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• Gino Román Cisneros

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DIMENSIONAMIENTO DE UNA RED LTE PARA BRINDAR UN SERVICIO PUBLICO EN LA BANDA DE ACCESO DE 2.5 GHZ. CURSO: FORMULACION DE PROYECTOS

ROJAS SALAZAR JHONATAN ANTONIO SANDOVAL RODRIGUEZ EDISON CHRISTOPHER

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INDICE

I. II. III. 1.

INTRODUCCION RESUMEN OBJETIVOS MARCO TEORICO A. Evolución de la Red Móvil de Acceso B. Importancia de las Redes Inalámbricas C. El Valor del Espectro Radioeléctrico para la sociedad D. Long Term Evolution (LTE). E. Especificaciones de LTE: F. Arquitectura del Sistema LTE G. Técnicas de Modulación: H. Técnica MIMO (Multiple Input Multiple Output I. Bloque de recursos del LTE J. Canales utilizados en LTE K. Banda de 2.5GHz DIAGRAMA GENERAL DE LA RED SISTEMA DE ACCESO, TRANSPORTE, CONMUTACION Y GESTION DE RED UBICACION BANDAS DE FRECUENCIAS ESTUDIO DE TRAFICO 6.1. Bloque de recursos de Lte (RB) 6.2. Cálculo teórico de la velocidad de pico bruto en Mbits/s del enlace descendente. 6.3. Características típicas de los equipos 6.4. Cálculo del Link Budget para DL 6.5. Cálculo del Link Budget para UL 6.6. Cálculo del radio de cobertura UL 6.7. Cálculo de modulaciones y sensibilidad para cada modulación 6.8. Resultados Del Link Budget 6.9. Capacidad útil de cada celda en un eNodoB 6.10. Capacidad Requerida RELACION DEL EQUIPAMENTO A INSTALAR METAS DE USO DEL ESPECTRO RADIOELECTRICO PLAN DE COBERTURA CRONOGRAMA DE INSTALACION DURANTE EL PRIMER AÑO INVERSION DETALLADA 11.1 Inversión durante el primer año 11.2 Inversión durante los cinco primeros años de operación ESPECIFICACIONES TECNICAS DE LOS EQUIPOS CONCLUSIONES

2. 3. 4. 5. 6.

7. 8. 9. 10. 11.

12. 13.

BIBLIOGRAFIA

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I.

INTRODUCCIÓN

La empresa Telecable Siglo XXI elabora el siguiente perfil de proyecto técnico, con la finalidad de obtener la concesión única del servicio de telefonía móvil LTE. Dicho servicio, estará proyectado para ser brindado en la Provincia de Lima y La Provincia Constitucional del Callao, en la banda de acceso de 2.5 GHz. Esta nueva tecnología se implementará como complemento a su red existente, ya que Telecable Siglo XXI es una empresa de telecomunicaciones con años en el mercado nacional, que viene brindando servicio de telefonía móvil 2G y 3G. Inmediatamente después de obtener la concesión, se tramitara la autorización (valor añadido con red propia) para brindar el servicio de conmutación de datos por paquetes. Los cambios más significativos se darán en la red de acceso y en el centro de conmutación, en cuanto a la red de transporte, esta no sufrirá variaciones considerables ya que posee una infraestructura de red de transporte de alta capacidad con soporte para LTE. La banda de acceso de 2.5 GHz se usara para el servicio de valor añadido (Internet) de alta velocidad para dispositivos móviles, los demás servicios de telefonía móvil seguirán utilizando el sistema 2G y 3G en las bandas que vienen operando hasta ahora, para esto se actualizarán las estaciones bases y se contara con nuevas redes de acceso como el eNodoB el cual tendrá una configuración Multi-Mode para albergar a las tres tecnologías juntas. Para la actualización de la red se utilizara equipos marca Huawei ya que al criterio de Telecable Siglo XXI, esta, proporciona soluciones de vanguardia y específicas que van acorde al modelo planeado por la empresa.

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II.

RESUMEN

Este trabajo consiste en el dimensionamiento de una red Lte para brindar el servicio de valor añadido (internet) en la banda de acceso de 2.5 GHz en la Provincia de Lima y la Provincia del Callao por parte de la empresa Telecable Siglo XXI. En la actualidad Telecable Siglo XXI cuanta con la asignación de dos bloques del espectro radioeléctrico (2500 MHz-2536 MHz/ 2590 MHz- 2614 MHz), se usara el segundo bloque para desplegar la red LTE-TDD en la frecuencia de 2592 MHz-2612MHz con un ancho de banda de 20 MHz. Dicha empresa acondicionara su red, que actualmente brinda el servicio de telefonía móvil 2G y 3G, para que pueda brindar el servicio Lte. Esta nueva estructura Lte consta de una red de acceso denominada E- UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) y una nueva arquitectura del centro conmutación denominada EPC (Evolved Packet Core).

El nuevo centro de conmutación (EPC) se ubicara en la sede central de la empresa Telecable Siglo XXI, en el cruce de las avenidas Naranjal con Túpac Amaru en el distrito de Comas. Además, en este trabajo, se detallara las características técnicas y operativas del sistema a instalar, las bandas de frecuencias a utilizarse, el estudio de tráfico, las metas de uso del espectro radioeléctrico, el plan de cobertura, el cronograma de instalación y la inversión detallada de todo el proceso de acondicionamiento.

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III.

OBJETIVOS

Actualmente Perú, como el resto del mundo, requiere una gestión eficiente del espectro radioeléctrico siendo esto fundamental para llevar a la población los beneficios que genera el avance tecnológico. Es por eso que la banda de 2.5GHz es la única que podría convertirse en la banda común a nivel mundial para los servicios comerciales de banda ancha móvil. Por lo mencionado, este proyecto tiene como objetivo desarrollar el dimensionamiento y planificación de la red, para dar conectividad a través de la banda ancha inalámbrica a los distritos de Comas e Independencia, y así mas adelante dar este servicio a todo Lima y Callao.

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1. MARCO TEORICO A. Evolución de la Red Móvil de Acceso: En los últimos años se experimenta una demanda creciente de servicios heterogéneos a través de Red. Típicamente, estos nuevos servicios acaparan gran cantidad de recursos. Su despliegue lleva aparejada la evolución tecnológica de la red (troncal y de acceso) junto a la aparición de terminales de usuario más potente. Esta evolución es especialmente apreciable en el entorno de las redes móviles (3G). La ubicuidad y mejoras en los modelos de tarificación que ofrecen estas redes para servicios de voz y datos provocan que su uso no se restrinja únicamente a terminales de última generación, estando esta opción disponible en gran variedad de dispositivos portátiles o como conexión auxiliar en el hogar. El incremento de tráfico implica la necesidad de nuevas tecnologías para resolver las limitaciones de capacidad en la red de acceso móvil. En la actualidad dos tecnologías compiten en el acceso inalámbrico en redes 4G, WiMAX y LTE (Long Term Evolution). LTE es la evolución natural de las redes de 3G y 3.5G actuales. Se asienta sobre IP para servicios de voz y datos, favoreciendo la integración de todo tipo de servicios en situación de movilidad y la conmutación entre tecnologías diferentes. En comparación directa con HSPA (3.5G), LTE propone cambios a nivel físico, enlace y estructurales. En LTE se reduce el coste por bit adoptando OFDMA en el canal de bajada y una variante de esta que reduce el consumo para el enlace de subida. El incremento en las tasas de la red de acceso van acompañados de reducción de retardos en la red de transporte mejorando la ejecución de protocolos como TCP. LTE no utiliza ciertos nodos de la red actual 3G y actualiza el resto para acercar las retransmisiones al entorno radio y establecer puntos de anclaje único en la red de acceso para favorecer la movilidad intercelular. Los cambios necesarios para el despliegue de LTE sobre redes 3G actuales son mínimos y pueden ser aplicados gradualmente. Esta propiedad la convierte en la apuesta mayoritaria de operadores y fabricantes de móviles para la evolución de las redes a 4G. A la par que LTE, HSPA continúa su evolución para mejorar las prestaciones en la tasa de pico de los usuarios con buena señal. Los operadores con la red 3.5G desplegada se encuentran con la disyuntiva de si aplicar las mejoras de HSPA+ o adoptar directamente LTE. En operadores donde solo la red 2G está desplegada el salto a LTE será más inmediato. Fabricantes como Huawei y Samsung entre otros han sacado a la venta sus primeros prototipos de chips con LTE que podrán ser utilizados en las primeras redes híbridas GSM/LTE de Suecia. B. Importancia de las Redes Inalámbricas En los últimos años, han surgido tecnologías inalámbricas que son un medio alternativo para ofrecer al usuario el servicio de banda ancha. Estas tecnologías tienen la gran ventaja frente a las alámbricas, de que no requieren que el operador abra zanjas dentro de las ciudades y tenga que obtener los derechos de vía para instalar una conexión física al usuario, lo que permite al operador reducir costos fijos y tiempo en el despliegue de la red. Esta reducción de costos y tiempo puede ser significativa si se considera que los costos relacionados con la ingeniería civil en una red alámbrica, que incluye las actividades de excavación, instalación de ductos, postes y cable, y obtención de derechos de vía, representan entre 30% y 80% de los gastos de capital en una red. De acuerdo con Raghunathan (2005), el costo por suscriptor de una red alámbrica llega a ser tres veces mayor al costo por suscriptor de una red inalámbrica. Otra ventaja que ofrecen las tecnologías inalámbricas es la posibilidad de ofrecer movilidad en los servicios. Los consumidores demandan cada vez más una mayor flexibilidad en cuanto al lugar y momento en que pueden acceder a los servicios de telecomunicaciones contratados. Esta tendencia en la preferencia de los consumidores puede ser mejor satisfecha a través de redes inalámbricas. Debido a las ventajas que ofrecen las tecnologías inalámbricas, las redes

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basadas en estas tecnologías han presentado un acelerado crecimiento en los últimos años, lo cual puede evidenciarse con el crecimiento que han tenido los usuarios móviles a nivel mundial en comparación con el de los usuarios fijos.

