1024 chips donde no se transmite ningún dato, reservada para otro futuro canal físico, por lo tanto, formalmente no es parte del AICH. La referencia de fase para el AICH es el P-CPICH. Figura 2.21 Estructura de la trama del AICH - 8 Canal Indicador de Paging (PICH): Este canal es utilizado para portar los Indicadores de Paging (PI) y tiene tasa fija (SF=256) y es asociado al S-CCPCH, donde el PCH es mapeado. Consiste de dos partes: una de 288 bits usada para portar los PIs y la otra de 12 bits donde no se transmite ningún dato, es reservada para uso futuro. Figura 2.22 Estructura de PICH 8 24 - Canal de Control Compartido de Alta Velocidad (HS-SCCH): Este canal tiene una tasa fija de 60 kbps (SF=128) y es utilizado para portar señalización relacionada al HS-DSCH. Figura 2.23 Estructura de la trama del HS-SCCH - 8 Canal Físico Compartido Downlink de Alta Velocidad (HS-PDSCH): Es utilizado para portar el HS-DSCH. Este canal corresponde a un código de canalización de factor de extensión fijo (SF=16), del conjunto de códigos reservados para la transmisión del HS-DSCH. Un HS-PDSCH puede usar modulación QPSK, 16 QAM o 64 QAM. En la figura M es el número de bits por símbolos de modulación. Figura 2.24 Estructura de la sub-trama del HS-PDSCH - 8 Canal de Concesión Absoluta E-DCH (E-AGCH): Es utilizado para portar la concesión absoluta para el E-DCH en uplink y tiene una tasa fija de 30 kbps (SF=256). 25 Figura 2.25 Estructura de la sub-trama del E-AGCH - 8 Canal Indicador MBMS (MICH): Es utilizado para portar los indicadores de notificación MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service), el MICH siempre está asociado con un S-CCPCH sobre el cual es mapeado el canal de transporte FACH. Una trama de radio MICH de 10 ms consiste de 300 bits, de los cuales 288 son utilizados para portar los indicadores de notificación y los restantes 12 bits no son considerados formalmente como parte del canal. Figura 2.26 Estructura del MICH 8 2.3 Arquitectura de Red UMTS El sistema UMTS consiste de un número de elementos de red físicos y lógicos cada uno con una función específica. Funcionalmente los elementos de red distribuyen en 3 grupos: Red de Acceso de Radio, Red Núcleo y Equipo de usuario. Seguidamente se describen de forma muy breve las funciones principales de cada uno de los elementos de red. 26 2.3.1 Red de Acceso de Radio (RAN) La red de acceso de radio está compuesta básicamente por un conjunto de estaciones base y sus controladores, cuya función es gestionar los recursos de radio. A continuación se describen estos elementos: Estación Base de Radio (Nodo B): Provee los recursos físicos de radio y convierte el flujo de datos entre la interfaz Iub y la interfaz Uu. Controlador de red de Radio (RNC): Controla los Nodos B y los recursos de radio. Es el punto de acceso al servicio y se encarga de establecer la comunicación con la Red Núcleo. 2.3.2 Red Núcleo (CN) La arquitectura de la red núcleo UMTS se basa en la evolución de la red núcleo GSM. Los elementos de esta parte de la red realizan funciones de conmutación, enrutamiento de llamadas de voz y establecimiento de conexiones de datos con otros elementos de red. A continuación se describen los nodos o elementos que la componen9 : Centro de Conmutación Móvil (MSC): Realiza funciones de conmutación y enrutamiento, controla el establecimiento de la llamada, es decir, inicia, supervisa y libera la conexión, puede interactuar con otros nodos para establecer una llamada. Dentro de la nueva arquitectura de red, estas funcionalidades son implementadas por dos entidades o elementos de red diferentes, el MSC Server y el Media Gateway. Gateway MSC (GMSC): La funcionalidad de Gateway habilita a un MSC para interrogar a un HLR para enrutar una llamada que termina en móvil. No se usa en llamadas desde móviles a cualquier terminal que no sea móvil. Registro de Localización Local (HLR): Es una base de datos centralizada que almacena y gestiona todas las suscripciones móviles pertenecientes a un operador específico. 9 “WCDMA Overview” 27 Registro de Localización Visitante (VLR): Es una base de datos temporal que almacena información de suscripción de los móviles que están dentro de un área de servicio particular del MSC, por lo que el MSC primero consulta esta base antes de consultar al HLR. MSC Server (Sofswitch): Pertenece a la capa de control (señalización). Se encarga de las funciones de control de movilidad (MM - Mobility Management), control de llamada (CM - Call Management) y control de gateways (MGC - Media Gateway Control). Media Gateway (MGW): Pertenece a la capa de servicio. Se encarga de realizar todo el procesamiento de la voz, también realiza funciones de EC (Eco Cancellation), generación de tonos y colección de dígitos (DTMF). Nodo de Soporte de Servicios GPRS (SGSN): El SGSN provee enrutamiento y transferencia de paquetes hacia y desde el área de servicio GPRS, realiza funciones de autenticación y cifrado, gestión de sesión y gestión de movilidad. Nodo de Soporte Gateway GPRS (GGSN): El GGSN provee la interfaz hacia la red de paquetes IP externa, por lo tanto, se comunica con elementos de Proveedor de Servicios de Internet (ISP), como enrutadores y servidores de RADIUS para autenticación. 2.3.3 Equipo del Usuario (UE) El equipo de usuario está compuesto por de dos partes: Equipo móvil (ME): terminal de radio que permite establecer la comunicación sobre la interfaz de aire Uu. Módulo de Identidad de Suscriptor UMTS (USIM): Es una aplicación que contiene información del abonado, almacena claves de autenticación y encriptación y ejecuta algoritmos de autenticación. Está aplicación es una entidad lógica en la tarjeta física (UICC) utilizada en el terminal móvil. El sistema se complementa con otras plataformas que permiten ofrecer múltiples servicios, por ejemplo: servicios de mensajería corta, servicios de mensajería multimedia, servicios de localización, entre otros servicios de valor agregado. La figura 2.30 presenta la arquitectura básica del sistema e identifica cada una de las interfaces sobre las cuales se estable la 28 comunicación entre los elementos de la red. Para cada una de esas interfaces se establecen diferentes protocolos de comunicación. Figura 2.27 Arquitectura de red UMTS10 10 “TS 23.002, v4.8.0, UMTS Network Architecture” 29 CAPÍTULO 3: Calidad de Servicio en UMTS 3.1 Introducción al Concepto de Calidad de Servicio En las redes tradicionales de conmutación de circuitos, tal como la red de telefonía fija, el concepto de calidad de servicio (QoS, por sus siglas en inglés) está presente inherentemente, esto porque el circuito asignado a la transmisión está reservado totalmente para cada llamada, lo cual significa que los recursos se reservan desde que se establece la llamada hasta que esta finaliza. Por otro lado, en las redes de conmutación de paquetes, el circuito no se reserva y esto contribuye al uso eficiente de los recursos disponibles. Dicha eficiencia se debe al hecho de que los circuitos reservados generalmente no se utilizan a su capacidad total, lo cual es aprovechado por las técnicas de conmutación de paquetes . Estas redes tienen la capacidad para determinar cuando una aplicación en particular requiere una asignación de recursos específicos, considerando tanto factores de calidad como de cantidad. El concepto de Calidad de Servicio (QoS) se define como la capacidad de la red para proveer un servicio con un determinado nivel de integridad, accesibilidad y fiabilidad. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU-T) considera los siguientes aspectos: - Requerimientos de Calidad de Servicio por parte del cliente - Calidad de servicio planeada por el operador - Calidad de servicio entregada por el operador - Calidad de servicio percibida por el cliente 3.2 Factores Principales que Afectan a la Calidad de la Señal Radio La calidad del servicio proporcionado al cliente se encuentra afectada por una serie de factores, normalmente relacionados con la naturaleza de la señal radio. La propagación de la señal radio depende de las condiciones atmosféricas, así como de los obstáculos que la señal encuentra en el camino entre la estación base y el terminal móvil. Por lo tanto, las condiciones de propagación varían de forma notable tanto en el tiempo como en el espacio, dada la variación temporal y espacial del entorno; debido a esto, el 30 canal radio se ve afectado por una serie de factores que afectan la calidad de la señal, por ejemplo: • Desvanecimientos: Los desvanecimientos pueden ser prolongados en el tiempo pero bajos con respecto a la intensidad, lo que implica una disminución de la potencia percibida por el receptor en un lugar y durante un tiempo extenso. También pueden ser cortos en el tiempo pero altos con respecto a la intensidad de la señal, de forma que durante unos instantes de tiempo la potencia de la señal recibida cae a valores por debajo, incluso, del umbral de sensibilidad de los receptores de los equipos. • Interferencias: Las interferencias son algo circunstancial a la propagación de la señal de radio, debido a la gran cantidad de señales presentes sobre la interfaz de aire, de tal modo que la interferencia puede originarse tanto del mismo sistema, como de sistemas ajenos o no relacionados con la telefonía móvil • Multi-trayecto: El multi-trayecto se produce como consecuencia de los rebotes de la señal en los múltiples obstáculos que ésta puede encontrar en el camino entre las estaciones base y los terminales móviles. De esta forma, una señal que sale de un transmisor llega al receptor por múltiples caminos y esto produce en el receptor una interferencia debida a los retrasos con que llega la misma señal dependiendo de la longitud del camino recorrido. Esta interferencia puede ser tolerada por el receptor o no, dependiendo del retraso acumulado en la señal por los distintos caminos de propagación. • Pérdidas de propagación: Dependiendo de la distancia a la que se encuentren el transmisor y el receptor, se producen una serie de pérdidas en la señal que limitan su alcance; además, estas pérdidas se pueden ver incrementadas por la presencia de obstáculos entre el transmisor y el receptor, como pueden ser los edificios existentes en las ciudades, o las montañas, colinas y árboles en los entornos rurales. Este efecto es necesario tenerlo especialmente en cuenta en la cobertura de interiores de edificios, en donde intervienen elementos tales como paredes, puertas y mobiliario. 31 3.3 Arquitectura del Modelo de Calidad de Servicio Los servicios de red son considerados conexiones extremo a extremo, es decir, de un equipo terminal a otro. A estos se les asocia un determinado nivel de calidad y es el usuario final el que decide si este le satisface. Para establecer la Calidad de Servicio en la red se ha utilizado el concepto de Servicio Portador con características y funcionalidades claramente definidas. El Servicio Portador incluye aspectos como control de señalización, plano de transporte de usuario, gestión de Calidad de Servicio entre otros. La figura 3.1 muestra la Arquitectura de QoS para UMTS. Esta arquitectura está compuesta por servicios que intervienen en cada una de las capas de red, tal y como se describe a continuación11: Servicio Extremo a Extremo: Cubre la trayectoria desde el equipo de usuario (UE) hasta la red externa. Servicio Portador UMTS: Está compuesto por el Servicio RAB y el Servicio Portador CN y cubre varios aspectos de QoS de la red UMTS. Servicio Portador CN: Este servicio es aplicable en el nodo GPRS y sus interfaces. Este controla y utiliza los servicios de la red núcleo para proveer el servicio de portadora UMTS contratado. Los servicios de backbone enrutan el tráfico de acuerdo con la Calidad de Servicio negociada. Servicio de Red backbone: El backbone cubre las capas 1 y 2 del modelo OSI. Este soporta diferentes servicios portadores para proveer la calidad de servicio necesaria para las aplicaciones de los usuarios. Servicio Portadora de Acceso de Radio: El servicio comprende el soporte de QoS para la RAN y sus interfaces. Servicio Portador de Radio: El servicio cubre todos los aspectos relacionados con el transporte en la interfaz de radio. 11 “TS 23.002, v4.8.0, UMTS Network Architecture” 32 Servicio UTRA FDD/TDD: Proporciona el transporte entre el UE y la RAN por medio del Servicio Portador de Radio. Servicio Portador lu: El servicio proporciona diferentes portadoras de servicio con una variedad de características de QoS. Servicio Portador Físico: Este servicio provee el transporte entre la RAN y el CN. Sobre este se soporta el Servicio Portador lu. Servicio Portador Local TE/MT: Este es responsable por la Calidad de Servicio local entre el TE y el MT. El TE y el MT pueden ser un solo dispositivo (UE), o pueden ser dispositivos separados, por ejemplo: el TE puede ser una Laptop que se conecta al MT (UE) el cual, provee la conexión con la red UMTS. Servicio Portador Externo: Este servicio puede ser ofrecido sobre diferentes interfaces, por ejemplo: puede ser una interfaz directa desde la red UMTS a un servidor de aplicaciones, o puede incluir una o más redes de Internet o Intranet y en el otro extremo otro subscriptor localizado en otra red UMTS. Figura 3.1. Arquitectura QoS para UMTS12 12 “TS 23.107, v7.0.0, QoS Concept and Architecture” 33 3.4 Atributos de Servicio para Portadoras UMTS Al definir las clases de Calidad de Servicio, se han considerado las limitaciones en la interfaz de aire. Los mecanismos para proporcionar Calidad de Servicio en la redes UMTS tienen que ser eficaces y versátiles, de forma que permitan ofrecer una Calidad de Servicio según las condiciones que se presenten en la red. Los atributos de las portadoras UMTS se utilizan para definir el perfil de calidad que se asigna a cada servicio de acuerdo con sus características; a continuación se describen cada uno de ellos 26: Clase de Tráfico: Conversacional: esta clase es destinada para el servicio de voz. La característica clave de esta clase es el requerimiento estricto de transmisión en tiempo real; es decir, los retardos de transporte no pueden ser largos ni variables durante la transmisión. Streaming: esta clase es utilizada por aplicaciones de video y audio en tiempo real, cuyo transporte es de una sola vía. Interactiva: En esta clase se requiere que los datos tengan una baja tasa de error durante el transporte y que el tiempo de retardo entre una solicitud y una respuesta sea bajo. Ejemplos: navegación web, recuperación de bases de datos, acceso a servidores, entre otros. Background: esta clase es aplicable para casos donde el usuario final, típicamente una computadora, está enviando y recibiendo archivos de datos. El destino no está esperando los datos en un tiempo específico, así que los requerimientos de tiempo no son estrictos, pero se debe mantener una baja tasa de error. Ejemplos: E-mail, SMS, descargas de bases de datos, entre otros. Tasa de bit máxima (kbps): máximo número de bits entregados dentro de un periodo de tiempo. 34 Tasa de bit garantizada (kbps): garantiza el número de bits entregados dentro de un periodo de tiempo. Para el tráfico que excede este límite la calidad de servicio especificada no se garantiza. La Tasa de Bit Garantizada (GBR) solo es utilizada para las clases de streaming y conversacional. Para el tráfico NRT no es importante garantizar una tasa de bit específica dentro de un periodo de tiempo particular. Orden de entrega (si/no): indica si la secuencia de entrega de paquetes es necesaria, es decir, si el orden de entrega de paquetes de datos necesita mantenerse o no. Unidad de Datos de Servicio (SDU) máxima (octetos): indica el tamaño máximo de la SDU (unidad de datos del plano de control) para la cual la red necesita satisfacer una calidad de servicio negociada. Esto es usado para el control de admisión, regulación y especialmente en la RAN, para optimizar el transporte. Información de formato SDU (bits): lista de posibles tamaños exactos de SDUs. Esto puede ser usado para ganar eficiencia espectral en el llamado modo transparente RLC en la RAN, cuando las retransmisiones de paquetes en la capa RLC no son utilizadas. Tasa de error SDU: indica la fracción de SDUs perdidas o erróneas. Puede ser utilizado para configurar protocolos, algoritmos y esquemas de detección de errores principalmente en la RAN. Tasa residual de error de bit: indica la tasa de error de bit no detectada en los SDUs entregados. Puede ser utilizado para configurar la interfaz de radio, algoritmos y detección de errores de codificación. Entrega de SDUs erróneos (si/no/-): este parámetro es usado para indicar si los SDUs detectados como erróneos son entregados o descartados. Para los valores de ‘si’ o ‘no’ la detección de error es aplicada, para el valor ‘-’ esto no es aplicado. Retardo de transferencia (ms): indica el máximo retardo para el percentil 95 de la distribución del retardo (valor máximo en el 95% de las muestras) para todos los 35 SDUs entregados durante el tiempo de vida de la portadora de servicio. Es usado para especificar el retardo tolerable por la aplicación, y permite a la UTRAN establecer los formatos de transporte y los parámetros ARQ. Prioridad de manejo de tráfico: especifica la importancia relativa para el manejo de todas las SDUs pertenecientes a una portadora UMTS comparado a las SDUs pertenecientes a otras portadoras. Es usado dentro de la clase de tráfico interactiva, con el propósito de asignar recursos de forma prioritaria según el tipo de servicio. Prioridad de asignación/retención: especifica la importancia relativa entre diferentes portadoras UMTS para la asignación y retención de la portadora UMTS. En situaciones donde los recursos son escasos, el atributo puede ser utilizado para priorizar un tipo de portadora sobre otra cuando se realiza el control de admisión. Descriptor estadístico de fuente: especifica las características de la fuente que envía la SDU. Indicación de señalización: indica la naturaleza de la señalización en una SDU enviada. Este atributo se define solo para la clase de tráfico interactiva. 