LABORATORIO DE REDES INALAMBRICAS INTRODUCCION A PLANEACION Y RADIO PROPAGACIÓN EN REDES MOVILES
Dr. Marvin Sánchez Sánche z Garache PhD. in Radio Coommunication Systems Maestría en Gestión de TIC Universidad Nacional de Ingeniería
Managua, Nicaragua Agosto, 2014
INTRODUCCIÓN Una parte fundamental en el diseño y despliegue de redes de radio comunicaciones móviles es el planeamiento de la radiocobertura, es decir, asegurar que se se recibirá la suficiente intensidad de campo dentro del área geográfica donde el servicio será ofrecido. En los primeros días de la radio comunicación, el planeamiento de cobertura se basaba en reglas de estimación tales como "entre mayor la potencia radiada mejor" y así, en esos días las redes de radio difusión nacional fueron fueron construidas con transmisores transmisores de gran potencia ubicados en localizaciones de gran altura. Conforme el número de redes de radio independientes que ofrecían nuevos n uevos servicios (desde los sistemas militares hasta la telefonía pública móvil) se incrementaba, se reconoció que la técnica de la gran cobertura desde d esde un solo sitio usando alta potencia (“brute force”) no era eficiente ya que el incremento del nivel de interferencia forzaba a que nuevas redes usaran aun más potencia para dominar sus áreas de cobertura cobertura conllevando adicionales ineficiencias y conflictos. conflictos. En la actualidad, el espectro radio eléctrico es considerado un recurso natural finito y compartido por todos los países. Ya que las ondas de radio no se detienen ante límites fronterizos, el espectro compartido está sujeto a negociaciones internacionales. El espectro total esta dividido cuidadosamente en bandas de frecuencias, y cada banda se reserva para prestar cierto c ierto tipo de servicio en uno o más países. Además Ade más de la división del de l espectro, e spectro, se regula de forma estricta la interferencia permitida entre diferentes redes coexistentes a niveles tanto nacionales como internacionales. El presente y futuro indican una demanda creciente por nuevos servicios inalámbricos (existentes y aun por existir) que requieren mucho mayores anchos de banda. Para satisfacer las demandas actuales y futuras de asignaciones de espectro hay dos direcciones complementarias : 1. Extender el uso de este recurso utilizando cada vez mayores rangos de frecuencias utilizables (no-ionizantes) 2. Utilizar de forma forma más eficiente los recursos existentes La segunda opción resulta en aplicar técnicas de control y supresión del nivel de interferencia con el objeto de maximizar el reuso de frecuencias. El alcance de tales metas debe tenerse en cuenta al diseñar la cobertura para todo nuevo servicio. El empleo de métodos de planeamiento de cobertura soportados por computadora, si se utilizan apropiadamente, pueden asegurar que los requerimientos de cobertura se logren utilizando la mínima cantidad de potencia radiada, minimizando a la vez los niveles de interferencia intra-banda e inter-banda de frecuencia (las emisiones out-of-band, al ser señales espurias contribuyen a la contaminación electromagnética del espectro). Así, las redes actuales se caracterizan usualmente por la utilización de transmisores dimensionalmente pequeños transmitiendo con la mínima potencia requerida para cubrir un área geográfica “óptima”.
Este laboratorio introducirá los principales elementos en el planeamiento de cobertura computarizado empleado en las redes modernas. Principalmente, entenderá los siguientes aspectos en el diseño: El impacto de los diferentes parámetros de transmisores sobre el área de cobertura (patrones de radiación de antenas, potencia, altura de antenas). Planeamiento de cobertura empleando bases de datos digitales de terrenos. Limitaciones de cobertura por ruido e interferencia. •
• •
Los ejercicios de este laboratorio se realizan con ayuda de Atoll, introduciendo su utilización durante el ejercicio.
I. TRABAJO PREVIO: Leer previamente las tareas de este laboratorio. Leer preferentemente la ayuda sobre la utilización de Atoll.