C. El Valor del Espectro Radioeléctrico para la sociedad El espectro radioeléctrico es un bien del dominio público que utilizan operadores de los servicios de telecomunicaciones fijos y móviles. Estos servicios compiten directa y/o indirectamente con los servicios prestados por los operadores de redes alámbricas. De hecho, las redes inalámbricas tienen actualmente un valor mucho más alto que el de las redes alámbricas. Como se señaló en el apartado anterior, los servicios que utilizan el espectro radioeléctrico ya generan el 66% de los ingresos del sector telecomunicaciones y medios de comunicación, los cuales representaron en el 2009 el 4.2% del PIB. Desde el punto de vista de los concesionarios (inversionistas), el valor del espectro depende del retorno a la inversión que pueden obtener en el mercado por la oferta de servicios de telecomunicaciones (su beneficio es llamado el excedente del productor). Desde el punto de vista de la sociedad, el valor del espectro proviene de los beneficios que obtienen los consumidores, el sector productivo y los gobiernos por los servicios prestados por medio del espectro. Si bien, existen beneficios directos, por ejemplo, en términos de generación empleo, inversión y ampliación de la base gravable para la recaudación de impuestos de las empresas que tienen concesionado el espectro, existen otros indirectos que mejoran la calidad de vida de la población (e.g. salud, educación) e incrementan la productividad y competitividad de los sectores en la economía. Cabe destacar que estos beneficios se incrementan en la medida que se explota intensivamente el espectro y los servicios producidos son accesibles por toda la población. El valor social por la explotación del espectro incluye:  El excedente del productor (ingresos menos costos de la oferta de servicios de telecomunicaciones de los concesionarios de espectro).  El excedente del consumidor (diferencia entre la valoración del servicio por parte de los consumidores y lo que pagan por dicho servicio).  Los beneficios asociados a los ingresos por la contraprestación pagada al gobierno por la concesión del uso del espectro.  Los beneficios económicos asociados a una mayor actividad y competitividad del país, así como los que se obtienen de la mejora en la calidad de vida de los ciudadanos.

D. Long Term Evolution (LTE) LTE (Long Term Evolution) que en español significa Evolución a largo plazo, también denominado como sistema de comunicaciones móviles de Cuarta Generación 4G. Fue estructurado por 3GPP (Proyecto Asociación de Tercera Generación), motivados por la necesidad de garantizar la continuidad de la competitividad del sistema 3G, como solución a la demanda de los usuarios por mayores velocidades de datos y calidad del servicio. LTE provee mayor eficiencia de operación en el tráfico de datos, ofreciendo así una mayor velocidad en la transmisión de datos teóricamente de hasta 100 Mbps en el enlace descendente y 50 Mbps en el enlace ascendente. Presentando una menor latencia a comparación de las tecnologías HSDP, UMTS y GSM. Este sistema de LTE posee una red plana basada en IP, que permite una mayor escalabilidad en la red de acceso y centro de conmutación. Esta nueva estructura LTE consta de una red de acceso denominada E- UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) y una nueva

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arquitectura del centro conmutación denominada EPC (Evolved Packet Core) o llamado también centro de conmutación. Características generales de LTE En este apartado se muestran las características generales de LTE  El sistema móvil de LTE proporciona velocidades máximas de transmisión de 100Mbps en enlaces descendente(DL) y 50Mbps en el enlace ascendente(UP)  LTE dispone de varias bandas de frecuencias en modo FFD y TDD.  Permite la opción de trabajar con diferentes anchos de banda variables: 1.4MHz, 3MHz, 5MHz, 10MHz, 15MHz y 20 MHZ.  Utiliza dos técnicas de acceso múltiple el cual mejora la eficiencia espectral 2 con respecto a sistemas anteriores 3GPP. Estas son OFDM para el enlace descendente y SC-FDMA para el enlace ascendente.  Introduce la tecnología MIMO para aumentar la capacidad de cobertura en su sistema.  Utiliza varios tipos de modulación en función del estado del canal del radio, que permitirán obtener diferentes velocidades. Estas modulaciones son QPSK, 16 QAM Y 64 QAM.  Presenta un retardo de latencia de 10ms.  Arquitectura basada en IP.  Presenta un sistema con facilidad de escalabilidad.

E. Especificaciones de LTE: Si bien en el mundo han subsistido hasta ahora las tecnologías 3G (3rd generation) gestionadas por los dos grupos, 3GPP Y 3GPP2, se observa que con la entrada a la 4G (fourth generation), aunque existen las dos tecnologías respectivas, LTE y UMB (Ultra Mobile Broadband), la primera está liderando las expectativas del mercado, por lo que se supone que la UMB no verá finalmente el servicio comercial. LTE es una tecnología definida como un nuevo concepto de arquitectura evolutiva hacia la 4G, como la actualización de la precedente tecnología UMTS. LTE no es un estándar definido, se entiende como una nueva tecnología capaz de integrar lo mejor de GSM, GPRS, UMTS y HSPA (High-Speed Packet Access), incluso con una mejora de rendimiento, dado el empleo de tributos antes no usados. Presenta dentro de sus principales premisas proveer una alta tasa de tráfico y baja latencia. La interfaz y la arquitectura de radio del sistema LTE completamente nueva, propone la prestación de servicios mediante la técnica de conmutación de paquetes IP, soportando además la movilidad de los mismos. La arquitectura está conformada por un CN y la E-UTRAN. El sistema presenta flexibilidad ante el uso del espectro, dado sus dos posibles sistemas de transmisión de doble cara, FDD y TDD, posee tecnologías de acceso de radio OFDMA para el DL (Downlink) y SCFDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) para el UL (Up link) y una tecnología de aprovechamiento de la diversidad espacial MIMO (Multiple Input Multiple Output). LTE trabaja en un rango de bandas de frecuencias que comprenden entre los 800 MHz y 3.5 GHz. Posee también diferentes anchos de bandas, regulados en los 1.4, 3, 5, 10, 15 y 20 MHz. El radio de la célula LTE alcanza los 5 Km y puede contener más de 200 usuarios para 5 MHz de ancho de banda y más de 400 para 20 MHz de ancho de banda.

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F. Arquitectura del Sistema LTE Atendiendo a la arquitectura general de los sistemas 3GPP, en la figura 1 se muestra de forma simplificada la arquitectura completa del sistema LTE, denominado formalmente en las especificaciones como EPS. Los componentes fundamentales del sistema LTE son, por un lado, la nueva red de acceso E-UTRAN y el nuevo dominio de paquetes EPC de la red troncal y por otro, la evolución del subsistema IMS concebido inicialmente en el contexto de los sistemas UMTS. Los diferentes componentes han sido diseñados para soportar todo tipo de servicios de telecomunicaciones mediante mecanismos de conmutación de paquetes, por lo que no resulta necesario disponer de un componente adicional para la provisión de servicios en modo circuito (en el sistema LTE los servicios con restricciones de tiempo real se soportan también mediante conmutación de paquetes). En este sentido, EPC constituye una versión evolucionada del sistema GPRS. La red de acceso E-UTRAN y la red troncal EPC proporcionan de forma conjunta servicios de transferencia de paquetes IP entre los equipos de usuario y redes de paquetes externas tales como plataformas IMS u otras redes de telecomunicaciones como Internet. Las prestaciones de calidad de servicio (tasa de datos en bits/s, comportamientos en términos de retardos y pérdidas) de un servicio de transferencia de paquetes IP puede configurarse sobre la base de las necesidades de los servicios finales que lo utilicen, cuyo establecimiento (señalización) se lleva a cabo a través de plataformas de servicios externas (IMS) y de forma transparente a la red troncal EPC. Formalmente, el servicio de transferencia de paquetes IP ofrecido por la red LTE entre el equipo de usuario y una red externa se denomina servicio portador EPS (EPS Bearer Service). Asimismo, la parte del servicio de transferencia de paquetes que proporciona la red de acceso E-UTRAN se denomina ERAB (E-UTRAN Radio Access Bearer). En la figura 1.1 se muestran las principales interfaces de E-UTRAN y EPC. La interfaz entre EUTRAN y EPC se denomina S1 y proporciona a la EPC los mecanismos necesarios para gestionar el acceso de los terminales móviles a través de E-UTRAN. La interfaz radio entre los equipos de usuario y E-UTRAN se denomina E-UTRAN U. Por otro lado, las plataformas de servicios como IMS y la conexión a redes de paquetes externas IP se llevan a cabo mediante la interfaz SGi de la EPC. La interfaz SGi es análoga a la interfaz Gi definida en las redes GPRS/UMTS y constituye el punto de entrada/salida al servicio de conectividad IP proporcionado por la red LTE (los terminales conectados a la red LTE son visibles a las redes externas a través de esta interfaz mediante su dirección IP). Los mecanismos de control de los servicios de transporte ofrecidos por EPC se sustentan en información proporcionada por otros elementos de la red troncal que no son exclusivos del sistema LTE sino que pueden dar soporte también a otros dominios de los sistemas 3GPP. En la figura 1.1 se muestran algunos de estos elementos comunes entre los que, a modo de ejemplo, se encuentra la base de datos del sistema con la información de suscripción de sus usuarios.