3.4.1 - Atributos Asignados a Clases de Servicio Clases Conversacional y Streaming El atributo descriptor estadístico de fuente puede ser utilizado para calcular una ganancia de multiplexación estadística en la red núcleo, la red de acceso de radio y el terminal del usuario y usar este para implementar el control de admisión. Aunque la tasa de bit puede variar en el tráfico conversacional, se asume que este no genera ráfagas, lo que significa que se debe garantizar cierto retardo en la transferencia de un SDU arbitrario. La máxima tasa de bit especifica el límite superior con que una portadora UMTS entrega las SDUs en los Puntos de Acceso de Servicio (SAPs), no es necesario que la portadora transmita tráfico excediendo la tasa garantizada de bit (tasa mínima). Estos atributos son utilizados para la asignación de recursos (códigos, potencia, entre otros) en la red UMTS. 36 El tamaño máximo del SDU se aplica solo si la información del formato SDU no está especificada y es usado para el control de admisión y optimización de transporte. La información del formato de SDU se utiliza con el fin de adaptar el tamaño del RLC PDU al tamaño de la SDU de la portadora UMTS para hacer un uso más eficiente de los recursos de transporte en la red de acceso. Si se requiere que la tasa de error sea especificada y además se desea detectar, descartar y corregir las SDUs con errores se hace uso de los atributos: tasa de error de SDU, tasa residual de error de bit y entrega de SDUs erróneos. - Clase Interactiva El tipo de tráfico asignado en esta clase se puede considerar como un tráfico en ráfagas, es decir, no es constante, es variable en el tiempo. En esta clase se utiliza el atributo de prioridad de manejo de tráfico, con el fin de asignar niveles de prioridad entre las diferentes SDUs de las portadoras UMTS. Por las características de este tráfico no se garantiza un nivel de calidad específico; más bien, este depende de la carga en el sistema y las políticas de control de admisión establecidas por el operador de red. Para limitar la tasa de entrega de datos entre aplicaciones se utiliza el atributo de tasa máxima de bit. Por otro lado, para especificar la integridad de bit de los datos entregados se hace uso de los atributos: tasa de error de SDU, tasa residual de error de bit y entrega de SDUs erróneos. - Clase Background En esta clase se agrupa el tráfico que no es sensible al retardo. Para limitar la tasa de entrega de datos entre aplicaciones se utiliza el atributo de tasa máxima de bit. Para especificar la integridad de bit de los datos entregados se hace uso de los atributos: tasa de error de SDU, tasa residual de error de bit y entrega de SDUs erróneos. Debido a que no hay recursos reservados para esta clase, la tasa de error SDU debería usarse como un valor meta y esta no puede garantizarse bajo condiciones de carga anormales. Atributo Clase Conversacional Clase Streaming Clase Interactiva Clase Background Tasa de bit máxima Orden de entrega SDU máxima Información de formato SDU 37 Tasa de error SDU Tasa residual de error de bit Entrega de SDUs erróneos Retardo de transferencia Tasa de bit garantizada Prioridad de manejo de tráfico Prioridad de asignación/retención Descriptor estadístico de fuente Indicación de señalización Tabla 3.1. Atributos RAB definidos para cada clase de portadora de tráfico 13 3.5 Medida de la Calidad La calidad de redes y servicios es uno de los conceptos que más preocupa a los operadores de telefonía móvil, más aun considerando un ambiente de competencia donde el mercado es compartido, lo cual genera que cada uno de los operadores realicen diferentes acciones con el fin de acaparar una mayor cantidad de clientes. La medida de la calidad es necesaria para poder garantizar que el usuario recibe niveles de calidad satisfactorios y de acuerdo al compromiso alcanzado con los organismos reguladores encargados de vigilar por los intereses de los usuarios. Por otro lado, el operador necesita tener la certeza de que la red está funcionando adecuadamente de acuerdo con los requerimientos para la prestación de servicios. Además, es importante establecer criterios de comparación entre los niveles de calidad propios y los de la competencia, esto con el fin de conocer cómo se está posicionado en el mercado y como detectar nuevas oportunidades de negocio. 3.5.1 Técnicas de Medida Las técnicas utilizadas para medir la calidad serán de distinto tipo dependiendo del parámetro de calidad que se pretenda medir. De este modo, para la medida de la cobertura se suelen realizar mediciones de la potencia mínima admisible recibida por un determinado receptor, relacionándolas con una determinada posición geográfica del móvil de medida, de forma que lo que se muestra como resultado de la medida es la zona geográfica de 13 “TS 23.107, v7.0.0, QoS Concept and Architecture” 38 cobertura de una determinada estación base. En el caso de los restantes parámetros que afectan la calidad de los servicios, lo que se suele realizar son mediciones estadísticas. Estas medidas se hacen teniendo en cuenta dos factores importantes: el tiempo en el que se realizan las medidas y la posición geográfica en la que se toman. Con los resultados de las medidas se generan estadísticas e informes de la calidad. Una vez tomadas las mediciones hay que analizar los datos obtenidos, con el fin de determinar qué acciones correctivas deben realizarse para mejorar el rendimiento de la red y con ello la prestación de los diferentes servicios. Por otro lado, tal como se ha descrito anteriormente, existe una gran cantidad de factores que afectan la calidad, por lo cual es necesario definir ciertos conceptos comunes de medida, así como establecer procedimientos y normas para su correcta realización y análisis. De no ser así, resultaría imposible poder comparar las medidas realizadas por dos herramientas diferentes o correspondientes a distintos operadores. Con todo, en ocasiones se olvidan estas consideraciones y aparecen divergencias en la interpretación de los resultados. 3.5.2 Sistemas y Herramientas de Medida Existen dos aproximaciones diferentes y complementarias a la hora de medir la calidad: La primera se basa en la realización de medidas discretas, en zonas concretas y periodos de tiempo determinados, mediante algún equipo o teléfono capaz de recibir y descodificar la señal radio. Esta es la técnica utilizada en los sistemas de medida a bordo de vehículos, también conocidos como “drive-test”. Este tipo de técnica da una visión local del funcionamiento de la red, permitiendo emular el comportamiento de un usuario típico, y pudiendo así detectar problemas de cobertura, de interferencia, de traspasos, entre otros. La segunda técnica se basa en la utilización de contadores obtenidos de los diferentes elementos de red, los cuales son extraídos normalmente mediante los sistemas de gestión; además, es común el uso de sondas para analizar interfaces entre los elementos de red. Toda esta información ofrece una imagen tanto global, como particular sobre el funcionamiento y el rendimiento de la red. 39 La utilización conjunta de ambos tipos de herramientas multiplica su eficacia ayudando a identificar problemas de configuración o de prestaciones que por sí solas no podrían. 3.5.2.1 Sistemas de Medida de la Señal de Radio Según los parámetros de calidad que se quieran medir, se pueden elegir diferentes sistemas de medida. Entre los sistemas que se pueden utilizar están: • Terminales de ingeniería. Un terminal de ingeniería permite medir la potencia de la señal radioeléctrica radiada en una determinada posición de la celda, así como dar una estimación de la medida de la calidad de la voz recibida. • Sistemas de “drive-test". Permite conectar un terminal a un PC e ir almacenando los datos medidos, luego mediante una aplicación de software se puede establecer un mapa de la zona geográfica de cobertura, así como la calidad de la voz recibida en cada posición. • Sistemas automáticos de medida. Estos sistemas de medida además de realizar las funcionalidades anteriormente indicadas, permite realizar llamadas con varios teléfonos a la vez y además utilizar varios servicios de valor agregado, en distintos instantes de tiempo y en distintas posiciones geográficas. Los datos medidos se almacenan en una base de datos con el fin de obtener el mapa de cobertura de una zona, así como el mapa de calidad de los servicios de valor agregado prestados a los usuarios en función del tiempo. Con un sistema de medida como éste, se está en disposición de realizar una medida estadística de la calidad en función del tiempo y la posición, según el criterio que se establezca previamente. Con el análisis de estas medidas se pueden obtener las estadísticas e informes sobre el estado de la red. 3.5.2.2 Sistemas de Recolección de Datos de la Red Otra forma de medir la calidad de servicio se basa en la extracción de datos de la red, a través de sus sistemas de gestión o directamente de los elementos de red (Nodo B, MSC, SGSN o RNC, según corresponda). En algunos casos, esto consume recursos de los elementos de red y por lo tanto se realiza únicamente a petición del operador en aquellas celdas que se desea monitorear y durante un periodo determinado. Existen sistemas y 40 herramientas de análisis que se encargan de tratar esos datos, procesarlos y entregar indicadores clave o KPIs (Key Performance Indicators), capaces de ofrecer una imagen fiel del funcionamiento de la red. Estos indicadores pueden referirse a la hora cargada (hora pico) o bien ser el valor medio diario14. Algunos de los KPIs más significativos para evaluar el funcionamiento de la red y con ello la calidad de servicio son: 14 • La tasa de llamadas con éxito (call success rate). • La tasa de llamadas caídas (cortadas) (dropped call rate). • La tasa de traspasos con éxito (handover success rate). • La velocidad de transferencia por celda (throughput per cell). • La ocupación de TSL (Time Slot). • El bloqueo de TBF (Temporary Block Flow). “UMTS Networking Planning, Optimization and QoS Management” 41 CAPÍTULO 4: Gestión de Recursos de Radio 4.1 Administración de Calidad de Servicio La administración de la Calidad de Servicio en redes celulares consiste de tres áreas funcionales: aprovisionamiento, monitoreo y optimización. El aprovisionamiento es el proceso que permite configurar los elementos de red, basado en los acuerdos de nivel de servicio (SLAs) adquiridos con el cliente y la calidad de funcionamiento observada en la red. El monitoreo es el proceso que permite recolectar datos estadísticos de funcionamiento, fallas y alarmas, los cuales son utilizados para generar los reportes de análisis que permiten hacer cambios y actualizaciones en la red. La optimización es el proceso responsable del manejo de los datos recolectados con respecto a las métricas de calidad definidas para cada servicio. Como resultado de este proceso se realizan las acciones correctivas cuando cualquiera de los niveles de calidad es considerado insatisfactorio. Un desglose conceptual del marco de administración de QoS se muestra en la figura 4.1. Figura 4.1 Marco de administración de QoS 42 La capa de administración de red es responsable del procesamiento de los datos correspondientes a QoS, QoE, fallas y utilización de los recursos de red. La capa de administración de elementos está encargada de recolectar y transferir los datos sobre el funcionamiento de los elementos de red y generar avisos sobre eventos particulares hacia la capa superior15. 4.2 Aprovisionamiento de Calidad de Servicio en la Red de Acceso El aprovisionamiento es un proceso mediante el cual se habilitan una serie de funcionalidades con el fin de proveer “Calidad de Servicio” en la red. El proceso traduce los resultados del planeamiento en mecanismos y parámetros entendibles por los elementos de red y los terminales móviles. El aprovisionamiento puede ser clasificado en tres categorías: Aprovisionamiento de calidad de servicio en radio, núcleo y transporte: se configuran mecanismos de calidad de servicio en los elementos de red. Aprovisionamiento de calidad de servicio en el Servicio: se mapean los servicios sobre portadoras con atributos de calidad de servicio específicos. Aprovisionamiento de calidad de servicio en terminales: se entrega información de calidad de servicio al terminal móvil. Desde el punto de vista de gestión de red y servicio, el aprovisionamiento de calidad de servicio involucra la capa de elementos de red, la capa de gestión de red y la capa de gestión del servicio. El aprovisionamiento en los segmentos de red de radio, núcleo y transporte tiene dos objetivos: a. Asegurar que los mecanismos de diferenciación de Calidad de Servicio sean provistos en todas las capas de red. b. Mapear la Calidad de Servicio entre capas de red. 15 “QoS and QoE Management in UMTS Cellular Systems” 43 4.3 Funcionalidades, Umbrales y Contadores de Red para la Gestión de QoS Las funcionalidades para la gestión de Calidad de Servicio son responsables del uso eficiente de los recursos de radio y transporte. Los algoritmos de Gestión de Recursos de Radio (RRM) son utilizados para garantizar la calidad de servicio, mantener el área de cobertura y ofrecer una alta eficiencia espectral. Las principales funciones RRM se dividen en: Control de Potencia, Control de Handover, Control de Carga y Control de la tasa de transmisión. El Control de Potencia es una función basada en conexión necesaria para mantener los niveles de interferencia mínimos. El Handover habilita la movilidad en el sistema celular y también es una función basada en conexión. Los demás funciones se utilizan para maximizar el rendimiento ante mezclas de tráfico de diferentes tasas de bit. Los algoritmos utilizados para la diferenciación de servicios están basados en un subconjunto particular de atributos de “Calidad de Servicio”, asociados con las portadoras de acceso de radio establecidas para transportar distintas aplicaciones. El trato diferenciado de usuarios/servicios a través de la Red de Acceso y entre las múltiples tecnologías de acceso de radio está provisto por el manejo de los recursos disponibles, de acuerdo con los requerimientos específicos de “Calidad de Servicio”, tales como clase de tráfico, prioridad, tasa de bit, entre otros. Los parámetros de red también se diferencian en base a un subconjunto de atributos de “Calidad de Servicio” y constantemente se modifican para proporcionar un óptimo aprovisionamiento. En adelante se describen varias funciones utilizadas en la gestión de recursos de radio y se nombran de forma genérica los parámetros y contadores asociados a estas. Es muy importante indicar que esta información ha sido extraída tanto de documentación técnica de varias soluciones tecnológicas, así como de las especificaciones del 3GPP, esto con el fin de dar a conocer las distintas opciones y mecanismos que se deben utilizar para realizar una gestión eficiente de los recursos de radio y con ello mejorar de forma continua el rendimiento de la red de telefonía móvil de tercera generación. 44 4.4 Control de Potencia WCDMA es una tecnología limitada por la interferencia y la forma más importante para limitar la interferencia es mediante el control de potencia. El control de potencia es realizado por el UE y por la UTRAN para ajustar la potencia de las señales transmitidas, de acuerdo con los cambios en la condición del canal y la calidad de las señales recibidas. El objetivo principal del control de potencia es disminuir la interferencia entre los usuarios del sistema. • En el escenario de uplink, si un UE emite una potencia muy alta causará una interferencia inaceptable en el nodo B, ya que causará una “competencia” entre los terminales (UEs) cercanos a la celda y los que se encuentran en el límite de esta. Esto es llamado near-far effect y por lo tanto se requiere aplicar la funcionalidad de control de potencia en el uplink. • En el escenario de downlink, la capacidad del sistema está determinada por la potencia total asignada a los canales. Por lo tanto es necesario mantener la potencia transmitida en el nivel más bajo posible mientras se asegura la calidad de señal para los UEs. El control de potencia también es utilizado para compensar el desvanecimiento lento y rápido, así como la “deriva” de potencia, con esto último, se mejora el funcionamiento del soft handover en el downlink. Tipos de Control de Potencia El control de potencia se clasifica en los siguientes tipos: a. Control de potencia en bucle abierto (Slow) El UE calcula las pérdidas de potencia de la señal sobre la trayectoria de propagación mediante mediciones de la señal del canal downlink y entonces calcula la potencia inicial a transmitir en el canal uplink. Este método es inexacto y solo se aplica al inicio del establecimiento de la conexión. Este control es aplicado sobre canales físicos como PRACH y DPCH. 45 b. Control de potencia en bucle cerrado (Fast) El transmisor ajusta dinámicamente la potencia de acuerdo a la retroalimentación del receptor del otro extremo. El control de potencia en bucle cerrado se clasifica en los siguientes tipos: - Control de potencia de bucle interno (inner-loop) Este tipo de control ajusta directamente la potencia transmitida por los terminales móviles (UE) usando comandos de control de potencia, esto con el fin de evitar que éstos transmitan demasiada potencia cuando se acercan al nodo B y así evitar la interferencia con otros usuarios. Es un método de control de potencia rápido y puede ser realizado 1500 veces por segundo. - Control de potencia de bucle externo (outer-loop) El “SIR objetivo ” es ajustado dinámicamente de acuerdo BLER/BER/FER del uplink. Este método controla indirectamente la potencia del transmisor. c. Balance de potencia downlink Es un método de control de potencia que es utilizado para reducir el desvío de potencia (power drift) de un determinado UE durante la operación de macro diversidad. 4.4.1 Control de Potencia en Canal Común El control de potencia de bucle abierto es utilizado sobre los siguientes canales comunes: PRACH en el uplink, P-CPICH, P-SCH, S-SCH, P-CCPCH, S-CCPCH, AICH y PICH en el downlink. 4.4.1.1 Control de Potencia sobre el Canal común de Uplink El proceso de control de potencia sobre el PRACH se describe a continuación: 1- El UE transmite el primer preámbulo al nodo B para iniciar un proceso de acceso. 