II. FUNDAMENTOS BASICOS Los modelos usados en el presente laboratorio se describen a continuación.
TRANSMISORES Para proporcionar suficiente cobertura, un sistema de radio comunicaciones debe de contener cierto número de transmisores distribuidos sobre el área de servicio. Consideraremos aquí solamente los sistemas que contienen transmisores para el servicio de telefonía móvil GSM (en este último solamente se c onsidera la cobertura en el Downlink). Redes de tal tipo se define por el número de transmisores y sus respectivos parámetros como son: Identificador del transmisor Localización (posición geográfica) del transmisor Altura de antena (relativa a la superficie de la tierra) Potencia de transmisión Frecuencia empleada (canales de frecuencia) Patrón de radiación de antena y Ganancia de antena Dirección de antena (azimuth), inclinación (“Mechanical Tilt” & “Electrical Tilt”). • • • • • • •
Cada transmisor contribuye a la cobertura total (área de servicio) con su propia área de cobertura. El solapamiento entre áreas de cobertura no puede evitarse, así, transmisores vecinos deben operar a diferentes frecuencias, de otra forma causarán niveles de interferencia inaceptable. De hecho, la interferencia causada puede ser considerable aun por transmisores colocados en áreas no contiguas, de forma que los transmisores de la red deben ser separados tanto en frecuencia como en espacio (distancia). Debido al corto espectro de frecuencia disponible para proporcionar el servicio, es deseable reusar la misma frecuencia en tantos transmisores como sea posible sobre el área de servicio.
Cuando el número de transmisores y todos sus parámetros han sido definidos, el resultado se denomina configuración de red (algunos operadores y proveedores del servicio de diseño se refieren a esta configuración de red como RND, Radio Network Design). En este laboratorio se realiza la predicción de cobertura basado en el canal de broadcast de GSM denominado BCCH (Broad Cast Control Channel), sin embargo, Atoll permite el cálculo de Interferencias incluyendo canales de TCH ( Traffic Channels) incluyendo Frequency Hopping. La tarea primordial en el planeamiento de cobertura es encontrar una configuración de red (preferentemente “óptima”) de todas las configuraciones posibles (teóricamente existe un número infinito) que satisfaga los requerimientos de cobertura especificados.
MODELO DE PROPAGACIÓN DE ONDAS El planeamiento de cobertura moderno se basa en modelos de propagación de ondas computarizados para calcular las pérdidas de trayectoria desde el transmisor al receptor, tomando en cuenta el perfil del terreno. Las pérdidas de propagación que utiliza Atoll pueden seleccionarse dentro de un set disponible, seleccionables por el usuario. En esta práctica de Laboratorio utilizaremos el modelo de Okumura-Hata para estimar los niveles de recepción en el área de cobertura. Otros modelos empleados en redes móviles disponibles y que pueden sintonizarse mediante mediciones de campo son disponibles como el Standard Propagation Model (SPM) el cual es un modelo modificado de Okumura – Hata que permite incluir componentes de difracción por ejemplo el modelo de difracción de Epstein-Peterson estudiando en el curso de redes inalámbricas.
MODELOS DE TERRENO Los cálculos computarizados de propagación de onda hacen posible utilizar información detallada sobre el área de servicio, esta se colecta en una base de datos digital del terreno. La base de datos del terreno contiene información topográfica de altitud con cierta resolución (~5m – 1Km), opcionalmente se incluye información morfológica de datos denominados “clutter” (área urbanas, área suburbanas, área rural, área industrial, bosques, agua, etc), e información vectorizada (denominada “vectors”) sobre otros objetos naturales o artificiales tales como carreteras, edificios, aeropuertos, ríos, etc. Los métodos de predicción de pérdidas de radio-propagación extraen el perfil del terreno entre el transmisor y el receptor a partir de la base de datos del terreno. Adicionalmente, la información del tipo de clutter puede emplearse para el cálculo de pérdidas adicionales y con ello diferenciar una zona con respecto a otra.