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Figura 1.1: Arquitectura de los Sistemas LTE

Otra característica fundamental del sistema LTE es que contempla también el acceso a sus servicios a través de UTRAN y GERAN así como mediante la utilización de otras redes de acceso que no pertenecen a la familia 3GPP (CDMA2000, Mobile WiMAX, redes 802.11, etc.). La interconexión de las redes de acceso alternativas se soporta a través de un conjunto de interfaces de la EPC. Finalmente, aunque no está reflejado en la figura 1.2, es importante destacar que la interconexión de los diferentes equipos físicos donde se ubicarían las funciones tanto de la red troncal EPC como de la red de acceso E-UTRAN, se realiza mediante tecnologías de red basadas en IP. De esta forma, la red física que se utiliza para interconectar los diferentes equipos de una red LTE, y que se denomina comúnmente como red de transporte, es una red IP convencional. Por tanto, la infraestructura de una red LTE, además de los equipos propios que implementan las funciones del estándar 3GPP, también integra otros elementos de red propios de las redes IP tales como routers, servidores DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) para la configuración automática de las direcciones IP de los equipos de la red LTE y servidores DNS (Domain Name Server) para asociar los nombres de los equipos con sus direcciones IP.

F.1. Red de acceso evolucionada ( E-UTRAN) La arquitectura de la red de acceso se compone de una única entidad de red denominada evolved Node B (eNB) que constituye la estación base de E-UTRAN. Por tanto, la estación base E-UTRAN integra toda la funcionalidad de la red de acceso, a diferencia de las redes de acceso de GSM y UMTS compuestas por estaciones base y equipos controladores. Como se muestra en la figura 1.2, una red de acceso E-UTRAN está formada por eNBs que los proporcionan la conectividad entre los equipos de usuario y la red troncal EPC. Un eNB se comunica con el resto de elementos del sistema mediante tres interfaces: E-UTRAN Uu, S1 y X2.

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Figura 1.2: Red de acceso E-UTRAN

La interfaz E-UTRAN Uu, también denominada LTE Uu o simplemente interfaz radio LTE, permite la transferencia de información por el canal radio entre el eNB y los equipos de usuario. Todas las funciones y protocolos necesarios para realizar el envío de datos y controlar la operación de la interfaz E-UTRAN Uu se implementan en el eNB. El eNB se conecta a la red troncal EPC a través de la interfaz S1. Dicha interfaz está desdoblada en realidad en dos interfaces diferentes: S1-MME para sustentar el plano de control y S1-U como soporte del plano de usuario. Así pues, el plano de usuario de una interfaz se refiere a la torre de protocolos empleada para el envío de tráfico de usuario a través de dicha interfaz (paquetes IP del usuario que se envían entre E-UTRAN y EPC a través de S1-U). Por otro lado, el plano de control se refiere a la torre de protocolos necesaria para sustentar las funciones y procedimientos necesarios para gestionar la operación de dicha interfaz o de la entidad correspondiente. Esta separación entre plano de control y plano de usuario en la interfaz S1 permite realizar la conexión del eNB con dos nodos diferentes de la red troncal. Así, mediante la interfaz S1-MME, el eNB se comunica con una entidad de red de la EPC encargada únicamente de sustentar las funciones relacionadas con el plano de control (dicha entidad de red de la red troncal EPC se denomina MME (Mobility Management Entity). Por otra parte, mediante la interfaz S1-U, el eNB se comunica con otra entidad de red encargada de procesar el plano de usuario (dicha entidad de red de la EPC se denomina S-GW (Serving Gateway)). Esta separación entre entidades de red dedicadas a sustentar el plano de control o bien el plano de usuario es una característica importante de la red LTE que permite dimensionar de forma independiente los recursos de transmisión necesarios para el soporte de la señalización del sistema y para el envío del tráfico de los usuarios. Opcionalmente, los eNBs pueden conectarse entre sí mediante la interfaz X2. A través de esta interfaz, los eNB se intercambian tanto mensajes de señalización destinados a permitir una gestión más eficiente del uso de los recursos radio (información para reducir interferencias entre eNBs) así como tráfico de los usuarios del sistema cuando estos se desplazan de un eNB a otro durante un proceso de handover.

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Evolved NodeB (eNB):

Como se ha comentado anteriormente, en la descripción general de la arquitectura de E-UTRAN, el eNB integra todas las funciones de la red de acceso. Por ello, en el eNB terminan todos los protocolos específicos de la interfaz radio. Mediante dichos protocolos, el eNB realiza la transmisión de los paquetes IP hacia y desde los equipos de usuario junto con los mensajes de señalización necesarios para controlar la operación de la interfaz radio. El servicio de transferencia de paquetes IP entre un eNB y un equipo de usuario se denomina formalmente como servicio portador radio RB (Radio Bearer). El eNB mantiene un contexto de cada uno de los equipos de usuario que tiene (información sobre el estado del equipo de usuario, servicios portadores activos, información de seguridad, capacidades del terminal, etc.). Sin duda, la funcionalidad clave de un eNB consiste en la gestión de los recursos radio. Así, el eNB alberga funciones de control de admisión de los servicios portadores radio, control de movilidad (Por ejemplo, decisión de realizar un handover), asignación dinámica de los recursos radio tanto en el enlace ascendente como descendente (denominadas funciones de scheduling), control de interferencias entre estaciones base, control de la realización y del envío de medidas desde los equipos de usuario que puedan ser útiles en la gestión de recursos, etcétera. Otra función importante introducida en la funcionalidad de un eNB es la selección dinámica de la entidad MME de la red troncal EPC cuando un terminal se registra en la red LTE. Esta función otorga un grado de flexibilidad muy importante en la operatividad de la red. En E-UTRAN, a diferencia de arquitecturas más jerarquizadas como GERAN o las primeras versiones de UTRAN, un eNB puede estar conectado simultáneamente a múltiples MMEs de la red troncal. El conjunto de MMEs a los que tiene acceso un NB se denomina su pool área. Así, mediante la selección de qué entidad MME va a controlar el acceso de cada usuario, es posible balancear la carga de señalización entre diferentes MMEs así como aumentar la robustez del sistema frente a puntos de fallo críticos. Esta opción se soporta mediante lo que se denomina la interfaz S1 flexible. Al igual que la posibilidad de interactuar con múltiples MMEs, un eNB puede enviar y recibir paquetes IP de los usuarios a los que sirve a través de diferentes pasarelas S-GW de la red troncal EPC. Ello conlleva que el eNB albergue funciones de encaminamiento del tráfico de los usuarios hacia la pasarela de red SGW correspondiente. La elección de S-GW en este caso compete a la entidad MME y no al eNB. Un eNB puede gestionar una o varias celdas. Un caso típico es el uso de sectorización de forma que, el eNB ubicado en un emplazamiento soporta tantas celdas como sectores.

F.2. Centro de Conmutación EPC (Evolved Packet Core) El centro de conmutación, denominada EPC se encarga de proporcionar servicio de conectividad IP para dar acceso a las distintas redes externas y plataformas de servicios. Se componen de entidades de MME (Mobility Management Entity), el S-GW (Serving Gateway) y el P-GW (Packet Data Network Gateway).

F.3. MME (Mobility Management Entity) Es la Entidad principal del plano de control de la red LTE, encargado de gestionar la movilidad dentro de la red (como la señalización entre el UE y EPC) realiza algunas de estas funciones:  Establece, mantiene y libera las portadoras.  Autenticación, gestiona el acceso de los terminales móviles a la red E-UTRAN asignándole una entidad MME a cada usuario con fines de autenticación y seguridad mediante mensajes paging y actualización del área de seguimiento (TAU).

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Mantiene el tanto sobre la información de la tarifación. Cifrado y protección de la integridad de los NAS de señalización (seguridad).

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Figura 1.3: Procedimiento de autenticación del usuario. Fuente: Adaptado de: Rumney, M. (2010). LTE and the Evolution to 4G Wireless Design and Measurement Challenges.

F.4. S-GW (Servering GateWay) Es la entidad que proporciona el servicio de puerta de enlace, gestiona el tráfico de paquetes IP de los usuarios en el enlace descendente. S-GW es el punto local de movilidad de los portadores de datos al momento que un UE esté en movimiento entre eNodoB, pueden dar servicio solo a una zona geográfica con un conjunto limitado de eNodoB además de que son capaces de conectarse a cualquier P-GW en toda la red.

F.5. P-GW (Packet Data Network Gateway) Es la entidad que se encargada de proporcionar conectividad entre la red LTE las redes externas, donde asigna una dirección IP al Equipo de Usuario (UE) mediante el protocolo DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol, es decir Protocolo de Configuración Dinámica de Host) para que así sea posible la comunicación con otros dispositivos IP en otras redes de la internet. La figura 4 muestra el gráfico de las distintas conexiones que se realizan con el MME, así como también las funciones de cada interfaz presente.

Figura 1.4: Conexiones MME a otros nodos lógicos y funciones principales.