2- Si el UE no recibe el indicador de adquisición, se inicia un proceso llamado “rampa de preámbulo”, es decir, que la potencia de la señal se incrementa gradualmente. La potencia se incrementa por cada retransmisión y el incremento es configurado mediante el parámetro Preámbulo_P en el RNC. Para evitar colisiones, el UE debe 46 esperar un tiempo entre dos preámbulos consecutivos. El tiempo de espera es configurado mediante el parámetro AICH_TxT en el RNC. 3- Si el UE recibe un indicador de adquisición negativo en el AICH, el UE espera cierto periodo y entonces de nuevo inicia el proceso de acceso aleatorio. Este periodo es llamado back-off delay. Los parámetros P_min y P_max definen los límites inferior y superior de dicho periodo. Si el valor de los parámetros es igual, significa que el periodo de retransmisión del preámbulo es fijo. El proceso “rampa de preámbulo” consiste de varios ciclos, los cuales no pueden exceder un valor máximo definido en el parámetro Ciclo_max. En cada ciclo, el UE transmite el preámbulo hasta que recibe el indicador de adquisición o el número de retransmisiones ha alcanzado un valor máximo definido en el parámetro Preámbulo_retr_max. 4- Si el UE recibe un indicador de adquisición positivo, el UE sale del proceso de acceso aleatorio, establece la potencia correspondiente a la parte del mensaje y lo transmite después de un periodo definido en el parámetro AICH_TxT. La parte del mensaje está compuesta por una parte de control y una parte de datos. La potencia de la parte de control es la misma que la potencia del último preámbulo transmitido más un valor definido por el parámetro P_offset_pre, el cual debe ser establecido para cada instancia de PRACH TFC. Es recomendado que el valor de P_offset_pre se establezca en -3 dB correspondiente al TFC (Combinación del Formato de Transporte) para la transmisión de señalización y en -2 dB correspondiente al TFC para la transmisión de servicio. Si el valor de P_offset_pre se establece muy bajo, probablemente la señalización o los datos de servicio portados sobre el RACH no sean recibidos correctamente, lo cual afecta la cobertura de uplink. Si el valor se establece muy alto, se incrementa la interferencia de uplink y se ve afectada la capacidad del enlace. La potencia de la parte de datos es calculada mediante la siguiente fórmula: Pdata = Pcontrol x (βd/βc)2 Donde: • Pcontrol: es la potencia de la parte de control. 47 • Βd: es el factor de ganancia para la parte de datos, cuyo valor está definido por el parámetro Ganancia_BetaD. • Βc: es el factor de ganancia para la parte de control, cuyo valor está definido por el parámetro Ganancia_BetaC. La potencia transmitida sobre el PRACH no puede ser mayor que la potencia de transmisión máxima permitida en el uplink. La potencia máxima está limitada por los siguientes parámetros configurados en el RNC: • UL_Tx_P_Conv_Max (conversational) • UL_Tx_P_Bac_Max (background) • UL_Tx_P_Int_Max (interactive) • UL_Tx_P_Str_Max (streaming) • UL_Tx_P_Max_Permitida Si los valores de esos parámetros son muy grandes, hay riesgo de que la cobertura del uplink y el downlink sea desbalanceada. Si los valores son muy pequeños, hay riesgo de que la cobertura del uplink sea más pequeña que la cobertura del downlink. Figura 4.2 Control de potencia sobre PRACH 48 4.4.1.2 Control de Potencia sobre el Canal común de Downlink Los canales comunes en el downlink son los siguientes: • Canal Piloto Primario Común (P-CPICH) • Canal de Sincronización Primario (P-SCH) • Canal de Sincronización Secundario (S-SCH) • Canal Físico Control Común Primario (P-CCPCH) • Canal Físico Control Común Secundario (S-CCPCH) • Canal Indicador Adquisición (AICH) • Canal Indicador Localización (PICH) La potencia de los canales comunes de downlink es fija y es configurada en el RNC mediante los parámetros correspondientes, tal y como se resume a continuación: PCPICH_P: La potencia del P-CPICH se establece mediante el parámetro PCPICH_P como un valor absoluto en dBm. La potencia de transmisión de cualquier otro canal se establece como un “offset” de la potencia del P-CPICH, la cual está relacionada a la cobertura del DL definida durante la planificación de la red. El valor típico es de 33 dBm. Si el valor de este parámetro es muy pequeño, esto influenciará directamente sobre el rango de cobertura del piloto DL. Si el valor es muy grande, la interferencia en el DL se incrementará y la potencia de transmisión que puede ser distribuida entre los servicios será reducida, lo cual afectará la capacidad del DL. PSCH_P y SSCH_P: Estos valores no deben ser muy grandes. El valor de estos parámetros puede ser ajustado con base en las mediciones actuales del sistema, de tal forma que la potencia de transmisión de estos canales de sincronización satisfaga los requerimientos de recepción del UE. La potencia de transmisión debe ajustarse lo suficiente para que se asegure que el UE pueda realizar una sincronización rápida en las áreas de borde de celda. El P-SCH y el S-SCH producen más problemas de interferencia que otros canales, en especial sobre UEs cercanos a los nodos B, ya que estos no son ortogonales con rspecto a los otros canales. 49 BCH_P: El valor del parámetro se establece basado en las mediciones actuales del sistema. Si el valor es muy pequeño, los UEs en el borde de la celda no recibirán la información de forma correcta y esto causará un efecto en la cobertura del DL. Si el valor es muy grande, otros canales serán afectados y la capacidad de la celda será reducida. FACH_P_max: El valor que se establezca para este parámetro debe permitir que se asegure el BLER objetivo. Si el valor es muy pequeño, los UEs en el borde de la celda no recibirán de forma correcta la información (servicios y señalización) sobre el FACH, lo cual influirá en la cobertura del DL. Si el valor es muy grande, otros canales serán afectados y la capacidad de la celda será reducida. Cuando existe sobrecarga de potencia en el DL este valor debe reducirse. PCH_P: Si el valor de este parámetro es muy pequeño, los UEs en el borde de la celda no recibirán de forma correcta los mensajes de paging, lo cual influenciará en la cobertura de la celda. Si el valor es muy grande, otros canales serán afectados y la capacidad de la celda será reducida. AICH_P_Offset: Este parámetro permite asegurar que todos los UEs en el borde de la celda puedan recibir el mensaje de indicación de acceso. El valor no debe ser muy grande con el fin de evitar el gasto de potencia. PICH_P_Offset: Si el valor de este parámetro es muy pequeño, los UEs en el borde de la celda no recibirán de forma correcta los indicadores de paging, lo cual afectará la cobertura del DL. Si el valor es muy grande, otros canales serán afectados y la capacidad de la celda será reducida. 4.4.2 Control de Potencia en Canal Dedicado Los canales dedicados son el DPCH en uplink y downlink, así como el F-DPCH en downlink. El DPCH se divide en DPCCH y DPDCH en uplink y downlink. Para el escenario de uplink utilizan diferentes códigos ortogonales (OVSF), mientras que en el escenario de downlink utilizan los mismos códigos ortogonales multiplexados en el tiempo. Los métodos de control de potencia para canales dedicados son el control de potencia a bucle abierto, el control de potencia de bucle interno y el control de potencia a bucle externo. 50 El control de potencia a bucle abierto proporciona la potencia inicial de los canales. El control de potencia de bucle interno ajusta la potencia del canal realizando la comparación entre la SIR de la señal recibida y la SIR objetivo. El control de potencia a bucle externo ajusta la SIR objetivo realizando la comparación del BLER objetivo y el BLER del DCH recibido. Figura 4.3 Control de Potencia sobre canal dedicado UL 4.4.2.1 Control de Potencia a Bucle Abierto Basado en la medición de la potencia de la señal recibida en downlink, este tipo control intenta hacer una estimación de las pérdidas de trayectoria y de acuerdo con estas proporcionar la potencia inicial para el UE y el nodo B. a. Control de potencia a bucle abierto sobre DPCH uplink Este control se utiliza para calcular la potencia inicial del primer DPCCH. La potencia inicial del DPDCH es calculada en base a la potencia de offset entre el DPCCH y el DPDCH. Potencia inicial DPCCH uplink El UE calcula la potencia inicial de la siguiente forma: DPCCH_P_inicial = DPCCH_P_offset – CPICH_RSCP Donde: • DPCCH_P_inicial: es la potencia inicial. • DPCCH_P_offset: es la potencia provista por el RNC y enviada al UE. 51 • CPICH_RSCP: es la potencia de la señal (código) del P-CPICH. La potencia DPCCH_P_offset es calculada por el RNC de la siguiente forma: DPCCH_P_offset = PCPICH_P + UL_interf+ C Donde: • DPCCH_P_offset: es la potencia offset del DPCCH. • El parámetro PCPICH_P define la potencia del P-CPICH transmitida en la celda. Este valor es difundido mediante un bloque de información del sistema transmitido sobre el BCCH. • El parámetro UL_interf es el RTWP uplink medido por el nodo B y enviado al UE a través de SIB. • La constante C refleja el valor objetivo de la relación Ec/No del uplink DPCCH. Potencia DPDCH uplink La potencia del DPDCH uplink se establece como una potencia offset de referencia al DPCCH uplink. Los canales DPCCH y DPDCH son transmitidos a través de códigos (canales) diferentes. Para satisfacer un requerimiento de calidad de servicio sobre un canal de transporte se utilizan diferentes TFCs con diferentes offsets de potencia. El RNC tiene un conjunto de valores de referencia (β c,ref y βd,ref) que son almacenados para cada portadora de acceso de radio (RAB) predefinida o para la portadora de señalización (SRB). βc,ref y βd,ref son configuradas en el RNC (parámetros BETAC y BETAD). El RNC calcula la nueva potencia de offset para cada TFC basado en los valores de referencia y envía la potencia offset al UE. En una combinación de portadoras de radio (RAB), todas las portadoras utilizan como referencia los valores de la portadora que tiene el máximo tasa de bit. Por ejemplo, para una combinación de 3.4 kbit/s SRB, 384 kbit/s servicio background, y 12.2 kbit/s de un servicio AMR, los valores de referencia de la potencia offset aplicada son los pertenecientes a la portadora de 384 kbit/s del servicio background. 52 Preámbulo del Control de Potencia DPCCH uplink El preámbulo de Control de Potencia DPCCH uplink es un segmento de la transmisión DPCCH uplink que es enviada antes de iniciar las transmisiones DPDCH. Este preámbulo es utilizado para asegurar que el control de potencia de bucle interno ha convergido antes de que la transmisión de los datos del DPDCH inicie. El RNC transfiere el parámetro del preámbulo al UE usando la señalización del RRC. El UE no envía ningún dato sobre SRB durante las tramas de preámbulo y las tramas con indicador de retraso SRB (Signaling Radio Bearer). Dependiendo de los escenarios de aplicación, diferentes valores del preámbulo PC y del retraso SRB son utilizados, tal y como se muestra a continuación: En el caso del establecimiento de la conexión RRC, la longitud del preámbulo PC es • cero tramas y la del retraso SRB es de siete tramas. • En el caso de hard handover, la longitud del preámbulo PC es de siete tramas y la del retraso SRB es también de siete tramas. Cuando el preámbulo PC DPCCH ha sido transmitido y el retraso SRB ha pasado, el UE inicia la transmisión de datos sobre el DPDCH a la potencia de transmisión inicial. b. Control de potencia a bucle abierto sobre DPCH downlink Este control se utiliza para calcular la potencia DPDCH basado en el resultado de las mediciones en el RACH IE del UE. La potencia del DPCCH es establecida como la potencia offset de referencia al DPDCH. Potencia inicial DPDCH downlink La potencia inicial del DPDCH es calculada de la siguiente forma: Pinit= (PCPICH / (Ec/No)CPICH – α Ptotal ) x (Eb/No)DL x R/W Donde: • Pinit: es la potencia inicial DPDCH. • PCPICH es la potencia P-CPICH en la celda. El valor es configurado en el RNC mediante el parámetro PCPICH_P. 53 • R: es la tasa de tráfico solicitada por el UE. • W: es el chip rate (3.84 Mcps). • (Eb/No)DL: es la relación entre la energía de la señal (bit) y la densidad de ruido espectral definida como objetivo para el DPDCH downlink utilizada para asegurar la calidad del servicio. El RNC estima el valor de Eb/No dinámicamente basado en el tipo de ambiente de la celda y el BLER definido como objetivo. • (Ec/No)CPICH: es la relación entre la energía por chip y la densidad de ruido espectral del CPICH recibida por el UE. Especialmente cuando el UE realiza un reintento para obtener un RAB, este valor se fija en –18 dB lo cual mejora el éxito de la tasa de acceso. • α: es el factor ortogonal en el downlink. • Ptotal: es la potencia de la portadora transmitida en downlink medida en el nodo B y reportada al RNC. Durante el soft handover, la potencia inicial del nuevo enlace de radio es disminuida por un offset de 15 dB para ahorrar potencia del downlink. La potencia en el DPDCH downlink está limitada para cada enlace de radio a través de los parámetros DPDCH_DL_Max_P y DPDCH_DL_Min_P. Estos valores son diferentes dependiendo de la tasa de datos de cada RAB. Potencia DPCCH downlink El DPCCH downlink tiene tres campos: TFCI (Transport Format Combination Indicator), TPC (Transmit Power Control) y piloto. Su potencia es establecida como un offset con referencia a la potencia del DPDCH downlink. Las potencias del DPCCH y del DPDCH asociado son reguladas simultáneamente, es decir, el ajuste de ambas se hace con el mismo grado, de tal forma que el offset de potencia entre estos canales se mantiene constante. Los offsets de potencia entre el DPCCH y el DPDCH en downlink son idénticos para todos los TFCs en el TFCS (Transport Format Combination Set), mientras que en el uplink los offsets de potencia son dependientes del TFC. 54 Los offsets de los campos TFCI, TPC y piloto del DPCCH en referencia a la potencia del DPDCH se fijan en 0 dB, 3 dB, y 3 dB respectivamente. c. Control de potencia a bucle abierto sobre F-DPCH downlink Este control se utiliza para calcular la potencia inicial F-DPCH downlink de la siguiente forma: Pinit= ( PCPICH / (Ec/No)CPICH – α Ptotal ) x (Ec/No)F-DPCH Donde: • Pinit: es la potencia inicial del F-DPCH. • PCPICH: es la potencia del P-CPICH en la celda. El valor es configurado en el RNC mediante el parámetro PCPICH_P. • (Ec/No)CPICH: es la relación entre la energía recibida por chip y la densidad de ruido espectral del CPICH recibido por el UE. • α: es el factor ortogonal en el downlink. El valor establecido es 0. • Ptotal: es la potencia de la portadora transmitida en downlink medida en el nodo B y reportada al RNC. • (Ec/No)F-DPCH: es la relación Ec/No requerida para satisfacer la tasa de error de símbolo TPC del F-DPCH. El valor se fija en –17 dB. Durante el soft handover, la potencia inicial del nuevo enlace de radio es disminuida por un offset de 15 dB para ahorrar la potencia del downlink. La potencia del F-DPCH downlink está limitada por la potencia máxima (PCPICH + FDPCH_Max_P + FDPCH_PO) y por la potencia mínima (PCPICH + FDPCH_Min_P + FDPCH_PO). Donde: • FDPCH_Max_P: este parámetro indica el valor máximo de referencia para la potencia de transmisión del F-DPCH (DL). • FDPCH_PO: este parámetro especifica el offset entre la potencia del TCP en el FDPCH y la referencia de potencia de transmisión del F-DPCH (potencia inicial de transmisión en DL). 55 4.4.2.2 Control de Potencia a Bucle Interno El control de potencia a bucle interno también es llamado control de potencia rápido. El UE y el Nodo B controlan la potencia transmitida de acuerdo con la información devuelta por la capa física para compensar los efectos de desvanecimiento (fading) de los enlaces de radio. Este control de potencia se aplica tanto en el uplink como en el downlink y se realiza de forma independiente. a. Control de potencia a bucle interno sobre DPCH uplink Este tipo de control es utilizado sobre el DPCCH. La potencia del DPDCH es configurada como un offset (βd/βc) en referencia a la potencia del DPCCH. El procedimiento de control de potencia a bucle interno sobre DPCCH uplink es el siguiente: 1. El RNC envía el dato de la SIR objetivo a las celdas en el conjunto activo (celdas utilizadas durante el SHO). 2. Cada celda en el conjunto activo estima la SIR en cada intervalo de tiempo y la compara con la SIR objetivo. 3. La celda en el conjunto activo envía un comando TPC al UE con base al resultado de la comparación. • Si la SIR estimada es más grande que la SIR objetivo, la celda en el conjunto activo envía el comando TPC 0 al UE. • Si la SIR estimada es más pequeño o igual a la SIR objetivo, la celda en el conjunto activo envía el comando TPC 1 al UE. 4. El UE ajusta la potencia transmitida de acuerdo al comando TPC. Hay dos tipos de algoritmo para el control de potencia a bucle interno: PCA_1 y PCA_2. Cuando se utiliza el algoritmo PCA_1, el UE ajusta la potencia uplink transmitida para cada intervalo de tiempo (time slot). Cuando se utiliza el algoritmo PCA_2, el UE ajusta la potencia uplink transmitida en un ciclo de 5 intervalos de tiempo. El offset de potencia se calcula de la siguiente forma: ΔDPCCH = ΔTPC x TPCcmd 56 Donde: • TPCcmd: es calculado por PCA_1 o PCA_2 de acuerdo con el comando TCP recibido por el UE. • ΔDPCCH: es el cambio en la potencia del DPCCH. • ΔTPC: es el cambio escalonado del control de potencia. Para PCA_1, se determina por el valor establecido en el parámetro UL_TPC_pas. Para PCA_2, el cambio escalonado se fija a 1 dB. El RNC puede seleccionar el algoritmo basado en la configuración del parámetro PCA (Power Control Algoritm) e informa al UE el algoritmo seleccionado. El UE usa estos algoritmos para traducir los comandos TPC recibidos. b. Control de potencia a bucle interno sobre DPCH/F-DPCH downlink La potencia del DPDCH downlink está establecida como un offset en referencia a la potencia del DPCCH. El control de potencia a bucle interno regula la potencia de ambos canales. El procedimiento de control de potencia a bucle interno en downlink es el siguiente: 1. El UE obtiene el dato de la SIR objetivo del RNC. La SIR_obj se determina mediante el control de potencia a bucle externo, sin embargo, para el F-DPCH downlink, la SIR_obj se fija en 0.04. 2. El UE estima la SIR según la información en el piloto del DPCH downlink, y compara la SIR estimada (SIR_est) con la SIR objetivo (SIR_obj). 3. Basado en el resultado de la comparación, el UE transmite un comando TCP al nodo B. • Si SIR_est es mayor que SIR_obj, el UE envía el comando TPC como 0 al Nodo B. • Si SIR_est es menor que SIR_obj, el UE envía el comando TPC como 1 al Nodo B. 4. La red de acceso estima el TPC y actualiza la potencia del DPCH cada intervalo de tiempo. En el caso del softer handover, el nodo B utiliza el algoritmo Maximum Ratio Combining (MRC) para derivar un comando TPC. El ajuste de potencia se calcula de la siguiente forma: P(k) = P(k–1) + PTPC(k) + P_bal(k) 57 Donde: • P(k) es la nueva potencia del downlink. • P(k–1) es la potencia actual del downlink. • PTPC(k) es el ajuste de potencia debido al TPC del control de potencia a bucle interno. • P_bal(k) es una corrección debido al balanceo de potencia del downlink. 