LIMITANTES DE SERVICIO Hay dos consideraciones que deben cumplirse con el objeto de proporcionar una adecuada calidad de servicio en una localización dada del terreno: •
•
La potencia recibida (o intensidad de campo) en la antena del receptor debe exceder un umbral pre-establecido (esta asociada normalmente con la sensibilidad del receptor). Razón Señal a Interferencia (SIR o C/I) la cual debe ser mayor que una mínima SIR establecida.
Estos parámetros cuantitativos son específicos del sistema y servicio. En este laboratorio se asume que el receptor posee una antena omnidireccional con una altura de 1.5m y 0dB de ganancia, la cual es el valor por defecto empleado por Atoll.
INTERFERENCIA Con el objeto de calcular la Razón señal a Interferencia (SIR), debido a la reutilización de canales, se debe de calcular la potencia de la señal recibida por la celda servidora y el nivel de interferencia en el receptor. Hay dos tipos de interferencia encontrados en una red: 1. Auto-interferencia: Causada por transmisores del mismo servicio utilizando la misma frecuencia o frecuencias adyacentes. 2. Interferencia Externa: Causada por otras redes operando en los mismos rangos de frecuencia. Hay un tercer tipo de interferencia que debe ser también considerado: 3. Interferencia Causada: Es la interferencia causada por nuestra red sobre otras redes. Adicionalmente, en redes celulares, la Auto-interferencia puede ser: Intracell o Intercel interferente. En redes GSM, Intracell interferente ocurre por el uso de canales adyacentes (o si incorrectamente se ha asignado co-canales en el mismo sitio). La Interferencia Intercell puede incluir interferencia de canales adyacentes e interferencia co-canal.
MEDIDA DEL GRADO DE COBERTURA El grado de cobertura usualmente se expresa por parámetros estadísticos: Porcentaje de Tiempo: La probabilidad de que los requerimientos de servicio sean satisfechos en cierta localización de receptor por un periodo de tiempo. Porcentaje de localizacines: La probabilidad de que los requerimientos de servicio se satisfagan durante un porcentaje de tiempo dado calculado sobre el área de servicio total. •
•
El porcentaje de tiempo es normalmente incluido en los modelos de propagación, tal que durante el planeamiento de cobertura se enfoca la atención en el porcentaje de localizaciones, llamada probabilidad de servicio . El complemento de la probabilidad de servicio se denomina probabilidad de corte (outage probability) . El planeamiento de cobertura por computadora predice la probabilidad de servicio verificando que se satisfagan los requerimientos de servicio en un número finito de puntos del área de servicio, así, la probabilidad de servicio se estima por:
En este laboratorio, los requerimientos de servicio se verifican en cada punto del terreno dentro del área de servicio mediante la huella de la celda mediante la potencia recibida..
PROCESO DE PLANEAMIENTO DE COBERTURA El planeamiento de cobertura de redes de radio usualmente es un proceso iterativo, el cual involucra los siguientes pasos: 1. Definir/ cambiar la configuración de transmisores en la red. 2. Evaluar la cobertura (probabilidad de servicio). Los pasos anteriores se repiten hasta que una configuración satisfaga la probabilidad de servicio pre-establecida . En el planeamiento de cobertura interactivo, los cambios de configuración se realizan manualmente basados en la experiencia o algunas veces en la intuición. Es posible el planeamiento de cobertura completamente automático en el cual se deja a la computadora el buscar configuraciones apropiadas tomando en cuenta algunos objetivos de optimización. Este laboratorio se concentra en el planeamiento de cobertura interactivo.