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F.6. HSS (Home Subscription Server) Es un servidor de base de datos de suscripción de todos los usuarios de la red, almacena los registros de ubicación del Equipo de usuario, identificadores de servicio, información de seguridad y cifrado. Este servidor puede ser consultado o modificado por el MME, así como también almacenar las identidades de cada uno de los P-GW activos como se puede apreciar en la figura 1.4.

F.7. PCRF (Policy Control and Charging Rules Function) PCRF es el responsable del control de políticas y reglas de la función de carga, determina la manera de manejar los servicios de acuerdo a la calidad de los mismos, así como también se basa en las diferentes decisiones de control de flujo de información que provienen en el P-GW y S-GW. A continuación, la figura 5 presenta un esquema de conexión entre PCRF con el P-GW y S-GW.

Figura 1.5: Conexiones PCRF a otros nodos lógicos. Fuente: Toskala, H. H. (2009). LTE for UMTS: OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access. John Wiley & Sons Ltd.

F.8.INTERFACES DE LAS ENTIDADES Permiten la interconexión entre las diferentes entidades de la red, ya sea en la red de acceso, E-UTRAN y el EPC.  Interface de Radio (Uu/eNB)  Interfaz S1, S1-MME  Interfaz X2(eNB/eNB)  Interfaz SGi(P-GW/Internet)  Interfaz S5/S8(S-GW/P-GW)  Interfaz S11 (MME/S-GW)  Interfaz S10(MME/MME)  Interfaz S6a (MME/HSS)

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G. Técnicas de Modulación: Uno de los parámetros más importantes de LTE, en su enfoque multiportadora para el acceso múltiple, que se modulan sobre diferentes subportadoras que incluyan más o menos bits con el objetivo de incrementar la velocidad y aumentar el área de cobertura. LTE utiliza diferentes tipos de modulación como QPSK, 16QAM Y 64QAM que cada uno de los símbolos corresponde a 2bits, 4bits y 6 bits de información. El cual será determinado en el EnodoB de acuerdo a la posición del usuario.

Figura 1.6: Modulación adaptativa Fuente: Planificación de la red de radio LTE, Jyrki TJ Penttinen y Luca Fauro.

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OFDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal)

LTE utiliza esta técnica OFDMA en el enlace descendente para proporcionar múltiples accesos de los diferentes símbolos en una determinada modulación (QPSK o QAM) sobre un conjunto de sub portadoras. Divide el ancho de banda en varias sub portadoras de banda estrecha mutuamente ortogonales y así en la transmisión de cada símbolo se realice de manera paralela y una encima de otra, es decir que se superponen simultáneamente.

Figura 1.7: Espectro señal OFDM, Wireless Brodwan Network Esta técnica de acceso presenta las siguientes ventajas:    

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Diversidad de multiusuario Diversidad de Frecuencia Robustez frente al multitrayecto Flexibilidad en la banda asignada

Figura 1.8: Espectro señal OFDM, Wireless Brodwan Network

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SC-FDMA (Simple Carrier Frequency División Multiple Access)

SC-FDMA o también llamado Técnica de acceso múltiple por división de frecuencia de única portadora está dedicado para el enlace ascendente. Es lo mismo que hace OFDMA hasta cierto punto, divide el ancho de banda de la transmisión en múltiples sub portadoras (ortogonales entre ellas), pero la modulación se realiza independientemente por cada sub portadora combinando linealmente todos los símbolos de datos que se transmiten al mismo tiempo. Por lo tanto, en cada período de símbolo todas las sub portadoras de transmisión de una señal SCFDMA llevan cada símbolo de datos modulado, esto brinda a SC-FDMA su propiedad de una sola portadora fundamental. Esta técnica es más compleja que el OFDMA porque requiere de mayor señalización como la señal de referencia de sonido (SRS) que estima la calidad del canal en un bloque del espectro físico (BSR) a transmitir.

Figura 1.9: Gráfico de transmisión SC-FDMA. Fuente: “Uplink: SC-FDMA transmission Scheme”. http://ecee.colorado.edu 08 de octubre del 2015. http://ecee.colorado.edu/~ecen4242/LTE/radio.html

H. Técnica MIMO (Multiple Input Multiple Output) La técnica de múltiples antenas en sistemas de comunicaciones móviles, en LTE se puede emplear lo mencionado aplicando MIMO (Multiple Input Multiple Output) es decir múltiples entradas y múltiples salidas, realizando así las transmisiones de múltiples flujos de información mejorando la eficiencia espectral por encima de lo que se obtendría con la técnica de OFDMA. MIMO utiliza la propagación por trayectos múltiples que es la señal presente en todas las comunicaciones terrestres. En lugar de proporcionar interferencia entre sí, estos caminos se

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pueden utilizar con ventaja. Tanto el transmisor como el receptor tienen más de una antena y utilizando la potencia de procesamiento disponible en ambos extremos del enlace, son capaces de utilizar los diferentes caminos que existen entre las dos entidades para proporcionar mejoras en la velocidad de datos de señal a ruido. Con esto se puede lograr mejorar la velocidad de datos, así como también aumentar la cobertura sin recurrir a una mayor potencia (por parte de las antenas) o consumir más ancho de banda. Entre las configuraciones disponibles con esta técnica tenemos en LTE existe MIMO 1x1, 2x2, 3x2, 3x3, 4x2 o 4x4. Ahora, si dos canales ascendentes son ortogonales entonces con la técnica MIMO haría posible que dos usuarios, que usan un canal cada uno, puedan usar el mismo recurso de tiempo y frecuencia.

I.

Bloque de recursos del LTE

El bloque de recurso físico (PRB o solo RB) y toda la asignación de bloques de recursos físicos es manejado en la estación base eNodoB.  Una trama es de 10 ms y se compone de 10 subtramas.  Una subtrama es de 1 ms y contiene 2 slots.  Un slots es 0,5 ms en el dominio del tiempo y cada asignación de 0,5 ms puede contener bloques de recursos donde N, 6 Tasa de código meta: 0.4785 Modulación 64QAM -> Tasa de código meta: 0.7539

Para determinar la eficiencia expresada en Bits por símbolo, solo basta con multiplicar bits/símbolo en MIMO 2x2 por su tasa de código en cada modulación, tal como se muestra en la tabla siguiente:

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Eficiencia para las modulaciones QPSK, 16QAMy 64QAM medida en bits/símbolo para MIMO 2x2 Para obtener los nuevos valores de transferencia neta de datos, basta con realizar el mismo procedimiento que se realizó anteriormente para 20 MHz, los resultados se muestran en la siguiente tabla:

Tabla: Tasa pico eficiente con los diferentes tipos de modulación en enlace descendente.

MODULACIÓN QPSK 16QAM 64QAM

EFICIENCIA VELOCIDAD POR USUARIO (BIT/SÍMBOLO) (BPS) 1.2032 20213.76 3.828 64310.4 90.468 151986.24

VELOCIDAD O TASA (MBPS) 20.21376 64.3104 151.98624

Los resultados que se muestran en la tabla de arriba es la tasa final que se le ofrece al usuario.

|

6.3. Características típicas de los equipos

o

Parámetros para el enlace DL:

CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN DEL ENODEB

UNIDAD

VALOR

NA

38

Frecuencia de portadora DL

MHz

2602

Frecuencia de portadora UL

MHz

2602

Ancho de Banda

MHz

20

Potencia de transmisión PTX Ganancia elemento radiante

dBm dBi

47.78 17.5

Ganancia por elementos del arreglo

dB

0

Ganancia por Beam Forming Ganancia por sistema MIMO Figura de ruido

dB dB dB

0 3.01 5

Altura de la antena

m

30

dBi

0

Definida en las especificaciones del UE. Típicamente 0 dBi.

NA

2

Especificaciones del Equipo

dB

3.010299957

dB

9

Banda de trabajo LTE

Características de recepción del UE Ganancia de cada elemento radiante de la antena en recepción Cantidad de elementos del arreglo Ganancia debida al arreglo (Diversidad de Antenas) Figura de ruido en el receptor

|

OBSERVACION Otorgada por el regulador al operador De acuerdo al plan de frecuencia De acuerdo al plan de frecuencia En función de la capacidad y de los equipos que están en el mercado Especificaciones del equipo. Especificaciones del equipo Que es igual a 10*log(Elementos del arreglo de antenas) Especificaciones del equipo Especificaciones del equipo Definida en el estándar Dada por el tipo de ambiente. Valor usado para ambiente urbano

10*log(Cantidad de elementos del arreglo) Definido en el estándar

o

Parámetros para enlace UL:

CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISIÓN DE UE

UNIDAD

VALOR

NA

38

Frecuencia de portadora DL

MHz

2602

Frecuencia de portadora UL

MHz

2602

Potencia de transmisión PTX

dBm

23

Especificaciones del equipo. No debe superar los límites de la regulación regional.