4.4.2.3 Control de Potencia a Bucle Externo El control de potencia a bucle externo es parte del control de potencia a bucle cerrado y cuyo objetivo es mantener la calidad de la comunicación en el nivel requerido por la portadora del servicio mediante el ajuste de la SIR objetivo. Este control actúa en cada DCH perteneciente a la misma conexión RRC. La SIR objetivo necesita ser ajustada cuando la velocidad del UE o la propagación multi-trayectoria cambia y así la calidad de la comunicación puede mantenerse sin afectación. El ajuste de la SIR objetivo está basado en el BLER o el BER. • Cuando el parámetro asociado al Control de potencia a bucle externo es activado, se presentan dos casos: - Si hay transferencia de datos en el uplink, el SRNC ajusta la SIR objetivo basado en el BLER. - Si no hay transferencia de datos en el uplink, el SRNC ajusta la SIR objetivo basado en el BER. • Cuando el parámetro asociado al Control de potencia a bucle externo es desactivado, la SIR objetivo es fija y el control de potencia a bucle externo para todos los UEs es desactivado. El control de potencia a bucle externo depende de las capacidades de los terminales o equipos de usuarios (UE). a. Control de potencia a bucle externo uplink basado en el BLER La calidad del uplink es revisada después ejecutar el proceso de selección de macro diversidad en el RNC. El SRNC compara el BLER recibido con el BLER objetivo, si este es mayor que el objetivo, el SRNC incrementa la SIR objetivo, en caso contrario la disminuye. 58 La SIR objetivo debe mantenerse en un rango de Min_SIR_obj ≤ SIR objetivo ≤ Max_SIR_obj. En cada ajuste, el aumento o la disminución de la SIR objetivo no puede exceder los parámetros Aum_Max_SIR y Dis_Max_SIR. En un escenario multi-servicio ocurre lo siguiente: • El valor máximo de la SIR objetivo entre cada uno de los servicios es el valor utilizado para el ajuste de la SIR objetivo. • Si uno de los servicios requiere aumentar la SIR objetivo, el nuevo valor a reconfigurar no puede exceder el máximo permitido. • El valor máximo puede disminuirse solo cuando todos los servicios requieren disminuir la SIR objetivo. Después de ajustar la SIR objetivo, el SRNC comunica el nuevo valor a todos los nodos B bajo su gestión, a través del Protocolo de Trama (FP). Figura 4.4 Control de potencia a lazo externo UL b. Control de potencia a bucle externo uplink basado en el BER Cuando el UE está en modo de transmisión discontinua, el RNC no puede recibir datos o actualizar el BLER, por lo tanto se utiliza otro procedimiento basado en el BER. En condiciones óptimas, el valor del BER objetivo es el promedio del BER después de realizar el filtrado dentro del periodo de ajuste. El BER objetivo es obtenido antes de que el periodo de transmisión discontinua (DTX) inicie durante el periodo de control de potencia a bucle externo. Durante el soft handover, el BER objetivo es el valor mínimo entre todos los enlaces. Cuando el BLER es constante, el BER en el DPCCH puede variar dentro de un rango limitado. Durante la transmisión discontinua, se mide (capa MAC) el BER del DPCCH 59 y el RNC lo compara con el BER objetivo. Si el BER es menor que el BER objetivo, la función de control de potencia disminuye el valor del BER objetivo, en caso contrario, aumenta su valor. c. Control de potencia a bucle externo downlink Este control es implementado en el UE, por lo tanto el algoritmo depende del fabricante del terminal (UE). En la información de señalización que envía el RNC al UE se establece un requerimiento de calidad para cada portadora de radio, expresada como un valor de BLER objetivo. Entonces, dependiendo del algoritmo de control utilizado, un valor inicial de SIR objetivo puede ser deducido a partir del valor de BLER objetivo. 4.4.2.4 Balanceo de Potencia El balanceo de potencia en el downlink es utilizado para reducir “desvío” de potencia entre los enlaces de radio cuando se opera en “macro diversidad” y se realiza el soft o el softer handover. Figura 4.5 Balanceo de Potencia DL 60 4.4.3 Control de Potencia HSDPA Los canales físicos introducidos por HSDPA son: HS-DPCCH en uplink, HS-SCCH y HSPDSCH en downlink. La potencia del HS-PDSCH es asignada dinámicamente mediante TFRC (Transport Format and Resourse Combination), de tal forma que no se requiere la función de control de potencia. Por lo tanto, el control de potencia para HSDPA se aplica a los canales HS-DPCCH y HS-SCCH. 4.4.3.1 Control de Potencia sobre HS-DPCCH El control de potencia sobre el HS-DPCCH se establece mediante varios offsets de potencia entre el HS-DPCCH y el DPCCH uplink asociado. Los offsets de potencia son: ACK (Acknowledgement), NACK (Negative Acknowledgement) y CQI (Channel Quality Indicator), como se muestra en la figura 4.6. Los offsets de potencia son establecidos en cada intervalo de tiempo de transmisión (TTI) en cada HS-DPCCH. Figura 4.6 Control de potencia sobre HS-DPCCH 16 16 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 61 La potencia con que se transmite el HS-PDCCH es calculada de la siguiente forma: P_HS-DPCCH = P_UL_DPCCH x 10ΔHS-DPCCH/10 Donde: • P_UL_DPCCH: es la potencia transmitida del DPCCH uplink asociado. • ΔHS-DPCCH: se refiere al offset de potencia ACK, NACK, o CQI, es decir, la diferencia de potencia entre el ACK/NACK/CQI y el DPCCH uplink. 4.4.3.2 Control de Potencia sobre HS-SCCH Esta funcionalidad se basa en el control de potencia del HS-SCCH en los estados CELL_DCH y CELL_FACH. La potencia del HS-SCCH puede fijarse a un offset relacionado a la potencia del P-CPICH o dinámicamente controlada tomando como base el indicador CQI. El método de control se establece en el nodo B mediante el parámetro HS-SCCH_P_CM_DCH. Hay dos métodos de control, los cuales se describen a continuación: • Control de potencia de transmisión fija: La potencia de transmisión del HS-SCCH se fija sin considerar la calidad de canal, pero si se considera la calidad recibida por los UEs en el borde de la celda. La potencia del HS-SCCH se establece en el nodo B mediante el parámetro SCCH_P. • Control de potencia de transmisión dinámica basado en CQI: La potencia del HSSCCH se ajusta dinámicamente al modificar el FER (Frame Error Rate) de acuerdo al valor objetivo definido previamente. • El nodo B ajusta la potencia transmitida del HS-SCCH basado en la siguiente información: - CQI reportado por el UE - DTX detectada por el nodo B - El FER objetivo del HS-SCCH, el cual puede establecerse en el nodo B mediante el parámetro HS-SCCH_FER_obj_DCH. 62 4.4.4 Control de Potencia sobre HSUPA 4.4.4.1 Control de Potencia sobre E-DPCCH La potencia transmitida sobre el E-DPCCH es calculada utilizando el offset de potencia con referencia al DPCCH uplink mediante la siguiente forma: PE-DPCCH = PUL DPCCH A2ec Donde: • PUL DPCCH: es la potencia transmitida sobre el DPCCH uplink. • Aec: es la relación de amplitud cuantizada entre el E-DPCCH y el DPCCH uplink, el cual se establece en 15/15 para un intervalo de tiempo (TTI) de 2 ms y 9/15 para un intervalo de tiempo (TTI) de 10 ms. 4.4.4.2 Control de Potencia sobre E-DPDCH La potencia transmitida sobre el E-DPDCH es calculada considerando un offset de potencia con respecto al DPCCH uplink mediante la siguiente forma: PE-DPDCH = PUL DPCCH A2ed Donde: • PUL DPCCH: es la potencia transmitida sobre el DPCCH uplink. • Aed: es el offset de potencia del E-DPDCH con respecto al DPCCH. 4.4.4.3 Control de Potencia a Bucle Externo sobre E-DCH El control de potencia sobre el E-DCH es utilizado para ajustar la potencia transmitida sobre el E-DPDCH y mantener el QoS del E-DCH en el nivel requerido. La calidad de servicio sobre el E-DCH es obtenida después de que el RNC realiza la combinación de macrodiversidad. Considerando que el nodo B solo envía los paquetes correctos al RNC, el número de retransmisiones HARQ (Hybrid Automatic Retransmission Request) es utilizado como la medición de la QoS para el E-DCH. 63 El control de potencia a bucle externo ajusta periódicamente la SIR objetivo en relación con la QoS del E-DCH, de forma similar a lo realizado para el DCH. El parámetro de control dentro del control de potencia a bucle externo puede ser el número de retransmisiones HARQ (NHR, por sus siglas en inglés) o el BLER residual (BLER en el final de la última retransmisión para dado proceso HARQ). • Si el servicio es clase interactivo, background, streaming o SRB, el NHR es el objeto de control del mecanismo de Control de Potencia de Lazo Externo. • Si el servicio es clase conversacional (PS), el BLER residual es el objeto de control del mecanismo de control de potencia a lazo externo. 4.4.4.4 Control de Potencia sobre E-AGCH, E-RGCH y E-HICH En el downlink, HSUPA tiene tres canales de control adicionales: E-AGCH, E-RGCH, y EHICH. Los métodos de control utilizados son los siguientes: • Control de potencia basado en una potencia fija. • Control de potencia basado en los DPCH/F-DPCH downlink, incluyendo el control de potencia basado en TPC y el control de potencia basado en el piloto. • Control de potencia basado en HSDPA, incluyendo el control de potencia basado en CQI y el control de potencia basado en HS-SCCH. Los métodos de control de potencia se configuran en el nodo B para cada canal mediante lo siguientes parámetros: • EAGCH_PC_MOD (Modo de Control de Potencia E-AGCH) • NS_EHICH_PC_MOD (Modo de Control de Potencia E-HICH fuera de servicio no pertenece al conjunto activo de celdas) • S_EHICH_PC_MOD (Modo de control de Potencia E-HICH en servicio pertenece al conjunto activo de celdas) • NS_ERGCH_PC_MOD (Modo de control de Potencia E-RGCH fuera de servicio no pertenece al conjunto activo de celdas) • S_ERGCH_PC_MOD (Modo de control de Potencia E-RGCH en servicio pertenece al conjunto activo de celdas) 64 A estos parámetros se les asignan diferentes valores dependiendo el método de control de potencia que se aplique a cada canal, por ejemplo: Fijo, Base_TPC, Base_RNC, Base_CQI o Base_HSSCCH, como se muestra en la siguiente tabla: Valor del Método de Control de Potencia parámetro Canal Basado en potencia fija P = PP-CPICH + PO Fijo P: Potencia de transmisión del canal PP-CPICH: Potencia de transmisión del P-CPICH E-RGCH / E-HICH / E-AGCH PO: offset de potencia del canal con referencia al P-CPICH Basado en la potencia del campo TCP DPCH/F-DPCH DL P = PTPC + P_Offset TPC P: Potencia de transmisión del canal PTPC: Potencia de transmisión del campo TCP en DPCH o F-DPCH E-RGCH / E-HICH / E-AGCH P_Offset: offset de potencia de un canal en específico con respecto al campo TPC en el DPCCH RNC Basado en la potencia del campo piloto en DPCH/F-DPCH E-RGCH / E-HICH / E-AGCH Basado en el campo CQI en HSDPA CQI Este método es utilizado cuando HSUPA y HSDPA se aplican al E-AGCH mismo tiempo. Basado en la potencia del HS-SCCH en HSDPA HS-SCCH Este método es utilizado cuando HSUPA y HSDPA se aplican al E-AGCH mismo tiempo. Tabla 4.1 Parámetros y métodos de control de potencia 17 4.5 Handover El handover se realiza con el fin de mantener una conectividad continua y adaptar los cambios de los modos de conexión del móvil con la red. El movimiento de los usuarios hace que las conexiones varíen entre sectores y entre estaciones base, mientras que también se pueden presentar cambios en el modo de conexión, es decir, cambiar de un canal común a un canal dedicado y viceversa, de ser necesario. 17 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 65 4.5.1 Handover Intra-frecuencia En el Handover Intra-frecuencia el UE puede estar conectado a uno o varios enlaces de radio al mismo tiempo, por lo tanto se clasifican de la siguiente forma: Softer Handover (Intra-Nodo B Soft Handover): el móvil está conectado a dos o más sectores pertenecientes a la misma estación base. Soft Handover: el móvil está conectado a dos o más sectores pertenecientes a diferentes estaciones base controladas por un mismo RNC (intra-RNC SHO) o por RNCs diferentes (inter-RNC SHO). Intra-frequency soft handover es comúnmente más usado que el hard handover intra-frequency. Una de las ventajas del soft/softer handover es hacer uso de la macro-diversidad, la cual es un método robusto para combatir el efecto de desvanecimiento durante la movilidad. El soft y el softer handover son importantes para hacer un manejo eficiente de la movilidad, es decir, al realizar cambios entre los puntos de conexión a la red. Hard Handover: en este caso el enlace de radio actual se libera antes de establecer un nuevo enlace. El hard handover utiliza menos recursos que los utilizados en el soft handover, esto debido a que el UE no estable conexiones múltiples con otras celdas Los escenarios de hard handover son: No existe una interfaz Iur entre RNCs. En este escenario se puede presentar un hard handover en lugar de un soft handover entre dos RNCs. Congestión de la interfaz Iur entre RNCs. En este escenario también se puede presentar un hard handover en lugar de un soft handover entre dos RNCs. Servicios de mejor esfuerzo de alta velocidad. En este caso el hard handover es utilizado para hacer un uso más eficiente del ancho de banda para este tipo de servicios. El soft handover falla y el hard handover es permitido. Cuando el soft handover falla por un problema de congestión el RNC intenta realizar un hard handover con una tasa de bit baja para el servicio. 66 Una vez que el terminal móvil (UE) alcanza el estado “CELL_DCH” en “modo conectado” durante una llamada, el RNC envía mensajes de “control de medición” para indicarle al UE que tome medidas y reporte cada uno de los eventos que se presentan durante la conexión. Los mensajes de “control de medición” llevan la siguiente información: a. Umbral de disparo de evento b. Valor de histéresis c. Tiempo de retardo de disparo de evento d. Lista de celdas vecinas Por lo tanto, hasta que el RNC recibe el reporte sobre algún evento por parte del UE, el RNC toma la decisión y realice el handover correspondiente. Después de que el RNC recibe el reporte de los eventos 1A, 1B, 1C o 1D, inicia el procedimiento de handover correspondiente, por ejemplo, adicionar o eliminar un enlace. Figura 4.7 Handover Intra-frecuencia Es importante indicar que el set o conjunto activo incluye todas las celdas que están participando en la conexión de soft handover, mientras que el set o conjunto monitoreado incluye todas las celdas vecinas que son monitoreadas continuamente por el UE pero que no ofrecen calidad para establecer un enlace de radio. 67 Figura 4.8 Eventos de handover18 El parámetro Soft_Handover_Intra_Freq_Sw es utilizado para determinar si se habilita tanto el soft handover como el softer handover. Por defecto este parámetro está habilitado, indicando que ambas funcionalidades están habilitadas. El parámetro Hard_Handover_Intra_Freq_Sw es utilizado para determinar si se habilita el hard handover. Por defecto este parámetro está habilitado. 4.5.2 Handover Inter-frecuencia En el Handover Inter-frecuencia se realiza un cambio entre portadoras con diferente frecuencia. Permite que las celdas que utilizan diferentes frecuencias compartan la carga y con ello se asegure la continuidad del servicio. Desde el punto de vista del UE, el handover inter-frecuencia es equivalente al hard handover intra-frecuencia, en el sentido de que la conexión inicial se libera antes de establecer la nueva conexión. A continuación se resumen los diferentes tipos de handover interfrecuencia: Handover inter-frecuencia basado en cobertura: Este tipo de handover se presenta cuando el UE sale del área de cobertura bajo una frecuencia en particular. 18 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 68 Handover inter-frecuencia basado en calidad de servicio: Este tipo de handover se realiza de acuerdo al algoritmo “Control de Estabilidad del Enlace” con el fin de evitar la caída (corte) de llamadas. Handover inter-frecuencia basado en carga: Este tipo de handover se realiza para balancear la carga entre celdas inter-frecuencia con cobertura común, de acuerdo con las prioridades de usuario y servicio. Handover inter-frecuencia basado en velocidad: Cuando se utiliza la Estructura Jerárquica de Celdas (HCS), las celdas son divididas en diferentes capas de acuerdo a la cobertura. La macro-celda tiene una mayor cobertura y una prioridad menor, mientras que la micro-celda tiene una cobertura menor y una prioridad mayor. Por lo tanto, este tipo de handover puede activarse mediante el algoritmo de estimación de velocidad del UE utilizado en HCS. Para reducir handovers frecuentes, UEs a altas velocidades son gestionados sobre la celda de mayor cobertura, mientras que los UEs a baja velocidad son gestionados sobre la celda de menor cobertura. Para determinar el tipo de handover inter-frecuencia se utiliza un parámetro en específico HO_Inter_Frec_Sw. De acuerdo con este parámetro, el RNC elige el control de medición de inter-frecuencia para realizar el handover basado en cobertura, QoS, velocidad u otros. De la misma forma, para determinar el tipo handover inter-frecuencia se utilizan los siguientes parámetros: a. HO_Inter_Frec_Cobertura: Soporte de handover inter-frecuencia basado en cobertura. b. HO_Inter_Frec_Cobertura_Velocidad: Soporte de handover inter-frecuencia basado en cobertura y estimación de velocidad. c. HO_Inter_Frec_HCS: Soporte de handover inter-frecuencia basado en HCS, que en sí misma es una función basada en cobertura. d. HO_Inter_Frec_Carga: Este parámetro es utilizado para determinar si se permite el handover inter-frecuencia basado en la carga de las celdas. 69 Es importante indicar que es posible que coexistan las mediciones para realizar tanto el handover basado en cobertura como el handover basado en calidad de servicio. 