III. CREACION DEL PROYECTO EN ATOLL La Fig.1 muestra la interfaz gráfica de Atoll 3.2
Fig.1. Interfaz Gráfica de Atoll 3.2 Antes de iniciar la creación del proyecto se debe prepara la siguiente información:
Equipos de Radio: sites, transmitters, antennas, repeaters, feeders, TMA y cualquier otro a ser empleados. • Datos de RF: bandas de frecuencias, parámetros específicos de la tecnología empleada (e.g. BCCHs en GSM), sistemas de coordenadas, etc.. • Datos geográficos: Para la utilización y creación del proyecto en Atoll debemos contar con la base de altura del terreno (height del DTM), clutter classes, clutter heights, , population maps, etc. Una vez que se ha colectado esta información se puede crear el proyecto en Atoll. En este Lab. se utilizan datos geográficos para Nicaragua, los cuales se encuentran en la carpeta de Laboratorio MapNicaragua (height, vector & Clutters).. En la información de equipos, los patrones de radiación de las antenas a ser utilizadas en el proyecto son antenas Kathrein que se detallan durante el proceso y se encuentran en la carpeta Antenas. La banda de operación será Banda A 1900 ( DL:1850-1865/UL:1930-1945 ) en Nicaragua. Las asignaciones de banda de Nicaragua para PCS 1900 se muestran en la siguiente tabla .
CREACION DEL PROYECTO Se importará la base de datos digital de Nicaragua, con resolución de 30 metros. Esta base de Datos se encuentra en la carpeta del Laboratorio llamada 1. Cree un nuevo proyecto en Atoll.
Fig.2 Crear New Project from Template. Para usar el template de GSM usar “GSM GPRS EDGE”:
Fig.3: Selección de Template a ser utilizado.
IMPORTACION DE TERRENO DIGITAL
Utilizaremos el terreno Digital de Nicaragua con resolución 30 metros con proyección WGS84. 2. Para indicar la proyección seleccionar Documents -> properties. Aparece el cuadro de diálogo mostrado abajo. Presionar el boton a la par de Projection y en find in seleccionar WGS84 UTM zones.
Fig.4: Selección de proyección WGS84. 2. Para seleccionar la zona UTM, sabemos que Nicaragua se encuentra en la región que incluye Latitud 10.6o a 15o Norte y Longitudes entre 83o y 87.8o Oestes. Por tanto, debemos seleccionar UTM zone 16N, la cual se muestra en la figura.
Fig.5: Selección de zona UTM en la que se encuentra Nicaragua. 3. Para la muestra de coordenadas, seleccione WGS84 Lat/Lon. 4. Guarde su proyecto, utilizando File-> Save, utilice un nombre apropiado para el proyecto, ejemplo LabUniNet.atl 6. Para cargar la base de datos del terreno (heights), cutters & vectors:
a.
Alturas del terreno: Seleccione File-> import y en la base de datos del terreno localice la carpete MapNicaraguaAtoll y la carpeta de terreno con resolución 30metros (Map Data_30m) y dentro de esta seleccione la carpeta Heights->HEIGHT COMPLETO -> index.
En el cuadro de diálogo que aparece, seleccione Altitude dado que son alturas del terreno.
Fig.6:Selección para Heights. b.
Vectores: Seleccione File-> import y en la base de datos del terreno localice
la carpete MapNicaraguaAtoll y la carpeta de resolucion de 30metros ( “Map Data_30m”), luego seleccione la carpeta vectors->Tab_Nicaragua y seleccione todos los archivos dentro de esta carpeta (Shifht + Cursor para seleccionar los archivos. c. Clutters: Seleccione File-> import y en la base de datos del terreno localice la carpete MapNicaraguaAtoll y la carpeta de resolucion de 30metros ( “Map Data_30m”), luego seleccione la carpeta Clutter->CLUTTER COMPLETO-> index. En la caja de dialogos que aparece seleccione “Clutter Classes”
Fig.7: Selección para Clutter Classes.