Ganancia elemento radiante

dBi

0

Especificaciones del equipo y del estándar

Ganancia por Beam Forming Ganancia por sistema MIMO Figura de ruido

dB dB dB

0 0 9

Altura de la antena

m

1.6

dBi

17.5

NA

2

dB

3.01

dB

5

Banda de trabajo LTE

OBSERVACION Otorgada por el regulador al operador De acuerdo al plan de frecuencia De acuerdo al plan de frecuencia

Especificaciones del equipo Especificaciones del equipo Definida en el estándar Altura promedio de una persona

Características de Rx del eNodeB Ganancia de cada elemento radiante de la antena en reception Cantidad de Elementos del Arreglo en RX Ganancia debida al arreglo (Diversidad de Antenas) Figura de ruido en el receptor

Definida en el estándar Especificaciones del Equipo 10xlog(Cantidad de elementos del arreglo) Especificaciones del Equipo

Para determinar la cobertura y capacidad de un eNodoB, tanto para el enlace ascendente como descendente, se tiene que calcular el link Budget.

|

6.4. Cálculo del Link Budget para DL Se utilizará los principios del modelo Cost 231 – Hata, es un modelo semi empírico que nos ayuda a estimar las pérdidas de la propagación de la señal en un trayecto dado, además de que es recomendado en escenarios urbanos y sub urbanos brindándonos resultados más precisos comparados con otros modelos, se basa en la siguiente fórmula:

𝑀𝐴𝑃𝐿 = 46. +33.9 log(𝑓𝑐 ) − 13.82 log(ℎ𝑏 ) − 𝑎(ℎ𝑀𝑆 ) + (44.96 − 6.55 log ℎ𝑏 ) log 𝑑 + 𝐶

Dónde:      

Fc: frecuencia de la portadora. Hb: altura de la antena Hmovil: altura del móvil respecto al suelo d: radio de la cobertura de la antena C: constante igual a 3 para centros urbanos. MAPL: Máxima perdida en la trayectoria permisible y se obtiene de la resta entra la ganancia del sistema y el margen total:

MAPL  GSys  M Tot La ganancia del sistema es la suma de la potencia de transmisión (PIRE) y las ganancias que se obtienen por MIMO de 2x2 más la sensibilidad del receptor del equipo móvil, que más adelante se especificará con más detalle.

𝑎(ℎ𝑀𝑜𝑣𝑖𝑙 ) = (1.1 log(𝑓) − 0.7)ℎ𝑀𝑜𝑣𝑖𝑙 − (1.56 log(𝑓) − 0.8)

Cálculo del PIRE:

CARACTERÍSTICAS DE TX DE LA BS Potencia de transmisión PTX Ganancia elemento radiante Elementos del arreglo de antenas Ganancia por elementos del arreglo Ganancia por Beam Forming Ganancia por sistema MIMO PIRE: Potencia Efectiva Radiada Isotrópica

|

SIGNO

UNIDADES VALOR

OBSERVACION

+ + +

dBm dBi NA

47.78 17.50 1.00

Ptx Gtx

+

dB

0.00

+ +

dB dB dBm

0.00 3.01 68.29

Gbf Gmimo Ptx + Gtx + Gbf + Gmimo

PIRE es la cantidad de potencia que una antena isotrópica emite teóricamente. 

Cálculo de la sensibilidad en el equipo de usuario:

La sensibilidad en el equipo móvil viene dado por:

𝑆 = −173.98

𝑑𝐵 𝑑𝐵𝑚 + 10 log(𝐵𝑊) + 𝑁𝐹 𝑑𝐵 + 𝑆𝐼𝑁𝑅 + 𝐼𝑀𝑑𝐵 − 3 𝑑𝐵𝑚 𝐻𝑧 𝐻𝑧

NF es la figura de ruido en el equipo móvil, donde anteriormente ya se especificó que lo tomaremos como 9 dB.

SENSIBILIDAD EN LA ESTACION DEL EQUIPO MÓVIL Densidad Espectral de Ruido Térmico No Ancho de Banda BW Modulación y Codificación

+

dBm/Hz MHz

-173.98 18.00

Relación señal a Interferencia-Ruido Requerida (SINR). Pérdidas de Implementación (IMdB) Sensibilidad en el UE

+

dB

-5.10

+

dB dBm

2.50 -98.02

QPSK 4/5

En ancho de banda BW sería 18 MHz porque se está usando el 10% del total para la banda guarda.Se calcula la sensibilidad del usuario para una tasa de codificación de 4/5 en la modulación QPSK, donde el SINR e IMdB vienen dados por las mediciones realizadas en campo. Cada tasa de codificación (code rate) tiene sus propias pérdidas las cuales se presentan a continuación en la siguiente imagen:

Figura 6.3: Datos sobre las pérdidas SINR y IM por cada tipo de modulación Fuente: Prof. Diógenes Marcano, “Dimensionamiento de redes móviles capítulo 6”.

|



Cálculo del Margen Total: MÁRGENES

SIGNO

UNIDADES

VALOR

Margen de Fading Log Normal -Shadowing

-

dB

12.3

Fast Fading Margin - Debido al movimiento del UE

-

dB

2.00

Interference Margin - Interferencia de otros UE y de eNodeB

-

dB

2.00

Pérdidas debido a Penetración - Considera los efectos Indoor

-

dB

2.00

Margen Total



18.30

Hallando la Ganancia del sistema y el MAPL:

MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN Relación señal a Interferencia-Ruido SINR Requerida.

dB

-5.10

Pérdidas de Implementación Sensibilidad en el UE Ganancia del Sistema

dB dBm dB

2.50 -98.02 166.31

Maximun Allowable Path Loss (MAPL)

dB

148.01

 Cálculo del radio de cobertura: Una vez hallado MAPL, se podrá calcular el radio de la cobertura (d) gracias a la ecuación del modelo Cost 231 Hata, solo reemplazando datos:

𝑀𝐴𝑃𝐿 = 46.3 + 33.9 log(𝑓𝑐 ) − 13.82 log(ℎ𝑏 ) − 𝑎(ℎ𝑚𝑜𝑣𝑖𝑙 ) + (44.96 − 6.55 log ℎ𝑏 ) log 𝑑 + 𝐶 A continuación, en el cuadro se muestran los parámetros que se usarán para hallar el radio de cobertura, así como también los resultados: MODELO COST231 HATA PARÁMETRO Frecuencia de la Portadora fp Altura de la Antena de la Estación Base hBS Altura de la Antena de la Estación Móvil hMS Constante C=3, para Urbano a(hmovil) Máximas Pérdidas Permitidas log(d) Radio de cobertura (d)

|

RESULTADO 2602 30.00 1.60 3.00 0.35 148.01 0.19 1.54

UNIDADES MHz m m dB dB dB dB Km



Cálculo del área de cobertura:

Figura 6.4: Área de cobertura de una antena Fuente: Long Term Evolution (LTE) Radio Access Network Planning Guide

En la tabla siguiente se muestra el área de cobertura total de una antena y por celda:

PARÁMETROS Área Cubierta por la el sitio Hexagonal

VALOR 4.85

UNIDADES Km2

Área Cubierta por una Celda DL Densidad de eNodoB

1.62 0.21

Km2 eNodoB/Km2

6.5. Cálculo del Link Budget para UL A continuación, se muestra los resultados para el enlace ascendente siguiendo la misma metodología de cálculo de DL.

|

CARACTERÍSTICAS DE TX DEL MÓVIL LTE Potencia de transmisión PTX Ganancia elemento radiante Elementos del arreglo de antenas Ganancia por elementos del arreglo Ganancia por Beam Forming Ganancia por sistema MIMO EIRP: Potencia Efectiva Isotrópica Radiada

SIGNO + + + + + +

UNIDADES dBm dBi NA dB dB dB dBm

VALOR 23 0.00 1 0.00 0.00 3.01 26

CARACTERÍSTICAS DE RX DE LA BS Ganancia de cada Elemento Radiante de la Antena en Recepción Cantidad de Elementos del Arreglo Ganancia debida al Arreglo (Diversidad de Antenas) Figura de Ruido en el Receptor

SIGNO +

UNIDADES dBi

VALOR 17.50

+ +

NA dB

1.00 0

+

dB

5.00

MÁRGENES

SIGNO

Margen de Fading Log Normal Fast Fading Margin Margen de Interferencia Pérdidas debido a Penetración Margen Total

-

SENSITIVIDAD EN LA MOBILE STATION

SIGNO

UNIDADES

VALOR

Densidad Espectral de Ruido Térmico No Ancho de Banda BW

+

dBm/Hz MHz

-173.98 1.8

SIGNO +

UNIDADES VALOR dB 5

+

dB

2.00

dBm dB dB

-102.42 145.93 127.63

MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN Relación señal a Interferencia-Ruido SINR Requerida Pérdidas de Implementación ( Code Rate QPSK 4/5) Sensibilidad del eNodoB Ganancia del Sistema Máxima pérdida de trayecto admisible (MAPL)

UNIDADES

VALOR 12.30 2.00 2.00 2.00 18.30

6.6. Cálculo del radio de cobertura UL MODELO COST231 HATA PARÁMETRO

|

UNIDADES

Frecuencia de la Portadora fp Altura de la Antena de la Estación Base hBS Altura de la Antena de la Estación Móvil hMS Constante C=3 Urbano a(hMS) Máximas Pérdidas Permitidas Cerca de la BS log(d) Cerca de la BS Radio de cobertura Área Cubierta por la celda Hexagonal