4.5.3 Handover Inter-RAT (3G a 2G) Inter-RAT handover se realiza entre redes de diferente tecnología como es el caso de las redes 3G y 2G. Este se puede originar por causas como limitación de cobertura, estabilidad de los enlaces o limitaciones de carga que se puedan presentar en la red 3G. Esta funcionalidad representa una ventaja para los operadores, ya que les permite reducir los costos de operación, considerando que pueden combinar la infraestructura de las dos redes para proveer el servicio. El handover de 3G a 2G puede ser categorizado en cinco tipos: Handover basado en cobertura 3G a 2G: Este tipo de handover puede ocurrir si en determinado momento la calidad de señal de la red 2G es mejor que la señal en la red 3G y si además los servicios que utiliza el UE son soportados en la red 2G. Handover basado en calidad de servicio 3G a 2G: Este tipo de handover se realiza siguiendo el algoritmo “Control de estabilidad del enlace”. Handover basado en carga 3G a 2G: Este tipo de handover se realiza si la carga en la red 3G es demasiado pesada y todos los servicios del UE son soportadas en la red 2G. Handover basado en servicio 3G a 2G: este tipo de handover se basa en capas de servicios, es decir, el tráfico de diferentes clases es gestionado sobre sistemas diferentes, por ejemplo: si se genera una solicitud de servicio de voz (AMR), este servicio puede ser atendido en la red 2G. Handover basado en velocidad 3G a 2G: Este tipo de handover se basa en la Estructura de Celdas Jerárquicas (HCS). Por lo tanto, este tipo de handover puede activarse mediante el algoritmo de estimación de velocidad del UE utilizado en HCS. Para reducir handovers frecuentes, UEs a altas velocidades son gestionados sobre la 70 celda de mayor cobertura, mientras que los UEs a baja velocidad son gestionados sobre la celda de menor cobertura. Soft/Softer Handover Handover Intra-frecuencia Hard Handover Basado en cobertura Handover UMTS Basado en calidad de servicio Handover Inter-frecuencia Basado en carga Basado en velocidad Basado en cobertura Basado en la capacidad del terminal Handover UMTS a GSM Basado en calidad de servicio Basado en servicio Basado en carga Handover Inter-RAT Basado en velocidad Handover GSM a UMTS Figura 4.9 Tipos de Handovers en UMTS 71 4.6 Control de Carga La tecnología WCDMA es por sí mismo un sistema auto-interferente, es decir, conforme aumenta la carga en el sistema aumentan los niveles de interferencia y consecuentemente se afecta el nivel de cobertura, la capacidad y la calidad del servicio. Por lo tanto una tarea muy importante dentro de la administración de los recursos de radio es asegurar que el sistema no se sobrecargue y que se mantenga estable. Aunque el control sobre recursos claves, tales como, códigos de canalización, elementos de canal (CE) y tráfico sobre la interfaz Iub son importantes para mantener la calidad del sistema, la funcionalidad de Control de Carga tiene por objetivo maximizar la capacidad de este, mientras se asegura la cobertura y la calidad del servicio. El Control de Carga se realiza en los controladores de radio (RNCs) utilizando los reportes de medición obtenidos de los nodos B. 4.6.1 Escenarios y Funciones de Control de Carga Para controlar la carga del sistema se pueden utilizar diferentes funciones de control de carga dependiendo de las fases de acceso del UE, tal y como se describe a continuación: a. Control de usuario potencial: Se utiliza antes del acceso del UE. Esta función permite balancear la carga de tráfico entre celdas que utilizan diferentes frecuencias. El RNC utiliza esta función para modificar los parámetros de selección y reselección de celdas, así como la señal de broadcast a través del sistema, de esta forma, el UE es guiado a la celda con menor carga. Los UEs pueden estar en “Idle mode”, “CELL_FACH state”, “CELL_PCH state” o “URA_PCH state”. b. Control de acceso: Se utiliza durante el acceso del UE. La función de control de acceso permite incrementar la tasa de éxito del acceso al sistema, con la calidad de servicio correspondiente, mediante la negociación de velocidad, colas, preferencias y la decisión de reintento direccionado. c. Control de admisión de llamada: Se utiliza durante el acceso del UE. La función de control de admisión permite decidir si se acepta la solicitud de un recurso por parte de un UE, tal como acceso, reconfiguración, handover, todo esto dependiendo del estado de la celda. 72 d. Balance de carga intra-frecuencia: Se utiliza después del acceso del UE. La función de balance de carga intra-frecuencia permite balancear la carga entre celdas vecinas que utilizan la misma frecuencia con el fin de proveer un mejor uso de los recursos disponibles. Cuando la carga en la celda aumenta, la celda reduce la cobertura para aligerar la carga. Mientras que al disminuir la carga, la celda extiende la cobertura, lo cual permite que otras celdas vecinas se liberen cuando estas están muy cargadas. e. Reorganización de carga: Se utiliza después del acceso del UE. La reorganización de carga es una función que permite reducir la carga en la celda cuando esta entra en estado de sobrecarga. El propósito es incrementar la tasa de éxito de acceso y para ello se realizan las siguientes acciones: - Handover de carga Inter-frecuencia - Reorganización de código - Reducción de la tasa (velocidad) en servicios BE - Reducción de la tasa AMR en servicios de voz - Renegociación de QoS para servicios de tiempo real no controlados - Handover de carga inter-RAT para CS - Handover de carga inter-RAT para PS - Reducción de potencia MBMS f. Control de sobrecarga: Se utiliza después del acceso del UE. La función de control de sobrecarga permite reducir rápidamente la carga de la celda cuando está sobrecargada. El propósito es asegurar la estabilidad del sistema y la calidad del servicio y para ello se realizan las siguientes acciones: - Restricción del Formato de Transporte de los servicios BE - Conmutación de servicios BE a canales comunes - Ajuste de la máxima potencia transmitida de FACHs - Liberación de RABs g. Compartición dinámica de potencia entre portadoras Mediante la compartición dinámica de potencia entre portadoras, una portadora que lleva un servicio HSPA puede dinámicamente utilizar el recurso de potencia ocioso de otra 73 portadora, así se mejora la utilización de la potencia disponible y la tasa del servicio HSPA que ofrece la celda. Figura 4.10 Funciones de control de carga en las fases de acceso Recursos Función de Control de Carga Potencia Código Elementos de Ancho de banda canal Iub Control de Admisión √ √ √ √ Control de Acceso √ √ √ √ Control de Usuario Potencial √ − − − Balanceo de Carga √ − − − Reorganización de Carga √ √ √ √ Control de Sobrecarga √ − − √ Tabla 4.2 Recursos considerados por diferentes funciones de control de carga Prioridades de Control de Carga Dentro de la función de control de carga se definen prioridades con el objetivo de asegurar calidad de servicio a los usuarios. En este caso en particular se definen las siguientes: prioridad de usuario, prioridad integrada RAB y prioridad integrada de usuario. Prioridad de usuario Mediante esta prioridad se definen tres niveles: alto, medio y bajo. Estos niveles permiten establecer un nivel de calidad a diferentes tipos de servicios, por ejemplo, se puede asignar diferentes valores de “tasa de bit garantizada” (GBR, por sus siglas en inglés) para servicios del tipo “mejor esfuerzo” (BE, por sus siglas en inglés), de acuerdo con la clase de tráfico, el tipo de portadora (DCH o HSPA) y el nivel de prioridad. Es importante indicar que existe una 74 relación entre la prioridad de usuario y la función ARP (Allocation Retention Priority), tal y como se muestra en la siguiente tabla: ARP Prioridad de Usuario 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 Tabla 4.3 Relación típica entre Prioridad de Usuario y ARP 19 La relación entre la prioridad de usuario y el ARP, así como los valores GBR se configuran mediante comandos en el RNC. Prioridad integrada RAB Las portadoras de acceso de radio (RAB, por sus siglas en inglés) son ordenas por prioridad con el fin de que se puedan realizar diferentes acciones de control de carga. La prioridad de una RAB se determina por la clase de tráfico, el ARP y el tipo de portadora o canal. Si el parámetro de referencia es “clase de tráfico”, la prioridad sigue las siguientes reglas: a. Se asigna la clase de tráfico: Conversacional > Streaming > Interactiva > Background. b. Para servicios de la misma clase se establece la prioridad basado en los valores ARP: ARP1 > ARP2 > ARP3 >... > ARP14 > ARP15. c. Para servicios de clase Interactiva con el mismo ARP se establecen valores de “Prioridad de Manejo de Tráfico”: THP1 > THP2 > THP3 >... > THP14 > THP15. d. Para servicios Interactivos con el mismo ARP, clase de tráfico y THP, se asigna un HSPA o DCH dependiendo del parámetro indicador del tipo de portadora. Si el parámetro de referencia es “ARP”, la prioridad sigue las siguientes reglas: e. Se asigna el parámetro de referencia ARP: ARP1 > ARP2 > ARP3 >... > ARP14 > ARP15. f. Servicios con el mismo valor ARP se les asigna la clase de tráfico: conversacional > streaming > interactivo > background. 19 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 75 g. Servicios de clase Interactiva con el mismo ARP se les asigna un valor de THP: THP1 > THP2 > THP3 >... > THP14 > THP15. h. Servicios interactivos con el mismo ARP, clase de tráfico y THP (Traffic Handling Priority): Se asigna un HSPA o DCH dependiendo del parámetro indicador del tipo de portadora. ARP y THP son llevados en el mensaje RAB ASSIGNMENT. Los valores de prioridad integrada RAB son establecidos mediante la configuración de parámetros en el RNC. Prioridad integrada de usuario La Prioridad Integrada de Usuario permite que se le asigne al usuario la prioridad más alta de las RABs que esté utilizando, considerando que un usuario puede tener múltiples RABs con diferentes prioridades. 4.6.1.1 Control de Usuario Potencial La gestión de la movilidad de los móviles, en modo idle o modo conectado, se implementa mediante la selección y re-selección de celda. La función de Control de Usuario potencial controla la selección y re-selección de celda de móviles potenciales y previene que un móvil en modo idle se enganche a una celta altamente cargada. Este control solo es válido para celdas inter-frecuencia y solo afecta el downlink. Figura 4.11 Procedimiento Control de Usuario Potencial 76 Una vez habilitada esta función el RNC monitorea periódicamente la carga en downlink de la celda y actualiza los estados de esta de la siguiente forma: • Si la carga en la celda es más alta que el umbral superior (Umbr_sup) mas el nivel de carga de la histéresis (C_hyst), la carga de la celda es considera alta. • Si la carga en la celda es más baja que el umbral inferior (Umbr_inf) menos el nivel de carga de la histéresis (C_hyst), la carga de la celda es considera baja. Figura 4.12 Estados de carga en celda20 De acuerdo con la carga de la celda, la función de control de usuario potencial trabaja de la siguiente forma: • Si la carga en la celda llega a un nivel alto, la función modifica los parámetros de selección y re-selección de celda y los difunde a través del sistema de información. De esta forma, el PUC guía a los terminales móviles (UEs) hacia las celdas vecinas con un nivel de carga bajo. • Si la carga en la celda llaga a un nivel normal, la función utiliza los parámetros de selección y re-selección de celda de acuerdo con lo configurado en el RNC. 20 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 77 • Si la carga en la celda llaga a un nivel bajo, la función modifica los parámetros de selección y re-selección de celda y los difunde a través del sistema de información. De esta forma, la funcionalidad guía a los UEs hacia esta celda. 4.6.1.2 Control de Acceso El propósito de esta función es incrementar la tasa de acceso exitoso; es decir, la tasa de conexiones RRC exitosas y la tasa de “configuración” RAB exitosa. La siguiente figura muestra el procedimiento de la función de Control de Acceso. Proceso de conexión RRC Acceso desde otra celda Solicitud de conexión RRC Redirección RRC basada en servicio Algoritmo de admisión Acceso de la celda actual Falla Falla DRD Exitoso Redirección Direcciona al UE a otra celda Exitoso Procesamiento RAB Solicitud configuración RAB Direcciona al UE a una celda inter-RAT Si Direccionamiento servicio DRD Balanceo de carga DRD Celda seleccionad a Exitoso Falla Falla Algoritmo DRD Interfrecuencia No ¿Hay alguna celda disponible? Negociación de tasa Algoritmo de admisión Dominio PS: tasa máxima Admisión por Código Exitoso Admisión por Potencia Exitoso DRD Inter-RAT Falla o no soportado Dominio CS y PS: Tasa inicial Exitoso Preferencia Falla o no soportado Cola Falla o no soportado Dominio PS: GBR servicio tiempo real Admisión por Crédito Negociación de tasa objetivo Admisión por Recursos Iub Admisión por número de usuarios HSPA Exitoso Acceso de baja tasa Falla o no soportado Exitoso Solicitud de servicio aceptada Solicitud de servicio denegada Figura 4.13 Procedimiento de Control de Acceso 78 Como se muestra en la figura el procedimiento de acceso a un servicio incluye el establecimiento de la conexión RRC (plano de control) y el establecimiento RAB, siempre y cuando sea exitosa la conexión RRC. Proceso de conexión RRC Durante el proceso de conexión RRC, el RNC realiza las siguientes acciones: • Si el RNC asigna acceso de la celda actual, toma la decisión de admisión en base al recurso a través del algoritmo de Control de Admisión. Si la admisión basada en el recurso falla, el RNC realizas los procesos de Reintento y Redirección. Los recursos pueden ser: potencia del nodo B, códigos de canalización, ancho de banda de la interfaz Iub y número de usuarios HSPA. • Si el RNC asigna acceso de otra celda, entonces envía un mensaje de rechazo de conexión RRC. El mensaje lleva información sobre la celda y las instrucciones para que el UE establezca la conexión RRC a la celda. Proceso RAB Durante este proceso, el RNC realiza las siguientes acciones: 1. Realiza la función de Reintento (DRD, por sus siglas en inglés) Inter-frecuencia para seleccionar la celda adecuada para la dirección del servicio o el balanceo de carga. 2. Realiza negociación de tasa de acuerdo al servicio solicitado por el UE. 3. Toma la decisión de admisión basado en el recurso disponible. Si la admisión es exitosa, el acceso es garantizado, en caso contrario el RNC realiza el siguiente paso. 4. Vuelve a ejecutar el algoritmo Reintento Inter-frecuencia para la selección de alguna celda donde no se ha hecho un intento de admisión, si tiene éxito realiza lo indicado en el punto 2, en caso de que el intento falle el RNC realiza el siguiente paso. 5. Selecciona una celda de acuerdo con el algoritmo Reintento Inter-RAT. Si la admisión es exitosa se le concede el acceso al UE a la celda. Si Reintento Inter-RAT falla o no es soportado, el RNC realiza el siguiente paso. 6. Ejecuta el algoritmo denominado “preferencia”, si es exitoso se concede el acceso al UE, si falla o no es soportado, el RNC realiza el siguiente paso. 7. Ejecuta el algoritmo denominado “cola”, si es exitoso se concede el acceso, si falla o no es soportado, el RNC realiza el siguiente paso. 79 8. Ejecuta el algoritmo denominado “acceso de tasa baja”, si es exitoso se concede el acceso, si falla, el RNC rechaza la solicitud de acceso del UE. Después de que la solicitud de admisión de un servicio sobre HSPA falla en todas las celdas, el servicio se devuelve a un DCH y entonces se realiza un reintento de acceso a la red. 4.6.1.3 Control de Admisión El Control de Admisión es utilizado para determinar si los recursos del sistema son suficientes para aceptar o no la solicitud de acceso de nuevos usuarios. Si los recursos del sistema son suficientes, la solicitud de acceso es aceptada; en caso contrario, esta es rechazada. El procedimiento de Control de Admisión implica la admisión de la solicitud de conexión RRC y la admisión RAB. El siguiente diagrama muestra el procedimiento de control de admisión. 80 Solicitud de admisión ¿Admisión basada en código, exitosa? No Si ¿Admisión basada en potencia, exitosa? No Si ¿Admisión basada en créditos nodo B, exitosa? No Si ¿Admisión basada en recursos Iub, exitosa? No Si ¿Admisión basada número usuarios HSPA, exitosa? No Si Admisión basada en recursos exitosa Admisión basada en recursos no exitosa Figura 4.14 Procedimiento de Control de Admisión La decisión de admisión se basa en la disponibilidad de los siguientes recursos en las celdas: • Recursos de código • Recurso de potencia • Recurso sobre el estado del nodo B (Crédito Nodo B) • Recurso del ancho de banda sobre la interfaz Iub • Número de usuarios HSDPA • Número de usuarios HSUPA 81 Los recursos de código y ancho de banda sobre la interfaz Iub son obligatorios y no pueden ser deshabilitados, las otras opciones pueden ser habilitadas y deshabilitadas en el RNC. Control de Admisión basado en el recurso de código Esta funcionalidad se implementa de la siguiente forma: • Para una solicitud de conexión RRC, la admisión es exitosa si el remanente actual de códigos es suficiente para atender dicha solicitud. • Para el servicio de handover, la admisión es exitosa si el remanente actual de códigos es suficiente para llevarlo acabo. • Para los servicios que no utilizan HSDPA, el RNC debe asegurar que los códigos restantes no excedan un valor predeterminado después de la admisión de un nuevo servicio. Este valor es definido mediante un parámetro en el RNC. • Para los servicios HSDPA, los códigos reservados son compartidos por todos los servicios, por lo tanto la admisión basada en este recurso no es requerida. Control de Admisión basado en el recurso de potencia Esta funcionalidad implica la admisión para establecer una conexión RRC y la admisión RAB, para ello ejecuta los siguientes algoritmos: Algoritmo 1 La admisión se basa en la carga actual de la celda (indicada por factor de carga uplink y el TPC downlink) y la predicción del incremento de carga debido a la admisión de nuevos servicios. El RNC determina si la carga en la celda excederá el umbral establecido al admitir un servicio nuevo, si este se excede se rechaza la solicitud de acceso, en caso contrario se acepta dicha solicitud. Algoritmo 2 La admisión se basa en el ENU (Equivalent Number of Users), dependiendo del valor actual y de las solicitudes de acceso, el RNC determina si el ENU excederá el umbral al admitir un 82 nuevo servicio; si este se excede, se rechaza la solicitud de acceso, en caso contrario se acepta dicha solicitud. Algoritmo3 La admisión se basa en que no existe un incremento de la carga hasta que se admite un nuevo servicio. Basado en la carga actual, el RNC determina si la carga en la celda excederá el umbral al admitir un nuevo servicio, si este se excede se rechaza la solicitud de acceso, en caso contrario se acepta dicha solicitud. Los principios básicos de la admisión basada en el recurso de potencia son los siguientes: a. Se definen cuatro umbrales de carga básicos: • Umbral de handover (UL/DL): Umbral_HO • Umbral para servicio conversacional AMR (UL/DL): Umbral_AMR • Umbral para servicio conversacional no AMR (UL/DL): Umbral_nAMR • Umbral para otros servicios (UL/DL): Umbral_serv A partir de esos umbrales el RNC define la proporción entre servicios de voz y otros servicios asegurando las preferencias de handover. b. El control de admisión se aplica al uplink y al downlink, y para ello se utilizan algoritmos independientes para la gestión de cada enlace. c. Para una solicitud de handover intra-frecuencia solo se necesita la admisión en downlink. d. Para una solicitud de handover que no es intra-frecuencia se necesita la decisión de admisión tanto para el uplink como para el downlink, si para ambos enlaces está habilitada dicha funcionalidad. e. Si se presenta una solicitud de reducción de la tasa (velocidad), el RNC la acepta directamente. Si la solicitud es de incremento de la tasa entonces se ejecuta el proceso de validación para aceptar o no dicha solicitud. 