RESULTAD O 2602 30.00 1.60 3.00 0.33 127.63 -0.31 0.49 0.50

Área Cubierta por una Celda UL Densidad de eNodoB

0.17 1.99

Km2 eNodoB/Km 2

MHz m m dB dB dB dB Km Km2

6.7. Cálculo de modulaciones y sensibilidad para cada modulación SENSIBILIDAD EN FUNCIÓN DE LA MODULACIÓN Y CODIFICACIÓN MODULACIÓ TASA DE SINR en Pérdida Sensibilidad Sensibilidad N CODIFICACIO Rx (dB) Implementa en el UE dBm en la eNodoB N ción (dB) en DL dBm en UL QPSK 1/8 -5.1 2.5 -98.02261628 112.0226163 1/5 -2.9 2.5 -95.82261628 109.8226163 1/4 -1.7 2.5 -94.62261628 108.6226163 1/3 -1 2.5 -93.92261628 107.9226163 1/2 2 2.5 -90.92261628 104.9226163 2/3 4.3 2.5 -88.62261628 102.6226163 3/4 5.5 2.5 -87.42261628 101.4226163 4/5 6.2 2.5 -86.72261628 100.7226163 16-QAM 1/2 7.9 3 -84.52261628 98.52261628 2/3 11.3 3 -81.12261628 95.12261628 3/4 12.2 3 -80.22261628 94.22261628 4/5 12.8 3 -79.62261628 93.62261628 64-QAM 2/3 15.3 4 -76.12261628 90.12261628 3/4 17.5 4 -73.92261628 87.92261628 4/5 18.6 4 -72.82261628 86.82261628 En la tabla de Sensibilidad en función de la modulación y codificación se halló usando la fórmula de la sensibilidad en el equipo móvil ya antes mencionado. Con los resultados obtenidos se procederá a clasificar los valores mínimos y máximos de sensibilidad por tipo de modulación en la siguiente tabla que se muestra a continuación:

|

MODULACION Y CODIFICACIÓN EN FUNCIÓN DE LA DISTANCIA ENLACE DL Y UL Sensibilid ad DL dBm MODUL ACIÓN

TASA DE CODIFIC ACIÓN

SINR MIN en Rx (dB)

QPSK

1/8

-5.1

SN R M AX en Rx (d B) 7.9

Mi n

Sensibilida d UL dBm

Distancia DL Km

Distancia UL Km

Min

Dista ncia Míni ma DL

Dista ncia Míni ma UL

Ma x

SIN R

Dista ncia Máxi ma DL

Dist anci a Máx ima UL

0.62 1.54 0.49 0.93 98. 84. 112. 98. 02 52 02 52 16-QAM 1/2 7.9 15. 0.36 0.62 0.22 0.49 3 84. 76. 98.5 90. 52 12 2 12 64-QAM 2/3 15.3 0.36 0.22 76. 90.1 12 2 Para hallar las distancias tanto máxima como mínima en DL y UL, se hace uso del modelo Cost Hata nuevamente. Ahora bien para hallar la distancia mínima DL (en QPSK) se tomó -84.52 dBm la sensibilidad del usuario, a partir de ahí empieza la modulación 16 QAM y para determinar la distancia mínima DL en 16-QAM se tomó -76.12 dBm la sensibilidad del usuario que a la vez vendría ser la distancia máxima para la modulación 64-QAM. En el caso de los resultados salidos en la distancia UL, se tomó la sensibilidad del usuario -112.02 dBm para hallar la distancia máxima en QPSK y del mismo modo se tomó -90.12 dBm para la distancia mínima en 16 QAM.

6.8. Resultados Del Link Budget 

MODU LACIÓN

QPSK 16QAM 64QAM

|

Enlace dominante en UL

TASA DE CODIFICAC IÓN

SINR MIN EN RX (DB)

DISTANCI A MÍNIMA UL KM

DISTANCI A MÁXIMA UL

1/8

-5.1

0.49

0.93

ÁREA DE UN SECTOR DE 120° DEL ANILLO HEXAGONA L KM2 0.43

1/2

7.9

0.22

0.49

0.13

2/3

15.3

0

0.22

0.03

ÁREA DE COBERTUR A DE UN SECTOR DE 120° KM2

% DE CADA MODULA CIÓN KM2 72.24

1.59

22.16 5.60



Enlace dominante en DL

DISTAN CIA MÁXIM A DL

ÁREA DE UN SECTOR DE 120° DEL ANILLO HEXAGONAL KM2

ÁREA DE COBERT URA DE UN SECTOR DE 120° KM2

% DE CADA MODULACI ÓN KM2

1.62

83.79

MODUL ACIÓN

TASA DE CODIFIC ACIÓN

SINR MIN EN RX (DB)

DISTA NCIA MÍNI MA DL KM

QPSK

1/8

SINR MIN en Rx (dB)

0.62

1.54

1.36

1/2

-5.1

0.36

0.62

0.17

10.74

2/3

15.3

0

0.36

0.09

5.46

16QAM 64QAM

De las anteriores tablas, el área de cobertura que alcanzará cada modulación por sector, será igual al área de la cobertura con respecto de la distancia máxima menos el área de cobertura con respecto a la distancia mínima, dividido todo entre 3. El área de cobertura en un sector por eNodoB será con respecto a la distancia máxima hallado ya anteriormente y al resultado se le divide entre 3. El porcentaje de cada modulación sería el área de cobertura en un sector a una determinada modulación divido entre el área total de cobertura en el sector multiplicado por 100. Entonces podemos ver que para DL QPSK representa el 83.79%, 16QAM el 10.74% y 64QAM el 5.46%. 6.9. Capacidad útil de cada celda en un eNodoB En OFDM (que es en el enlace descendente) existen 3 símbolos destinado a control y se tomará 4 RE (Elemento de recurso) para la RS (Señal de referencia) por antena, como son 3 antenas que se instalará por estación entonces será un total de 12 RE. En un RB hay 168 RE pero si se restan aquellos recursos que se usan para canales de control y para RS quedaría un total de 168 – (3x12) – (12) = 120 RE destinados para datos en un 1 milisegundo.

Ahora bien, en los resultados del link Budget se pudo apreciar que el porcentaje de cada modulación en DL era QPSK el 83.79%, 16QAM el 10.74% y 64QAM el 5.46% y para UL era QPSK el 72.24%, 16QAM el 22.16% y 64QAM el 5.6%. En este proyecto se va a suponer que los usuarios están distribuidos en la misma proporción del área de cobertura de cada modulación, entonces tomaremos el número de bloques de recursos proporcional al porcentaje de cada modulación, lo cual se muestra en la tabla siguiente:

Símbolos de Señalización y control 3

|

Antenas para señal de referencia

3

Factor de Utilización

85.00%

DL

MODULACI ÓN

QPSK 1/8 16 QAM 1/2 64 QAM 2/3 Capacidad bruta Capacidad Útil

UL

N° DE BLOQUE S DE RECURS OS

ELEMENT OS DE RECURSO TOTALES PARA DATOS

TASA MÁXIMA EXPRESA DO EN MBPS

N° DE BLOQUE S DE RECURS OS

RECURSOS ELEMENTAL ES TOTALES PARA DATOS

TASA MÁXIMA DE MBPS. CONSIDERAN DO 30% DE OVERHEAD EN EL UL

84

10080

45.22

72

12096

30.8688

11

1320

10.56

22

3696

20.6976

5

600

7.2

6

1008

8.4672

100

12000

62.98

100

16800

60.03

53.53

51.03

La tasa máxima o también llamado Peack Rate se puede dar en un momento dado, lo cual es el número de elementos de recurso para datos multiplicado por el número de bits por símbolos en la modulación que se encuentre, el resultado estará expresado en Kbps pero en la tabla está mostrado en Mbps en DL.

Con respecto a UL, como bien se mencionó al inicio, se consideró la tasa máxima en un 70% del total porque se consideró una sobrecarga del 30%. La capacidad bruta sería la suma de las tasas máximas que se da en cada modulación y la capacidad útil vendría ser el 85% (factor de utilización) del total la capacidad bruta por celda.

6.10.

Capacidad Requerida

La capacidad requerida es aquella que se requiere por cada uno de los usuarios en función de los servicios que deseen utilizar, claro que para ello se necesitaría de un estudio de mercado. Ahora bien, esta capacidad depende del consumo estimado de cada servicio, como también la capacidad del FEC (factor que considera la capacidad requerida por el servicio usado por los usuarios) y la cantidad de usuarios.