83 f. Si se rechaza la solicitud de conexión RRC, el RNC realiza los procesos “Reintento” o “Redirección”. Si no son exitosos realiza los procesos de “Preferencia” o “Encolamiento” dependiendo de la situación. Control de Admisión basado en el recurso de estado del nodo B El “Elemento de Canal” (CE) es utilizado para medir la capacidad de demodulación del Nodo B; del lado del RNC, esto se refiere como crédito del nodo B. Un CE es definido como el recurso equivalente a 12.2 kbit/s de un servicio de voz AMR, incluyendo 3.4 kbit/s de señalización en el DCCH. Hay CE tanto para el uplink como par el downlink; por esa razón un servicio de voz AMR consume un CE de UL y un CE de DL. Es importante señalar que el término “Elementos de Canal” (CE, por sus siglas en inglés) no está estandarizado por el 3GPP y es un término utilizado por los fabricantes de los equipos. De acuerdo con el consumo de capacidad de los canales comunes y dedicados, el CRNC debita el recurso consumido o acredita el recurso a la capacidad de la celda local (o grupo de celdas) basado en el Factor de Extensión (SF, por sus siglas en inglés). Los escenarios específicos son la adición, eliminación y reconfiguración de los canales comunes y los canales dedicados. Para servicios DCH, el RNC utiliza MBR para calcular el SF, tal y como se muestra en la siguiente tabla: 84 Cantidad de Dirección Tasa Factor de "Elementos (kbit/s) dispersión de Canal" utilizados Uplink Downlink Cantidad de Créditos equivalentes 3.4 256 1 2 13.6 64 1 2 8 64 1 2 16 64 1 2 32 32 1.5 3 64 16 3 6 128 8 5 10 144 8 5 10 256 4 10 20 384 4 10 20 3.4 256 1 1 13.6 128 1 1 8 128 1 1 16 128 1 1 32 64 1 1 64 32 2 2 128 16 4 4 144 16 4 4 256 8 8 8 384 8 8 8 Tabla 4.4 Uso de créditos de acuerdo al SF para servicios DCH 21 21 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 85 Cantidad de Dirección Tasa Factor de "Elementos (kbit/s) dispersión de Canal" utilizados UL Cantidad de Créditos equivalentes 8 64 1 2 16 64 1 2 32 32 1 2 64 32 1 2 128 16 2 4 144 16 2 4 256 8 4 8 384 4 8 16 608 4 8 16 1450 2SF4 16 32 2048 2SF2 32 64 2890 2SF2 32 64 5760 2SF2+2SF4 48 96 Tabla 4.5 Uso de créditos de acuerdo al SF para servicios HSUPA22 Es importante indicar que no hay una regla definida, en la especificación 3GPP TS 25.433, con respecto a la capacidad de consumo para HS-DSCH, así que lo que se hace es reservar créditos para las RABs en HSDPA y por lo tanto el control de admisión basado en estos recursos no se necesita en este escenario. Control de Admisión basado en el recurso de ancho de banda sobre la interfaz Iub La definición de carga está basada en el ancho de banda reservado. El algoritmo de control de carga reserva un ancho de banda para cada servicio. La carga se refiere a la suma del ancho de banda reservado para todos los servicios, y es calculada de forma separada para el uplink y el downlink. El RNC calcula el ancho de banda reservado en base al factor de actividad de cada servicio (relación entre la tasa de datos del usuario y la potencia total recibida incluyendo la potencia de ruido termal en la estación base) y realiza el control de 22 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 86 admisión en base a este; así habilita una reserva extra de recursos sobre la interfaz Iub, es decir, permite la admisión de más servicios sobre ese ancho de banda. Control de Admisión basado en el número de usuarios HSDPA El algoritmo gestiona las solicitudes de acceso a la red de servicios HSDPA, este admite los servicios si se satisfacen las siguientes condiciones: • El número de usuarios HSDPA en la celda no excede el valor máximo especificado por el parámetro Cel_NU_Max_HSDPA. • El número de usuarios HSDPA en el nodo B no excede el valor máximo especificado por el parámetro NB_NU_Max_HSDPA. De otra forma el algoritmo rechaza la solicitud de servicio. Control de Admisión basado en el número de usuarios HSUPA El algoritmo gestiona las solicitudes de acceso a la red de servicios HSUPA, este admite los servicios si se satisfacen las siguientes condiciones: • El número de usuarios HSUPA en la celda no excede el valor máximo especificado por el parámetro Cel_NU_Max_HSUPA. • El número de usuarios HSUPA en el nodo B no excede el valor máximo especificado por el parámetro NB_NU_Max_HSUPA. De otra forma el algoritmo rechaza la solicitud de servicio. 4.6.1.4 Balaceo de Carga Intra-Frecuencia El balanceo de carga intra-frecuencia es realizado para ajustar áreas de cobertura de acuerdo a las mediciones de carga en la celda, esta función es aplicable solo para el downlink. Esta función es implementada ajustando la potencia con la que se transmite el PCPICH de acuerdo con la carga de downlink de la celda. Cuando aumenta la carga en la celda, la celda reduce su cobertura para aligerar la carga. Cuando la carga disminuye, la celda extiende la cobertura y con ello se libera la carga en otras celdas vecinas. 87 Cuando la función de balanceo de carga intra-frecuencia está activa, el RNC chequea la carga de la celda periódicamente y ajusta la potencia transmitida del P-CPICH en las celdas, basado en la carga de estas. Figura 4.15 Función de balanceo de carga intra-frecuencia La función de balanceo de carga intra-frecuencia se describe a continuación: • Si la carga en el downlink de la celda es más alta que el umbral de sobrecarga (Umbral_Sobrecarga_Celda), entonces la potencia del P-CPICH necesita reducirse gradualmente. En este caso, los terminales móviles en el borde de la celda pueden engancharse en celdas vecinas con carga más baja y con un canal piloto con mayor potencia. 88 • Si la potencia transmitida es igual a la potencia mínima del P-CPICH (PCPICH_Pmin), la potencia actual se mantiene igual y no es ajustada. • Si la carga en el downlink de la celda es más baja que el umbral de sub-carga (Umbral_Subcarga_Celda), entonces es una indicación de que la celda tiene suficiente capacidad restante para aceptar más carga. En este caso, la potencia del P-CPICH puede incrementarse gradualmente para ayudar a liberar la carga en celdas vecinas. • Si la potencia transmitida es igual a la potencia máxima del P-CPICH (PCPICH_Pmax), la potencia actual se mantiene igual y no es ajustada. 4.6.1.5 Reorganización de Carga Cuando el uso de los recursos de una celda excede los umbrales de carga esta alcanza un estado de congestión. En este caso, la función de reorganización de carga es requerida para reducir la carga en la celda e incrementar la tasa de accesos exitosos. La congestión de una celda puede ser causada por la carencia de recursos de potencia, código, ancho de banda de la interfaz Iub o estado del nodo B. Recurso de potencia El control de congestión basado en el recurso de potencia puede habilitarse por medio de los parámetros configurables en el RNC. 89 Figura 4.16 Estados de congestión en una celda23 • Si la carga actual UL/DL de la celda es más alta o igual al umbral superior (Umbral_sup_UL, Umbral_sup_DL) por un tiempo de 1000 ms, el estado de la celda es congestionado y entonces se inicia la función de reorganización de carga. • Si la carga actual UL/DL de la celda es más baja que el umbral inferior (Umbral_inf_UL, Umbral_inf_DL) por un tiempo de 1000 ms, el estado de la celda vuelve a ser normal. • Para servicios HSPA en el uplink la decisión sobre la congestión se basa en la comparación entre el umbral de disparo Umbral_sup_UL y la carga no controlable de la celda. • Para servicios HSPA en el downlink la decisión sobre la congestión se basa en la comparación entre el umbral de disparo Umbral_sup_DL y la suma de la potencia de servicios no HSPA y el requerimiento de potencia para servicios GBR (GBP). 23 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 90 4.6.1.6 Control de Sobrecarga Después de que el acceso de un UE es permitido, la potencia consumida por un enlace es ajustada por la función de control de potencia. La potencia varia por diferentes factores, tales como la movilidad del UE como por cambios en el ambiente. En algunas situaciones, la carga de potencia total de la celda puede ser más alta que la carga tope, entonces para asegurar la estabilidad del sistema se utiliza la función de control de sobrecarga. La sobrecarga está relacionada con los recursos de potencia y ancho de banda de la interfaz Iub, así como con la interferencia en el sistema, otros recursos del nodo B como los “Elementos de Canal” o el número equivalente de usuarios no causan congestión por sobrecarga. El control de sobrecarga es habilitado en el RNC. Figura 4.17 Condiciones de sobrecarga en una celda24 Se pueden definir las siguientes condiciones en la celda de acuerdo con la carga que gestiona: • Si la carga actual UL/DL de la celda es más alta o igual al umbral superior (Umbral_sup_OL_UL, Umbral_sup_OL_DL) por un tiempo de 1000 ms, la celda se 24 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 91 encuentra en estado de sobrecarga y entonces se inicia la función de control de sobre carga. • Si la carga actual UL/DL de la celda es más baja que el umbral inferior (Umbral_inf_OL_UL, Umbral_inf_OL_DL) por un tiempo de 1000 ms, la celda vuelve al estado normal. El control de sobrecarga es una función que puede ser configurada para que realice mediciones periódicas o mediciones por evento; es decir, el RNC envía al nodo B solicitudes de medición de un evento E basado en el recurso de potencia; entonces el nodo B revisa la carga de potencia actual en tiempo real y reporta periódicamente el estatus al RNC. 4.7 Control de Tasa de Transmisión El control de la tasa de transmisión es utilizado principalmente en servicios que utilizan las técnicas Multi-Tasa Adaptativa (AMR, por sus siglas en inglés) y Mejor Esfuerzo (BE, por sus siglas en inglés). Servicios AMR Los servicios que se codifican utilizando AMR/AMR-WB son los servicios de voz. Las tasas de codificación pueden ajustarse de acuerdo con los cambios en el ambiente de radio con el fin de alcanzar una mejor calidad de voz. Los servicios AMR están clasificados en Multi-Tasa Adaptativa de banda estrecha (AMR-NB) y Multi-Tasa Adaptativa de banda ancha (AMRWB). Las tasas de codificación son las siguientes: • AMR-NB utiliza ocho tasas de codificación: 4.75 kbit/s, 5.15 kbit/s, 5.9 kbit/s, 6.7 kbit/s, 7.4 kbit/s, 7.95 kbit/s, 10.2 kbit/s, y 12.2 kbit/s. • AMR-WB utiliza nueve tasas de codificación: 6.6 kbit/s, 8.85 kbit/s, 12.65 kbit/s, 14.25 kbit/s, 15.85 kbit/s, 18.25 kbit/s, 19.85 kbit/s, 23.05 kbit/s, y 23.85 kbit/s. Servicios BE Los servicios clasificados como interactivos y background son servicios que trabajan a mejor esfuerzo, es decir, que la tasa de transmisión es fluctuante y depende de la carga en la red. 92 Ajustando las tasas dinámicamente se optimiza el uso de los recursos y se mejora la estabilidad sobre la interfaz Uu (interfaz de radio). Procedimiento de control En primera instancia se mide la calidad del enlace, el volumen de tráfico y la actividad de los terminales (usuarios). Posteriormente, de acuerdo con esas mediciones se realizan los ajustes correspondientes para mejorar el rendimiento de la red a nivel de acceso. Control de medición Durante la fase de medición, el RNC intercambia mensajes relacionados con los resultados de medición tanto con la celda como con el terminal. Las mediciones se hacen sobre la potencia de transmisión, el BLER uplink, la tasa de retransmisión de downlink, el volumen y el rendimiento de tráfico. • El RNC conoce sobre la estabilidad de los servicios AMR/AMR-WB a partir de las mediciones de la potencia de UL y DL. • El RNC conoce sobre la estabilidad uplink de los servicios BE a partir de la potencia de transmisión del UE y el BLER del DPDCH. • El RNC conoce sobre la estabilidad downlink de los servicios BE a partir de la potencia de transmisión del DPDCH por parte del UE y la tasa de retransmisión de PDUs RLC. • El RNC conoce sobre el volumen de tráfico a partir de la ocupación del “buffer” RLC y conoce del rendimiento a partir del volumen de tráfico medido por la MAC-d. • El RNC conoce sobre la actividad del terminal a partir del volumen y rendimiento de tráfico. Ajuste de la tasa De acuerdo con los resultados obtenidos en la medición de la calidad del enlace, el volumen de tráfico y la actividad de los terminales (usuarios), el RNC determina el método de ajuste que debe aplicar y entonces reconfigura las tasas de los servicios mediante un 93 procedimiento de señalización. Los métodos de ajuste son AMRC/AMRC-WB y Control de Configuración de Canal Dinámico (DCCC). Control Multi-Tasa Adaptativa (AMRC/AMRC-WB) Esta función permite ajustar de forma dinámica las tasas de codificación de acuerdo con la potencia de transmisión o la carga de la celda, para alcanzar el balance entre la carga del sistema, la estabilidad del enlace y la Calidad del Servicio. Esta función se ejecuta de forma independiente en el uplink y en el downlink. Control de Configuración de Canal Dinámico (DCCC) Esta función se utiliza para controlar la tasa de los servicios BE. El control se hace de acuerdo con el volumen de tráfico, el rendimiento (velocidad efectiva), calidad del enlace de radio o considerando el estado de congestión de la celda. Esta función se ejecuta de forma independiente en el uplink y en el downlink. Control de la estabilidad del enlace Una potencia muy alta en la transmisión es una señal de que el enlace asociado es inestable; es este caso, la función de control de la estabilidad del enlace realiza alguna de las siguientes acciones: disminución de la tasa de transmisión, handover inter-frecuencia o handover inter-RAT para asegurar la estabilidad del enlace y la calidad de servicio. La disminución de la tasa se realiza mediante las funciones AMRC/AMRC-WB o DCCC. Resultados de medición Los resultados de medición son la base del ajuste de la tasa de transmisión y del control de la estabilidad del enlace, ya que a partir de la comparación de los resultados el RNC determina la función de control apropiada. 4.7.1 Mediciones de Estabilidad para los Servicios AMR En el uplink se mide la potencia transmitida por el UE, mientras que en el downlink se mide la potencia con que se transmite el DPDCH. 94 4.7.1.1 Mediciones de Estabilidad sobre el Uplink para Servicios AMR Una vez que el UE compara los resultados de las mediciones con los umbrales establecidos, se generan una serie de eventos relacionados con la potencia transmitida por el UE, los cuales son reportados al RNC para que ejecute las acciones de control relacionadas al ajuste de la tasa de codificación AMR. Los eventos asociados al control sobre el uplink son: 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, y 6D. Después de establecer un servicio de voz AMR, el RNC envía la siguiente información al UE mediante mensajes de control: • Umbrales de los eventos 6A1, 6B1, 6A2, 6B2 o 6D. • Tiempo en que se dispararon los eventos 6A1, 6B1, 6A2, 6B2, o 6D. Con estos datos el UE mide, en tiempo real, la potencia transmitida, filtra los resultados de la medición y ejecuta las siguientes acciones: • Si la potencia transmitida por el UE está sobre el umbral del evento 6A1 durante un periodo de tiempo especificado por el parámetro UL_AMR_TT6A1, el evento 6A1 es activado. • Si la potencia transmitida por el UE está por debajo del umbral del evento 6B1 durante un periodo de tiempo especificado por el parámetro UL_AMR_TT6B1, el evento 6B1 es activado. • Si la potencia transmitida por el UE está por debajo del umbral del evento 6B2 durante un periodo de tiempo especificado por el parámetro UL_AMR_TT6B2, el evento 6B2 es activado. • Si la potencia transmitida por el UE está sobre el umbral del evento 6A2 durante un periodo de tiempo especificado por el parámetro UL_AMR_TT6A2, el evento 6A2 es activado. 95 • Si la potencia transmitida por el UE es igual a la máxima potencia permitida durante un periodo de tiempo especificado por el parámetro UL_AMR_TT6D, el evento 6D es activado. Figura 4.18 Eventos y umbrales en UL para servicios AMR25 La potencia de transmisión máxima en el uplink para servicios AMR se especifica mediante el parámetro UL_Max_TxP_Conv. Los valores de los umbrales se especifican mediante los parámetros: UL_umb_6A1, UL_umb_6B1, UL_umb_6A2 y UL_umb_6B2. El valor de los umbrales se calcula de la siguiente forma: • Umbral evento 6A1 = UL_Max_TxP_Conv – UL_umb_6A1 • Umbral evento 6B1 = UL_Max_TxP_Conv – UL_umb_6B1 • Umbral evento 6A2 = UL_Max_TxP_Conv – UL_umb_6A2 • Umbral evento 6B2 = UL_Max_TxP_Conv – UL_umb_6B2 El valor del umbral correspondiente al evento 6D corresponde a la máxima potencia transmitida por el UE. 25 “TS 25.331, v6.25.0, Radio Resource Control (RRC)” 96 Figura 4.19 Umbral del evento 6D26 4.7.1.2 Mediciones de Estabilidad sobre el Downlink para Servicios AMR En el downlink se definen los eventos E1, E2, F1 y F2. Estos eventos indican los diferentes estados con respecto a la potencia transmitida sobre el DPDCH y de acuerdo a esos valores el RNC ajusta la tasa de codificación AMR máxima permitida. Una vez que se establece el servicio, el RNC solicita al nodo B el envío periódico de reportes de medición mediante el Control de Potencia Transmitida (TPC) en el campo “piloto” del DPCCH. El Nodo B envía los reportes de medición cada 480 ms. Después de recibir los reportes de medición, el RNC promedia los valores de la potencia transmitida en el DPDCH y entonces compara ese valor promedio con los umbrales de los eventos E1, E2, F1 y F2 para determinar el tipo de evento que debe generarse. • Cuando el valor promedio de la potencia transmitida del DPDCH está sobre el umbral del evento E1, el evento E1 es activado. • Cuando el valor promedio de la potencia transmitida del DPDCH está por debajo del umbral del evento E2, el evento E2 es activado. 