Lima Metropolitana comprende de 49 distritos, de los cuales solo en 2 distritos se implementarán los dispositivos para el primer año. Luego, en el segundo año, se proyecta implementar en 6 distritos del cono norte, posteriormente se está proyectado(a partir del tercer año) brindar el servicio en los 49 distritos de Lima Metropolitana, se realizará el análisis de cantidad de estaciones base (eNodoB), celdas y tráfico total para cada distrito.

|



Distrito de Lima

EL distrito de Lima comprende una población de 271814 habitantes (INEI 2015), la cantidad de usuarios que tomaremos para la planificación de nuestra red es del 50% de habitantes por distrito. A continuación, se muestra una tabla con los datos a utilizar:

ÁREA GEOGRÁFICA TASA INTERNET POR USUARIO CANTIDAD TOTAL DE USUARIOS FACTOR DE UTILIZACIÓN DENSIDAD DE USUARIOS ÁREA DE COBERTURA POR CELDA (UL)

21.98 2 135907 85.00% 6183.212011 0.59

Km2 Mbps Usuarios Usuario/Km2 Km2

Para hallar el número de celdas solo se realizará una simple división del área geográfica entre el área de cobertura por celda. Como un eNodoB comprende de 3 celdas, entonces el número de estaciones base a instalar será el número de celdas entre 3. Lo cual se muestra en la tabla siguiente:

Cantidad de Celdas Cantidad de eNodoB

38 13

Cantidad de Tráfico total:

 Para el caso del Perú no se considerará el tráfico generado por VoIP, porque la llamada será por vía SFBC (FOLLBACK), es decir que el terminal cambiara de tecnología 4G hacia 3G y de ahí a GSM para poder realizar o recibir llamadas.  Para el caso de Internet, se considerará que el consumo por usuario es de 968 kbps (cerca de un 1 Mbps) en UL. REFERENCIA: Una conexión de un megabits por segundo (Mbps) es suficiente para que unos tres dispositivos se conecten de forma simultánea. Incluso con esta velocidad se pueden consumir servicios de streaming de video en calidad estándar.

|

SERVICIO

CANTIDAD DE USUARIOS POR CELDA NUSER CELL

Internet

3657

CANTIDAD DE USUARIOS POR CELDA FRV USUARIOS CONSUMO SIMULTÁNEOS DEL SERVICIO OFRECIDO POR USUARIO KBPS 20

183

CONSUMO DEL SERVICIO POR USUARIO CON FEC KBPS

TOTAL de Mbps requeridos por Celda en UL

929

170.007

512

En la tabla, en un bloque muestra la cantidad de usuarios por celda que es el producto de la densidad de usuario por el área de cobertura por celda en UL. EL FRV es el factor de reventa del internet, esto es establecido por la operadora, en nuestro caso tomaremos como 20 el FRV. Así que en la tabla de cantidad de usuarios por celda se muestra que se puede vender el servicio a 3657 clientes pero que solo se soportan 183 usuarios simultáneos que podrán navegar a su máxima capacidad.

La velocidad consumo del servicio ofrecido por usuario kbps se ve aumentado por la capacidad del FEC que se usará, la fórmula para hallar la capacidad del FEC es la siguiente:

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝐹𝐸𝐶 = 2 × 𝑃𝑄𝑃𝑆𝐾 +

4 4 × 𝑃16−𝑄𝐴𝑀 + × 𝑃64−𝑄𝐴𝑀 3 3

Aquella fórmula se aplica para cualquier servicio, en este caso el servicio será de Internet a una mayor velocidad. Entonces 𝑃𝑄𝑃𝑆𝐾 representa el porcentaje de la modulación QPSK, 𝑃16−𝑄𝐴𝑀 el porcentaje de la modulación 16-QAM y 𝑃64−𝑄𝐴𝑀 el porcentaje de la modulación 64-QAM. Como ya se halló el porcentaje que cubre cada modulación en UL, entonces solo se reemplazará los datos en la fórmula (se toma en cuenta el enlace UL por ser el enlace dominante):

𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝐹𝐸𝐶 = 2 ×

72.24 4 22.16 4 5.6 + × + × = 1.814 100 3 100 3 100

Entonces el consumo del servicio por usuario con FEC kbps es 512 x 1.814 = 929 kbps. El total de Mbps requeridos por celda en UL vendría ser el productor de los usuarios simultáneos y el consumo del servicio por usuario con FEC.

Siguiendo la misma metodología, se hará lo mismo para los siguientes 43 distritos que se muestra en la siguiente tabla:

|

DISTRITOS DE LIMA METROPOLITANA

Lima Ate Breña El Agustino Jesús María La Victoria Lince Los Olivos Miraflores Pueblo Libre Rímac San Borja San Isidro San Juan de Lurigancho San Juan de Miraflores San Luis San Martin de Porres San Miguel Santiago de Surco Surquillo Ancón Carabayllo Santa Rosa Punta Hermosa Punta Negra San Bartolo Santa María del Mar Villa el Salvador Villa María del Triunfo Pucusana Pachacamac Lurín Chorrillos Puente Piedra Independencia Comas Santa Anita Lurigancho-Chosica

|

POBLACIÓ N (P)

SUPERFICIE Km2

USUARIOS AL 50% DE LA POBLACIO N

271814 630085 75925 191365 71589 171779 50228 371229 81932 76437 164911 111928 54206 1091303

21.98 77.72 3.22 12.54 4.57 8.74 3.03 18.25 9.62 4.38 11.87 9.96 11.10 131.25

135907 315042.5 37962.5 95682.5 35794.5 85889.5 25114 185614.5 40966 38218.5 82455.5 55964 27103 545651.5

38 132 6 22 8 15 6 31 17 8 21 17 19 222

13 44 2 8 3 5 2 11 6 3 7 6 7 74

TOTAL DE TRÁFICO REQUERI DO POR CELDA (Mbps) 170.007 111.480 324.221 209.954 215.528 270.339 228.534 279.629 117.054 240.611 191.374 155.143 67.817 114.267

404001

23.28

202000.5

40

14

238.753

57600 700178

3.49 36.91

28800 350089

6 63

2 21

227.605 261.049

135506 344242 91346 271814

10.72 34.75 3.46 21.98

67753 172121 45673 135907

19 59 6 38

7 20 2 13

173.723 136.563 363.239 170.007

630085 75925 191365

77.72 3.22 12.54

315042.5 37962.5 95682.5

132 6 22

44 2 8

111.480 324.221 209.954

71589

4.57

35794.5

8

3

215.528

171779 50228 371229 81932 76437 164911 111928 54206 1091303 404001 57600 700178 135506

8.74 3.03 18.25 9.62 4.38 11.87 9.96 11.10 131.25 23.28 48.49 36.91 10.72

85889.5 25114 185614.5 40966 38218.5 82455.5 55964 27103 545651.5 202000.5 28800 350089 67753

15 6 31 17 8 21 17 19 222 24 84 63 19

5 2 11 6 3 7 6 7 74 8 28 21 7

270.339 228.534 279.629 117.054 240.611 191.374 155.143 67.817 114.267 238.753 227.605 261.049 173.723

NÚMERO DE CELDAS

NÚMERO DE ENODOB

Distrito de Chaclacayo Cieneguilla Magdalena La Molina Jesús María Barranco

344242 91346 404001 57600 700178 135506

34.75 3.46 23.28 3.49 36.91 10.72

172121 45673 202000.5 28800 350089 67753

59 6 40 6 63 19

20 2 14 2 21 7

 Se realizará el mismo procedimiento, pero para 6 distritos de la Provincia constitucional del Callao, a continuación, se muestran los resultados en la siguiente tabla:

PROVINCIA CONSTITUCION AL DEL CALLAO Callao La Perla Bellavista Carmen de la Legua Ventanilla La Perla

POBLACIÓ N

SUPERFICI E

USUARIO S 50%P

NÚMER O DE CELDAS

NÚMER O DE ENODOB

406889 58817 71833 41100

44.65 2.75 4.56 2.12

203444.5 29409 35916.5 20550

76 5 8 4

26 2 3 2

TOTAL DE TRÁFICO REQUERID O POR CELDA (Mbps) 125.415 294.493 216.457 266.623

630085 75925

77.72 3.22

315042.5 37962.5

132 6

44 2

111.480 324.221

Tenemos que tener en cuenta que si la capacidad requerida por celda es mayor a la capacidad máxima por estación base (eNodoB) se tendría tres opciones como posible solución: 1. Se tendría que sectorizar la celda 2. Si aún se cuenta con espectro se podría activar otra portadora. 3. O también se podría reducir el área de cobertura del eNodoB reduciendo la potencia de transmisión, lo cual aumenta la cantidad de celdas y se reduciría la capacidad de cada una de ellas.

|

136.563 363.239 238.753 227.605 261.049 173.723

Configuración de frecuencias en cada celda para evitar la interferencia entre celdas y para aprovechar el reusó de frecuencia. Sector

Altura Antena

1

15.4 m

2 3

|

15.4 m 15.4 m

Frecuencia Frecuencia Azimut UL (MHz) UD (MHz) Marca

Longitud Modelo Feeder feeder

80

1/2" 1730-1736 2130-2136 Huawei AAU3910 rigido

4x3m

120

1/2" 1736-1742 2136-2142 Huawei AAU3910 rigido

4x3m

230

1/2" 1742-1750 2142-2150 Huawei AAU3910 rigido

4x3m

7. RELACION DE EQUIPOS A INSTALAR



Sistema de acceso por eNodoB NOMBRE Antena AUU RRUU Minishelter BBU Tarjeta GSM 2G Tarjeta WDCMA 3G Tarjeta LTE 4G



CANTIDAD 3 3 1 1 1 1 1

MODELO 950 A 980 3900

MARCA HUAWEI HUAWEI HUAWEI

CANTIDAD 36 36 2

MARCA HUAWEI HUAWEI HUAWEI

CANTIDAD 2 1 1

Sistema de conmutación (EPC)

NOMBRE MME GGSN, P-GW, S-GW HSS

|

MARCA HUAWEI HUAWEI HUAWEI HUAWEI HUAWEI HUAWEI HUAWEI

Sistema de transporte

NOMBRE OPTIX RTN MW OPTIX RTN MW ROUTER PTN



MODELO 3910 3942 TP4200A 3900 UBRI WBBP LBBP d2

MODELO USN9810 UGW 9811 SAE-HSS 9820

8. METAS DE USO DEL ESPECTRO RADIOELECTRICO

a)

Banda de Operación:

Rango Tx. ( 2602 MHz) de la E. Base Rango Rx. ( 2602 MHz) de la E. Base

2592 MHz-2612MHz 2592 MHz-2612MHz

b) Ancho de Banda del Canal Radioeléctrico: 20 MHz

c)