26 “TS 25.331, v6.25.0, Radio Resource Control (RRC)” 97 • Cuando el valor promedio de la potencia transmitida del DPDCH está por debajo del umbral del evento F1, el evento F1 es activado. • Cuando el valor promedio de la potencia transmitida del DPDCH está sobre el umbral del evento F2, el evento F2 es activado. Figura 4.20 Eventos y umbrales en DL para servicios AMR27 La potencia de transmisión máxima en el downlink para el DPDCH se especifica mediante el parámetro DPDCH_DL_Max_P. Los valores de los umbrales se especifican mediante los parámetros: DL_umb_E1, DL_umb_E2, DL_umb_F1 y DL_umb_F2. El valor de los umbrales se calcula de la siguiente forma: 27 • Umbral evento E1 = DPDCH_DL_Max_P – DL_umb_E1 • Umbral evento E2 = DPDCH_DL_Max_P – DL_umb_E2 • Umbral evento F1 = DPDCH_DL_Max_P – DL_umb_F1 • Umbral evento F2 = DPDCH_DL_Max_P – DL_umb_F2 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 98 4.7.2 Mediciones de Estabilidad del Enlace para Servicios BE Para determinar la estabilidad del uplink se realizan mediciones con respecto a la potencia de transmisión y el BLER medido por el RNC. Para determinar la estabilidad del downlink se realizan mediciones con respecto a la potencia en el campo “piloto” del DPCCH medido por el nodo B y la tasa de retransmisión PDU RLC. Medición Evento Potencia Tx UL 6A1 / 6A2 /6b1 /6B2 / 6D UL BLER 5A Potencia Tx - "piloto" DPCCH Ea / Eb / Fa /Fb Tasa retransmisión RLC PDU DL A Tabla 4.6 Mediciones y eventos asociados para servicios BE 4.7.2.1 Mediciones de Estabilidad sobre el Uplink para Servicios BE Como se mencionó anteriormente el control de la estabilidad del uplink se basa en los resultados de las mediciones con respecto a la potencia transmitida por el UE, a partir de los cuales se generan los eventos 6A, 6B o 6D y además se hace necesario introducir los parámetros de tiempo relacionados con cada evento: UL_Be_TT_6A1, UL_Be_TT_6A2, UL_Be_TT_6B1, UL_Be_TT_6B2 y UL_Be_TT_6D. De la misma forma, la medición del BLER se asocia al evento 5A. Para ello, en el RNC se define una ventana deslizante mediante el parámetro VD_Num_Block_5A y a cada momento que el RNC recibe un bloque de datos, este compara el número de bloques erróneos en la ventana (Num_Block_Error_5A) con el umbral del evento 5A especificado por el parámetro Umb_Block_Error_5A. Si el número de bloques erróneos está sobre o es igual al umbral del evento 5A, este es activado. Para evitar reportes excesivos del evento 5A, el RNC puede volver a activar el evento solo después de que el número de bloques erróneos alcanza un valor específico definido por el parámetro R_Block_Error_5A. 99 Figura 4.21 Reporte del evento 5A28 4.7.2.2 Mediciones de Estabilidad sobre el Downlink para Servicios BE Si la potencia del downlink es excesivamente alta se genera el Evento E, mediante el cual se activa una disminución de la tasa en el enlace. El evento E se divide en Ea y Eb. El evento F es utilizado para revisar si la potencia de transmisión actual permite incrementar la tasa en el enlace. El evento F se divide en Fa y Fb. De acuerdo con el resultado de las mediciones de la potencia transmitida en el piloto del DPCCH, la activación de los eventos E o F se activan de la siguiente forma: • Si la potencia transmitida en el piloto del DPCCH está sobre el umbral de los eventos Ea o Fa durante el periodo de tiempo especificado en los parámetros DL_Be_TT_E o DL_Be_TT_F, se activa el evento Ea o Fa. Entonces, el nodo B reporta periódicamente al RNC, los resultados de las mediciones de la potencia transmitida. El periodo de este reporte es configurable en el RNC. • Si la potencia transmitida en el piloto del DPCCH está bajo el umbral de los eventos Eb o Fb durante el periodo de tiempo especificado en los parámetros DL_Be_TT_E o DL_Be_TT_F, se activa el evento Eb o Fb. Para los servicios BE este periodo se establece en 640 ms. El umbral de los eventos Ea o Eb es calculado de la siguiente forma: 28 “TS 25.331, v6.25.0, Radio Resource Control (RRC)” 100 Umbral E = max_P_DL – umb_rel + PO_DPCCH Donde: • Umbral E: es el umbral relativo de los eventos Ea o Eb. • PO_DPCCH: es el offset de la potencia transmitida en el piloto del DPCCH con respecto a la potencia del DPDCH. • umb_rel: es el umbral relativo de los eventos Ea o Eb, especificados por los parámetros Umbral_Ea o Umbral_Eb respectivamente. • max_P_DL: es la potencia máxima transmitida del DPDCH. El umbral del evento F está relacionado con la tasa actual y con el objetivo de incremento de tasa (activado por el evento 4A). El umbral del evento F no puede estar sobre el umbral del evento Ea. El umbral del evento F es calculado de la siguiente forma: Umbral_F = Pmax – ∆p – Pmargin – Ea_umb_rel + PO_DPCCH Donde: • ∆p: es la diferencia de potencia entre la tasa actual y la tasa objetivo. • Pmargin: es un margen de potencia relativo para evitar la fluctuación de la tasa de tráfico en caso de que la potencia se restringida después de un incremento de esta, se establece mediante el parámetro BE_P_margen para un servicio simple o por el parámetro CombPrMargin para servicios combinados. • Ea_umb_rel: es el umbral relativo utilizado para evitar la activación repetida del evento Ea después de un incremento de la tasa de tráfico. • Pmax: es la potencia de transmisión máxima correspondiente a la tasa objetivo. • PO_DPCCH: es el offset de la potencia transmitida en el piloto del DPCCH con respecto a la potencia del DPDCH. 101 Figura 4.22 Reporte del evento F29 La tasa de retransmisión del PDU RLC es calculada de acuerdo con la información de retroalimentación ACK o NACK. El evento asociado a la tasa de retransmisión es el evento A. La tasa de retransmisión es configurable en el RNC. Figura 4.23 Umbral para el reporte de retransmisión PDU RLC El procedimiento para medir la tasa de retransmisión PDU RLC es el siguiente: 1. Establecer una ventana deslizante para calcular la tasa de retransmisión periódicamente, de acuerdo a un periodo de monitoreo especificado por el parámetro per_monitor. 29 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 102 2. Revisar si la tasa de retransmisión está sobre el umbral del evento A especificado por el parámetro Umbral_Evento_A. Si está sobre el umbral durante un periodo de tiempo específico definido por el parámetro TT_Evento_A, el evento A es activado y la tasa de retransmisión es reportada. En el periodo de tiempo posterior a que el evento A es reportado, la tasa de retransmisión no se vuelve a calcular. Si el reporte del evento Ea se ha recibido antes que el reporte del evento A, el sistema puede reducir la tasa de transmisión del downlink. Este evento se basa en una solución tecnológica específica y no es un método especificado por la 3GPP. 4.7.3 Mediciones de Volumen de Tráfico para Servicios de Mejor Esfuerzo Las mediciones del volumen de tráfico son definidas en la especificación TS 25.331 del 3GPP y son aplicables únicamente para el uplink; por lo tanto, las mediciones del volumen de tráfico en el downlink, así como los ajustes correspondientes, se implementan según la solución particular de cada fabricante. En el uplink el UE mide el uso de los buffers de las entidades RLC para obtener el volumen de tráfico en este enlace. En el downlink el RNC mide el uso de los buffers de las entidades RLC para obtener el volumen de tráfico en este enlace. Control de medición del volumen de tráfico para servicios BE Los eventos 4a y 4b indican diferentes estados según el volumen de tráfico del uplink y el downlink. El RNC puede incrementar o disminuir las tasas de tráfico de acuerdo con los eventos reportados. El evento 4a indica que el volumen de tráfico es excesivamente alto y por lo tanto es necesario que este se reduzca. El evento 4b indica que el volumen de tráfico es excesivamente bajo y por lo tanto es necesario que este se incremente. Umbrales para la activación de los eventos 4a y 4b • Si el volumen de tráfico está sobre el umbral del evento 4a, especificado por el parámetro Umbral_Evento_4a durante un periodo de tiempo especificado por el parámetro TT_Evento_4a, el UE envía un reporte del evento 4a. Durante el periodo 103 de tiempo especificado por el parámetro T_Pend_Evento_4a posterior al envío del reporte del evento 4a, el UE no envía reportes. • Si el volumen de tráfico está bajo el umbral del evento 4b, especificado por el parámetro Umbral_Evento_4b durante un periodo de tiempo especificado por el parámetro TT_Evento_4b, el UE envía un reporte del evento 4b. Durante el periodo de tiempo especificado por el parámetro T_Pend_Evento_4b posterior al envío del reporte del evento 4b, el UE no envía reportes. El ajuste de la tasa basado en el volumen de tráfico se realiza de forma independiente entre el uplink y el downlink, a cada tipo de enlace se le asocial el parámetro correspondiente. Figura 4.24 Evento 4a – Aumento del volumen de tráfico 30 30 “TS 25.331, v6.25.0, Radio Resource Control (RRC)” 104 Figura 4.25 Evento 4b – Disminución del volumen de tráfico 31 4.7.4 Mediciones de la Tasa Efectiva para Servicios de Mejor Esfuerzo El ajuste de la tasa sobre el DCH y el E-DCH BE está basado en los resultados de las mediciones del rendimiento (tasa efectiva). Después de comparar las mediciones con los umbrales asociados, el RNC decide qué tipo de ajuste debe realizar. En cada periodo de medición, la capa MAC-d mide el volumen de tráfico de las portadoras de radio. El periodo de medición del rendimiento está definido mediante el parámetro Per_Med_Tasa_Ef_EDCH para servicios sobre el E-DCH y por el parámetro Per_Med_Tasa_Ef_DCH para servicios sobre el DCH. Si el parámetro Prom_Tasa_Ef representa la tasa efectiva promedio de una portadora de radio durante el periodo de medición, entonces se podrían presentar algunos de los siguientes escenarios: • Si Prom_Tasa_Ef está sobre el umbral del evento 4a durante un periodo de tiempo especificado mediante el parámetro EDCH_TT_Evento_4a y el tiempo actual no está dentro del periodo denominado “tiempo pendiente”, entonces el evento 4a es activado. Durante el periodo de tiempo especificado por el parámetro EDCH_Pend_T_evento_4a, posterior al envío del reporte (activación) del evento 4a, no es posible activar otro evento. 31 “TS 25.331, v6.25.0, Radio Resource Control (RRC)” 105 • Si Prom_Tasa_Ef está bajo el umbral del evento 4b durante un periodo de tiempo especificado mediante los parámetros EDCH_TT_Evento_4b o DCH_TT_Evento_4b y el tiempo actual no está dentro del periodo denominado “tiempo pendiente”, entonces el evento 4b es activado. Durante el periodo de tiempo especificado por los parámetros EDCH_Pend_T_evento_4b o DCH_Pend_T_evento_4b, posterior al envío del reporte (activación) del evento 4b, no es posible activar otro evento. La figura 4.26 muestra el mecanismo de medición del rendimiento y el reporte de los eventos 4a y 4b, en este caso particular, el tiempo para activar los eventos es de tres periodos de medición consecutivos, mientras que el “tiempo pendiente” es de cuatro periodos de medición consecutivos. Figura 4.26 Reporte de los eventos 4a y 4b 32 32 “Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G” 106 CAPÍTULO 5: Optimización 5.1 Optimización de Red Los operadores necesitan contar con los medios y los métodos que les permitan mejorar el funcionamiento de la red, de acuerdo a factores relacionados con las limitaciones y capacidades deseadas, por ejemplo: gastos, calidad de la experiencia de usuario, cambios en el tráfico, aumento del portafolio de servicios, ganancias, complejidad, efectividad, eficiencia y utilización de los recursos de red. La optimización de la red y en consecuencia la optimización de los servicios implica varios retos para los operadores y representa una oportunidad para mejorar los ingresos mediante la explotación efectiva de sus inversiones, lo cual les permite diferenciarse en el mercado al proveer servicios de calidad. Sin un proceso continuo de optimización los operadores no son capaces de adaptar la capacidad de sus redes celulares a los cambios generados por la evolución de los servicios y el comportamiento de los usuarios. Por lo tanto, considerando la importancia de este proceso, a continuación se expone la propuesta de un modelo de optimización basado en la gestión de recursos de radio (potencia, códigos de canalización, frecuencia) para la provisión de Calidad de Servicio. 5.2 Proceso de Optimización El proceso de optimización puede originarse por diversas situaciones, por ejemplo: cambios en el modelo de tráfico, quejas de los clientes, cambios en la estrategia de venta y mercadeo de los servicios, entre otros. Por lo tanto, el objetivo de un proceso de optimización es proporcionar los medios automatizados, manuales o una combinación de ambos, para mejorar el rendimiento de la red. El proceso para mejorar el funcionamiento de la red y con ello la prestación de los servicios, se representará mediante un lazo de control, el cual toma en cuenta los diversos factores que influencian cada proceso. El lazo de optimización puede ser dividido en cuatro partes distintas, cada una influenciada por factores externos. La configuración del servicio y de la red apunta al establecimiento de parámetros sobre los elementos de red que permitan soportar los modelos de negocio planteados por el operador. Está configuración es paralela y no puede ser aislada dado que 107 la red es la plataforma para el aprovisionamiento de los servicios bajo un nivel de calidad adecuado. Por lo tanto, la configuración del servicio y de los elementos de red son puntos de control que le permiten al operador implementar una estrategia para el soporte del negocio. En las redes de telefonía celular se presentan varios factores incontrolables que plantean un desafío importante al momento de realizar la optimización de la red. Por ejemplo, el comportamiento del abonado no pude ser controlado ni tampoco es totalmente predecible. Este comportamiento podría ser predecible si se presentan situaciones especiales, tales como eventos deportivos, conciertos, festivales o emergencias. En general, el comportamiento de los usuarios puede ser monitoreado estadísticamente, pero la fluctuación del tráfico generado es un efecto inevitable que necesita ser tomado en cuenta. Igualmente este efecto se presenta por el uso simultáneo de algún servicio desde un mismo recurso, por ejemplo, varios usuarios utilizando el servicio de streaming de video provisto desde un mismo nodo de la red de radio, lo que definitivamente causará un efecto adverso en la calidad de la experiencia del servicio. Debido a que una red de telefonía móvil tiene una gran cantidad de elementos y conexiones, esta se ve expuesta a diferentes tipos de fallas, tanto leves como severas, estas últimas con menor frecuencia que las primeras, pero todas afectan el lazo de control de optimización. Figura 5.1 Lazo de optimización y factores externos que influyen en las diferentes fases 108 El proceso de optimización de la red depende de la disponibilidad de medios para tomar mediciones y realizar tareas de monitoreo, para posteriormente hacer un análisis de los datos obtenidos y con base a estos realizar modificaciones en la configuración de los elementos de red o implementar nuevas funcionalidades sobre estos. Hay un número de métricas que proveen información diferente sobre el comportamiento de la red, las cuales pueden ser utilizadas para mejorar el funcionamiento de esta. Un sistema de gestión de red (NMS, por sus siglas en inglés) debe ofrecer los mecanismos que permitan verificar y garantizar un determinado nivel de calidad para cada servicio. Desde el punto de vista de gestión, la red de acceso sigue una jerarquía de bucles asociados al proceso de optimización33: - Bucle estadístico en tiempo no real: se realiza mediante el ajuste de parámetros de configuración en los elementos de red, como resultado de las mediciones obtenidas en dichos elementos. - Bucle en tiempo real - lento: es realizado en los controladores de radio (RNC, BSC), permite efectuar un control dinámico del sistema y la auto-regulación de parámetros de radio (por ejemplo umbrales). - Bucle en tiempo real - rápido: está relacionado con el control de potencia, el control de congestión, la adaptación del enlace y la asignación de canal. Este bucle tiene un impacto en el proceso de planificación de la red de radio en términos del modelado del control de potencia, el handover, el control de acceso, entre otras funciones. Los bucles de optimización en tiempo real son llamados algoritmos RRM y la principal diferencia entre ellos se basa en el tiempo necesario para tomar una decisión y realizar un cambio. El bucle de optimización estadístico es necesario para cambiar los límites de control de RRM de tal forma que la operación de la red sea óptima en términos de capacidad y calidad. 33 “UMTS Networking Planning, Optimization and QoS Management” 109 Figura 5.2 Balance entre cobertura, capacidad y calidad del enlace El proceso de optimización forma parte de las diferentes fases de evolución de la red, debido a que la red experimenta cambios constantes asociados a las variaciones de capacidad y cobertura generadas tanto por el comportamiento de los usuarios como por el crecimiento de la red. A continuación se mencionan las fases de evolución de la red con el fin de indicar en cuáles fases está presente el proceso de optimización: - Fase 1: Planificación del despliegue inicial. - Fase 2: Optimización de la configuración inicial de los sitios. - Fase 3: Optimización estadística basada en las mediciones y los KPI. - Fase 4: Red en operación, optimizada y con objetivos de calidad cumplidos. - Fase 5: Actualización de la red originada por el aumento de tráfico (incremento de usuarios o la adición de nuevos servicios). - Fase 6: Se inicia la iteración de las fases 2 y 3 hasta cumplir los objetivos establecidos. 5.2.1 Administración de Mediciones Como se ha descrito anteriormente, las mediciones que se obtienen de los diferentes elementos de red, incluyendo los equipos de los usuarios, son parte esencial dentro del proceso de optimización. Es por esa razón que se hace necesario tener una administración adecuada de la información obtenida, de tal forma que se pueda determinar el tipo de medición, qué recursos se están midiendo y en qué momentos se han realizado. 110 Las tareas de medición que se ejecutan en los elementos de red con el fin de recolectar datos sobre su funcionamiento incluyen las siguientes acciones: 1. Creación y borrado de mediciones: Implica la creación y posterior borrado de instancias o procesos de recolección de mediciones. 2. Definición de horarios de medición: Define los períodos que son programados dentro del sistema de gestión para recolectar los datos de medición. 3. Modificación de parámetros de medición: Esta acción se refiere al cambio de los parámetros de medición establecidos previamente. 4. Especificación de los tipos de mediciones: Se pueden establecer mediciones del tipo individual o por clases. 5. Identificación de los recursos medidos: Identifica qué recursos son los que se están midiendo, por ejemplo: grupos troncales, canales de radio, transceivers, entre otros. 