Tráfico:

EFICIENCIA 1er Año 2do Año 3er Año 4to Año 5to Año

|

Mbps/ MHz 20.1 20.1 20.1 20.1 20.1

9. PLAN DE COBERTURA

Plan de cobertura para los cinco (5) de la empresa Telecable Siglo XXI, según el formato establecido por el MTC, es el siguiente:

Plan de Cobertura

1er Año

2do Año

3er Año

4to Año

5to Año

Provincia de Provincia de Distrito de Los Olivos, Lima y la Lima y la Ancón, Comas e San Martin de Provincia Provincia Puente Piedra Independencia Pores Constitucional Constitucional del Callao del Callao

Acumulado

10. CRONOGRAMA DE INSTALACION DURANTE EL PRIMER AÑO

Se tendrán los siguientes plazos y cronogramas para la instalación de los equipos de la infraestructura necesaria para dar operatividad al servicio en los distritos de Comas e Independencia durante el primer año. ó

|

Independencia

1

1

1

X

X

1

1

1

X

1

1

X

Comas

3

2

2

3

3

2

1

2

3

2

3

2

11. INVERSION DETALLADA 11.1.

INVERSION DURANTE EL PRIMER AÑO a) Sistema de Acceso TOTAL PRECIO POR UNIDAD

EQUIPO

(Dólares MARCA CANTIDAD (Dólares Americanos) Americanos)

Antenna AAU3910

Huawei

108

8 500

1 200 000

RRU 4239

Huawei

108

5 500

750 000

BBU3900

Huawei

36

15 500

750 000

LTE WD2DLBBPD200

Huawei

108

5 000

750 000

DBS3900

Huawei

36

8 000

400 000

Transseiver

Huawei

108

400

30 000

TPA48200

Huawei

36

10 000

500 000

IBS

Huawei

36

2 500

100 000

108

1 000

150 000

MATERIAL DE INSTALACION DBS3901

TOTAL (Dólares Americanos)

|

4 600 000

b) Sistema de Transporte TOTAL MAR CA

EQUIPO

PRECIO POR UNIDAD CANTID AD (Dólares Americanos)

(Dólares Americanos)

OPTIX RTN950A MW

Huaw ei

50

5 000

250 000

HU BASIC SOFTWARE V1R7 RTN950A

Huaw ei

50

500

25 000

OPTIX RTN 980 NODAL SYSTEM CONTROL

Huaw ei

5

10 000

50 000

HU BASIC SOFTWARE V1R8 RTN980

Huaw ei

5

500

2 500

ROUTER OPTIX PTN 3900

Huaw ei

2

15 000

30 000

TOTAL (Dólares Americanos)

357 500

c) Sistema de Conmutación EPC

ITEM

MARCA

CANTIDAD

PRECIO UNITARIO

TOTAL USD

USN 9810 funciones de SSGN, MME+ SOFTWARE

Huawei

1

15 00 000 1 500 000

UGW 9811 funciones de GGSN, P-GW, SGW+ SOFWARE

Huawei

2

1 200 000 2 400 000

SAE-HSS 9820 funciones de HSS

Huawei

1

200 000

TOTAL USD

|

200 000

4 100 000

d) Costos de instalación y adecuación

INSTALACIÓN ENodoB

CANTIDAD

PRECIO POR UNIDAD

TOTAL USD

(Dólares Americanos)

(Dólares Americanos)

150

5 000

750 000

EPC

1

50 000

50 000

Microondas Indor y Oudor

55

1 000

55 000

Adecuación de Sitio

50

2 000

100 000

TOTAL (Dólares Americanos)

205 000

11.2. PROYECCION DE LA INVERSION A REALIZAR DURANTE LOS PRIMERO CINCO AÑOS DE OPERACIÓN. a) Primer año 1ER AÑO COSTO ESPECIFICO SISTEMA DE ACCESO SISTEMA DE TRANSPORTE SISTEMA CONMUTACION EPC COSTO INSTALACIÓN

4 600 000 357 500 4 100 000 205 000

COSTO DE ADQUISICION SITE

-

ALQUILER DE SITE

-

ENERGÍA ELÉCTRICA MANTENIMIENTO

60 000 -

ADMINISTRACION Y GESTION

100 000

PUBLICIDAD

500 000

TOTAL (Dólares Americanos)

|

(Dólares Americanos)

9 652 500

b) Segundo año 2DO AÑO COSTO ESPECIFICO SISTEMA DE ACCESO SISTEMA DE TRANSPORTE

(Dólares Americanos) 23 150 000 1 000 000

SISTEMA CONMUTACION EPC COSTO INSTALACIÓN COSTO DE ADQUISICION SITE

615 000 1 000 000

ALQUILER DE SITE

100 000

ENERGÍA ELÉCTRICA

180 000

MANTENIMIENTO ADMINISTRACION Y GESTION PUBLICIDAD TOTAL (Dólares Americanos)

50 000 150 000 1 000 000 26 245 000

c) Tercer año 3ER AÑO COSTO ESPECIFICO SISTEMA DE ACCESO SISTEMA DE TRANSPORTE SISTEMA CONMUTACION EPC COSTO INSTALACIÓN COSTO DE ADQUISICION SITE ALQUILER DE SITE ENERGÍA ELÉCTRICA

23 150 000 1 000 000 615 000 1 000 000 100 000 18 000

MANTENIMIENTO

100 000

ADMINISTRACION Y GESTION

300 000

PUBLICIDAD TOTAL (Dólares Americanos)

|

(Dólares Americanos)

1 500 000 26 783 000

d) Cuarto año 4TO AÑO COSTO ESPECIFICO SISTEMA DE ACCESO SISTEMA DE TRANSPORTE

(Dólares Americanos) 23 150 000 1 000 000

SISTEMA CONMUTACION EPC

-

COSTO INSTALACIÓN COSTO DE ADQUISICION SITE

615 000 1 000 000

ALQUILER DE SITE

100 000

ENERGÍA ELÉCTRICA

18 000

MANTENIMIENTO

150 000

ADMINISTRACION Y GESTION

450 000

PUBLICIDAD

200 000

TOTAL (Dólares Americanos)

25 683 000

e) Quinto año 5TO AÑO COSTO ESPECIFICO SISTEMA DE ACCESO SISTEMA DE TRANSPORTE SISTEMA CONMUTACION EPC COSTO INSTALACIÓN COSTO DE ADQUISICION SITE ALQUILER DE SITE ENERGÍA ELÉCTRICA MANTENIMIENTO

200 000 4 100 000 20 000 1 000 000 100 000 6 000 1 000 000

ADMINISTRACION Y GESTION

600 000

PUBLICIDAD

300 000

TOTAL (Dólares Americanos)

|

(Dólares Americanos)

6 326 000

11.3.

RESUMEN DE LA INVERSIÓN PARA LOS CINCO PRIMEROS AÑOS

AÑO PRIMERO

9 652 500

SEGUNDO

26 245 000

TERCERO

26 783 000

CUARTO

25 683 000

QUINTO

6 326 000

TOTAL (Dólares Americanos)

|

INVERSIÓN (Dólares Americanos)

94 689 500

12. ESPECIFICACIONES TECNICAS DE LOS EQUIPOS

i.

|

Antena Huawei AAU3910

|

ii.

|

RRU 3942

iii.

|

BBU 3900

iv.

TARJETAS

 LBBP d2, Serie WD2DLBBPD200

|

 UBRI, Serie: GM5D0UBRIB00

 WBBP, Serie: QWL1WBBPD2

|

v.

|

Módulos Rectificadores R4850g Huawei

vi.

|

RTN 950A

vii.

|

eWBB2.0 USN9810

|

13. CONCLUSIONES De acuerdo a lo expuesto en el proyecto, la banda de 2500 – 2690 MHz es óptima para el funcionamiento de los sistemas de banda ancha móvil. Actualmente en el Perú dicha banda se encuentra siendo ocupada por empresas que no proporcionan el servicio de banda ancha móvil, sino para el servicio de MMDS, la cual no se está brindando actualmente. Si bien estamos utilizando la banda en TDD, lo recomendable seria utilizarla en FDD, pero para ello la banda de 2.5GHz debe estar debidamente canalizada en bloques de acuerdo a las recomendaciones dadas por la UIT. Podemos ver que la banda ancha móvil es una gran forma de dar a conocer las tecnologías a los lugares más recónditos del Perú, y a su vez el costo es menor.

BIBLIOGRAFIA  Verónica Ávila Hernández. Análisis de ocupación y propuesta de asignación de la banda de 2500-2690 MHz, para los servicios de acceso inalámbrico de banda ancha, México  John Wiley & Sons. (2014). Diseño implementación y rendimiento de las redes 4G LTE.  Rafael del Villar Alrich y Eduardo Martínez. Necesidad de una Nueva Red de Banda Ancha en México.  Luis Pacheco, Daniel Argandoña, José Carlos Aguilar. El espectro Radioeléctrico como herramienta para la promoción de la expansión de los servicios móviles y la competencia en el Perú – OSIPTEL.  Huawei Technologies Co, Manual de Solución Single DBS 3900.  Huawei Technologies Co., Manuales de Huawei: Solución de LTE  Secretaria de comunicaciones y transportes, Subsecretaria de Comunicaciones y Dirección General de Política de Telecomunicaciones y de Radiodifusión. Concesiones de la Banda de 2.5GHz.

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