6. Suspensión y reanudación de un proceso de medición: Permite suspender un proceso de medición aún cuando se ha programado un tiempo de medición y restablecer el proceso si este ha sido detenido. 7. Reporte y ruteo de resultados: Permite enviar los resultados de las mediciones a diferentes elementos de gestión de red. 8. Visualización de los procesos de medición actuales. Métodos de recolección de datos Los métodos de recolección de datos pueden ser clasificados de la siguiente forma 33: - Contador acumulativo: En este caso el elemento de red simplemente mantiene un conteo del evento de interés, por lo general el contador es reiniciado a un valor inicial, usualmente cero, al inicio de cada periodo. - Variable dinámica: Utilizado cuando el dato de medición es susceptible a variaciones, o sea, puede aumentar o disminuir en cada período de medición. Estos indicadores pueden ser valores enteros o reales. 111 - Registro de evento discreto: En éste se capturan los datos relacionados con un evento en particular y se captura cada uno de los ‘n’ eventos, siendo ‘n’ un número igual o mayor a uno. - Inspección de estatus: Son contadores internos de los elementos de red utilizados para la gestión de sus propios recursos. Usualmente la frecuencia de la lectura de dichos contadores se basa en la variación esperada del valor del contador. Estas mediciones solamente tendrán validez al final de cada período de medición. Identificación de contadores Cada medición debe tener un identificador único que la identifique dentro de un objeto de la red. Para cada contador se debe tener la descripción de su uso y en cuál elemento de la red se genera. Es conveniente que la identificación de los contadores se asigne utilizando nombres y términos estandarizados, de tal forma que faciliten su identificación y su relación con los elementos de red. La 3GPP establece en la especificación TS 32.403 una convención para nombrar algunos contadores asociados a diferentes procesos de conexión y en general los fabricantes siguen esa especificación al menos para la identificación de los contadores básicos. 5.2.2 Indicadores Clave de Desempeño Por definición, un Indicador de Desempeño es una medición que da información sobre un elemento de red, un proceso o una función dentro del elemento de red o un subsistema de dicha red; por lo tanto, un KPI (por sus siglas en inglés, Key Performance Indicator) es una importante medida de desempeño a ser evaluada. Los KPI pueden ser mediciones individuales, aunque es el caso menos frecuente, en general se obtienen al aplicar fórmulas matemáticas compuestas de mediciones o contadores de red. La gran cantidad de contadores podría generar problemas al momento de revisar y entender el estado real de la red, y es por esa razón que estos contadores se compilan a indicadores útiles utilizando diferentes ecuaciones. En éste último caso se les llama contadores lógicos. La 3GPP ha realizado un trabajo extenso para definir un conjunto uniforme de medidas que deben ser extraídas de los elementos de red indistintamente del fabricante. Por ejemplo: intentos de establecimiento de la Portadora de Acceso de Radio (RAB, por sus siglas en inglés) para el dominio de conmutación de circuitos o paquetes, establecimientos exitosos RAB con y sin cola en ambos dominios y establecimientos fallidos con y sin cola en estos 112 dominios, entre otros. Además de las mediciones relacionadas con las portadoras de radio, las hay relacionadas con el Control de Recursos de Radio (RRC, por sus siglas en inglés), gestión de movilidad (handover), estado de interfaces entre los elementos de red, entre otros. La siguiente ecuación define un contador lógico, el cual representa el porcentaje de éxito al establecer una portadora de voz. En la fórmula, el numerador es la suma de todos los establecimientos de portadora exitosos y el denominador es la suma de todos los intentos de establecimiento de las portadoras. 100 ⋅ ∑ RAB_establ ecimientos _exitosos_ voz ∑ RAB_intent os_estable cimientos_ voz Estos datos son obtenidos a partir de mediciones a nivel de celda, los cuales son cuantificados mediante los contadores correspondientes. La documentación de KPIs es muy importante, en especial a la hora de identificar qué es lo que se está cuantificando, ya que algunas veces se pueden presentar confusiones por terminología, es decir, se puede estar utilizando el mismo nombre para cosas semejantes o totalmente distintas. Típicamente, cada indicador de desempeño tiene código, nombre, descripción y una ecuación para su cálculo que son únicos. La siguiente tabla muestra algunos KPIs típicos. 113 Tipo KPI AMR 12.2 [Erlang] Tráfico Video llamada [Erlang] PS R99 DL Throughput (kbps) HSDPA DL Throughput (kbps) Tasa de éxito Establecimiento de conexiones RRC [%] Acceso Tasa de éxito Asignación RAB AMR [%] Tasa de éxito Asignación RAB Video Llamada [%] Tasa de éxito Asignación RAB PS [%] Tasa de éxito Soft Handover [%] Handover Tasa de éxito Hard Handover Inter-Frecuencia [%] Tasa de éxito Handover Inter-RAT CS [%] Tasa de éxito Handover Inter-RAT PS [%] Tasa Caída (corte) de llamadas AMR CS [%] Llamada Tasa Caída de Video llamadas [%] Tasa Caída Servicios PS [%] Tasa Interferencia de celda UL [%] Celda Tasa de acceso a celdas baja [%] Tasa de celdas congestionadas [%] Tasa de celdas con servicio no disponible [%] Tabla 5.1 Indicadores de desempeño típicos 5.2.3 Modelo de Optimización Basado en Mezclas de Tráfico A continuación se presenta una propuesta que establece los lineamientos generales de un modelo de optimización basado en el análisis del rendimiento de la red considerando las diferentes cargas o mezclas de tráfico que se presentan en un área o localidad de servicio específica. Se toma como referencia el lazo de optimización expuesto al inicio de la sección 5.2 (ver figura 5.1). 114 Etapa 1 Esta etapa consiste en la recolección de información sobre el diseño y configuración de la red: - Diseño de la red de radio y datos de desempeño. - Detalle de los sitios: posición, tipos de antenas, altura, inclinación eléctrica y mecánica de la antena, acimut, potencia, número de radios por sector, entre otros. - Diseño y configuración de los controladores. - Datos de cobertura. - Lista de celdas vecinas. - Parámetros de handover. - Planes de frecuencia y análisis de interferencia. Etapa 2 En la segunda etapa se deben obtener los datos correspondientes a las mediciones e indicadores sobre el funcionamiento de la red: - Mediciones de campo o drive test. - Estadísticas de operación y mantenimiento. - Recolección de contadores e indicadores de desempeño. - Revisión de alarmas. - Revisión de la percepción del servicio por parte de los clientes. Etapa 3 En esta parte del proceso se realiza el análisis de toda la información obtenida y con base en estos resultados se establece el modelo de tráfico actual de los sitios en estudio, el cual permitirá establecer un plan de acción para la implementación de las tareas de optimización en estos sitios. A continuación se muestra un caso hipotético que permite ejemplificar el procedimiento propuesto: 1- Distribución de tráfico por sitio según datos estadísticos Estos datos pueden obtenerse de los diferentes elementos de red, en particular de los controladores de radio que es donde se gestionan la mayoría de los recursos de la interfaz de aire. La siguiente tabla muestra la distribución de tráfico de acuerdo al servicio, estos 115 datos podrían representar la muestra de una celda o un conjunto de celdas o sitios específicos. Tiempo medio Servicio % Tráfico Voz 55 90 Video 2 120 Streaming 3 600 MMS 5 10 PoC 5 60 WAP 10 600 WEB 20 1200 de uso (s) Tabla 5.2 Distribución de tráfico 2- Definición de parámetros La definición de parámetros depende de los algoritmos utilizados para gestionar los recursos de radio, estos parámetros se basan básicamente en la definición de valores máximos, mínimos y medios asociados a métricas como: velocidad (bit rate), potencia, tiempos de asignación, inactividad y cola; así como también al establecimiento de umbrales de referencia para la ejecución de alguna funcionalidad. Parámetro THP1 THP2 THP3 THP4 Tasa de bit mínima permitida 8 kb/s 64 kb/s 32 kb/s 64 kb/s Tasa de bit máxima permitida 16 kb/s 64 kb/s 384 kb/s 384 kb/s Tiempo de inactividad 1s 1s 1s 20 s Tiempo en cola máximo 1s 1s 20 s 20 s Tiempo de asignación mínimo 1s 1s 20 s 20 s Tabla 5.3 Definición de parámetros de acuerdo a prioridades de tráfico 3- Asignación de prioridades y recursos de acuerdo con la clase de tráfico Como se expuso en el capítulo 3, cada servicio es mapeado o clasificado en diferentes clases de tráfico de acuerdo con sus características y a la vez, a estas clases se les asignan otros parámetros que permiten asignar prioridades para la asignación de recursos, por lo 116 tanto, en este punto es donde se debe hacer la distribución correspondiente según los datos de tráficos obtenidos en cada sitio en particular. En esta etapa puede ser de gran utilidad tener a disposición una herramienta de simulación de tráfico con funcionalidades relacionadas con el aprovisionamiento de calidad de servicio, de tal forma que se puedan evaluar preliminarmente los efectos que podrían generar los cambios propuestos sobre el rendimiento de la red. Clases de tráfico y Prioridades Servicio Tasa de bit (kb/s) Conversacional CS Voz 12.2 Video 64 Video 64 THP1 PoC 0, 8, 16, 32, 64 THP2 Streaming 0, 64, 128 THP3 WAP/MMS 0, 64, 128, 144, 256, 384 WEB 0, 64, 128, 144, 256, 384 Streaming PS Interactivo PS Background PS THP4 Tabla 5.4 Clases de tráfico y prioridades de servicio 4- Configuración y modificación de parámetros Con base en el modelo establecido se pueden iniciar las tareas de configuración y modificación de parámetros en los elementos de red correspondientes, es recomendable realizar los cambios de forma paulatina y escalonada de tal forma que se pueda comprobar que los cambios realizados generan la mejora esperada sobre el rendimiento de la red. Como se mencionó anteriormente, el caso expuesto es un ejemplo que establece una guía para implementar un proceso de optimización basado en la gestión de recursos de radio, considerando las mezclas de tráfico que se presentan en diversos escenarios, de tal forma que se logre mejorar el rendimiento de la red a través de un uso eficiente de los recursos disponibles. Es importante resaltar que esto puede ser un proceso complejo, el cual requiere un constante seguimiento o monitoreo con el fin de alcanzar resultados satisfactorios que contribuyan con la calidad de los servicios ofrecidos por los operadores de telefonía móvil. 117 CAPÍTULO 6: Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones En un sistema celular donde todas las conexiones utilizan una misma frecuencia, el número de usuarios simultáneos incide directamente sobre los niveles de ruido aceptables por los receptores. Por esta razón, en el caso de redes UMTS, las fases de planificación de cobertura y capacidad no pueden estar separadas. El equilibrio entre la capacidad y la cobertura de la red es esencial para proporcionar servicios con un nivel de calidad que se ajuste a las exigencias de los diferentes segmentos del mercado, por lo tanto los operadores de telecomunicaciones deben establecer procedimientos que les permitan realizar una gestión eficaz y eficiente de los recursos disponibles y que a la vez les permita visualizar los cambios que deben realizarse a futuro, ya sea por la inclusión de nuevos servicios o por el incremento en la cantidad de usuarios de la red. Los algoritmos de Gestión de Recursos de Radio son necesarios para controlar diversos factores que afectan directamente la calidad de servicio en la red, por lo tanto, el manejo de los recursos disponibles debe asociarse a diferentes requerimientos de calidad según el tipo de servicio, tal y como lo estable la especificación elaborada por el 3GPP; sin embargo, es el operador quien tiene la responsabilidad de implementar y gestionar los mecanismos y funciones de control sobre su red, con el fin de proveer calidad de servicio a sus clientes. Existe una relación directa entre las funciones de Control de Handover y Control de Potencia, debido a que la ganancia del Soft Handover depende de la eficiencia con que se realice el Control de Potencia; es decir, entre menor sea la diferencia de potencia entre los enlaces que sirven al UE, mayor será la ganancia del Soft Handover. Para los servicios clasificados como tráfico en tiempo no real, es muy importante controlar la tasa efectiva de transmisión y los retardos que se presentan durante esta, por lo tanto, para la fase de planificación se requiere tener suficiente conocimiento del 118 comportamiento de los usuarios con respecto al uso de estos servicios, con el fin de implementar de forma eficaz las funcionalidades que gestionan los recursos de radio asignados a este tipo de tráfico. La combinación de diversos factores según los requerimientos de calidad de los servicios ofrecidos sobre redes de tercera generación (UMTS), hacen que sea necesario que los elementos de red utilicen algoritmos de gestión de recursos de radio para garantizar la calidad del servicio y maximizar el rendimiento del sistema. El tratamiento adecuado de los datos obtenidos de los diferentes elementos de red, permite la localización de zonas con problemas de funcionamiento por razones de configuración, cobertura, capacidad o interferencia, los cuales son reflejados en indicadores de desempeño que permiten tener una idea más clara del funcionamiento integral de la red. Estudiando la evolución temporal de ciertos parámetros y extrapolando valores al mediano plazo es posible prever posibles problemas futuros y anticiparse a ellos tomando las decisiones adecuadas, como es la reconfiguración de la red o la ampliación de su capacidad. El proceso de optimización forma parte de las diferentes fases de evolución de la red, debido a que la red experimenta cambios constantes asociados a las variaciones de capacidad y cobertura generadas tanto por el comportamiento de los usuarios como por el crecimiento de la red. Un operador debe tomar las decisiones de negocio sin descuidar los aspectos relacionados con la Calidad de Servicio, ya que debe mantener un equilibrio entre los gastos de operación (OPEX) y los gastos de inversión (CAPEX) asociados a cualquier actualización o extensión de la red. 119 Recomendaciones Se debe realizar un trabajo que permita identificar zonas de alto tráfico y a la vez permita clasificar los porcentajes de mezclas de tráfico se presentan en los diferentes sectores o sitios de la red, lo cual permitirá determinar si el dimensionamiento de la red y la asignación de recursos responde a las necesidades de estos sitios. En primera instancia deben seleccionarse los sitios donde se presentan mayores problemas con respecto a la calidad de servicio, esto con el fin de ir delimitando las primeras acciones correctivas para mejorar la prestación del servicio. Debe establecerse un proceso de optimización dinámico que permita adaptarse a las condiciones variables del entorno, debido a que este puede verse afectado por diversos factores en diferentes periodos de tiempo. Es importante establecer procedimientos para la revisión y el análisis continuo de los datos obtenidos tanto en las pruebas de campo (drive test), como en las estadísticas generadas en los diferentes elementos de red, ya que estos datos contienen la información necesaria para identificar qué cambios deben realizarse a nivel de configuración de red; los cuales pueden incluir la activación o desactivación de alguna funcionalidad en específico o la modificación de alguno de los parámetros que actualmente están establecidos. Los estudios sobre el funcionamiento de la red deben incluir un análisis de interferencia, ya que este problema afecta directamente la estabilidad del sistema y consecuentemente la calidad con que se ofrecen los servicios, en mayor medida sobre los servicios de datos. Es importante indicar que estas recomendaciones se basan en consideraciones generales, debido a que no se refieren a algún caso en particular. Por lo tanto, al momento de estudiar y analizar un caso real, las recomendaciones pueden ser muy variadas pero a la vez específicas, cuyo objetivo será la corrección de condiciones anómalas o no deseadas dentro del funcionamiento de la red para mejorar la calidad de los servicios. 120 BIBLIOGRAFÍA [1] Holma, H. y Toscala, A. (2004). WCDMA for UMTS. Chichester, Inglaterra: John Wiley & Sons, Ltd. [2] Lempiäinen, Jukka. y Manninen, Matti. (2003). UMTS Networking Planning, Optimization and QoS Management. New York: Kluwer Academic Publishers. [3] Soldani, David; Li, Man y Cuny, Renaud. (2006). QoS and QoE Management in UMTS Cellular Systems. Chichester, Inglaterra: John Wiley & Sons, Ltd. [4] Laiho, Jaana.; Wacker, A. y Novosad, T. (2006). Radio Network Planning and Optimization for UMTS. Chichester, Inglaterra: John Wiley & Sons, Ltd. [5] Lloyd-Evans, Robert. (2002). QoS in Integrated 3G Networks. Norwood, Massachusetts: Artech House, Inc. [6] Rappaport, T. (2002). Wireless communications: principles and practice. Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. [7] Viterbi, A. (1995). CDMA: principles of spread spectrum communication. New York: AddisonWesley. [8] UIT-T (2004). Manual: Calidad de servicio y calidad de funcionamiento de la red. [9] UIT-T (2001). Calidad de servicio en las comunicaciones: Marco y definiciones. Autor. [10] UIT-T (1995). Términos y definiciones relativos a la calidad de servicio y a la calidad de funcionamiento de la red, incluida la seguridad de funcionamiento. Recomendación E.800. [11] 3GPP (2010). TS 25.331, v6.25.0, Radio Resource Control (RRC). [12] 3GPP (2007). TS 23.107, v7.0.0, QoS Concept and Architecture. [13] 3GPP (2007). TS 23.207, v7.0.0, End-to-end QoS Concept and Architecture. [14] 3GPP (2007). TS 23.002, v5.0.1, Network Architecture. [15] 3GPP (2008). TS 25.211, v7.5.0, Physical Channels and mapping of transport channels onto physical channels (FDD). [16] 3GPP (2007). TS 25.301, v7.3.0, Radio Interface Protocol Architecture. [17] 3GPP (2007). TS 25.302, v7.5.0, Services provided by the Physical Layer. [18] 3GPP (2008). TS 25.213, v7.4.0, Spreading and modulation (FDD). [19] 3GPP (2003). TS 25.433, v6.0.0, UTRAN Iub interface NBAP signalling. [20] 3GPP (2005). TS 32.403, v6.9.0, Performance measurements - UMTS and combined UMTS/GSM. [21] Huawei (2011). Fundamentos de Telefonía Inalámbrica 3G. [22] Ericsson (2006). WCDMA Overview. [23] Ericsson (2006). WCDMA Radio Network Functionality. 121