7. Editando colores de Clutter para localizar poblac ión: Es deseable identificar con colores particulares el uso de algunas áreas, p or ejemplo poblaciones. Para editar los colores de clutter seleccione la pestaña Geo, luego click derecho sobre Clutter Classes y seleccione Properties.
Fig.8: Properties de Clutter Classes.
Fig.9: Editando colores de Clutters para identificar zonas de población.
8. Guarde el proyecto File -> Save.
ANTENAS DISPONIBLES Y FEEDER En esta práctica utilizaremos las antenas Kathrein 742266V02 (Dualban 850MHz/1900MHz) y la antena Kathrein 84010510 (Dual band 850MHz/1900).
Las estaciones base usaran Cable Heliax 1-5/8” tipo LDF-750 que, en la Banda de 1900 MHz, tiene pérdidas de 0.05dB/m (las especificaciones indican 1.4dB/100 pies) y las pérdidas de los jumpers y conectores en cada extremos de 0.5dB, es decir 1dB total de pérdidas en transmisión y en recepción. Adicionalmente, la longitud total del feeder es 5 metros mayor a la altura de la antena (por ejemplo, si la altura de la antena es 40 metros, la longitud del feeder empleado será de 45 metros). 9. Definir los parámetros del feeder en nuestro proyecto. Pa ra ello seleccione la pestaña Parameters como se muestra en la figura. Cree las especificaciones para el Feeder 1-5/8” at 1900MHz como se ilustra en la tabla con las pérdidas de conectores de 1dB y la atenuación indicada de 0.05dB/m.
Fig. 10. La figura de Ruido para la BTS se definen en Transmitter Equipment, por defecto se encuentra definido BTS con NF de 4dBs el cual utilizaremos en la creación de las celdas. Confirme que este tipo de BTS se encuentra definido en su proyecto. 11. Para importar los patrones de radiación de antena , : a. haga click derecho sobre la carpeta Antennas y seleccione open table como se muestra a
continuación:
b.
. Haga click derecho sobre la tabla y seleccione import y localice en la carpeta del laboratorio dentro de la carpeta Antennas -> 84010510 para importar los patrones de radiación de la antena omnidireccional.
c. Aparecerá una tabla indicando el mapeo de encabezados identificados por Atoll, asegurese de que cada campo corresponde al parámetro de antena correspondiente como se muestra en la figura para la Ganancia. HWIDTH corresponde al HPBW Horizontal, lo cual debe seleccionarse.
c.
Repita los pasos anteriores para importar la antena 742266V02.
CREACION DE SITIOS/ BTS En Atoll una BTS (Base Transmitter Station) consiste de un sitio con uno o más Transmisores (correspondientes a cada sector) compartiendo las mismas propiedades. La red móvil UNINet tendrá los sitios cuya configuración de RND Básico se muestra en la Tabla 2. Tabla 2: RND Básico de la red móvil UNINet SITE SECTOR LATITUDE LONGITUDE DATUM ANTENNA AZIMUTH ET MT HEIGHT Power(dBm) NAME Pista Metro
UNI0003A
12.1348889
-86.26916667 WGS84
742266V02
30
2
8
42
46
Centro Pista Metro Centro Pista Metro Centro
UNI0003B
12.1348889
-86.26916667
WGS84
742266V02
150
2
6
42
46
UNI0003C
12.1348889
-86.26916667
WGS84
742266V02
300
2
4
42
46
UNI_BAC UNI0005A
12.121
-86.26288889 WGS84
742266V02
20
2
6
45
46
UNI_BAC UNI0005B
12.121
-86.26288889 WGS84
742266V02
130
2
3
45
46
UNI_BAC
UNI0005C
12.121
-86.26288889
WGS84
742266V02
250
3
3
45
46
UNI_UCA
UNI0028A
12.1240278
-86.27297222
WGS84
742266V02
60
4
0
30
46
UNI_UCA UNI0028B
12.1240278
-86.27297222 WGS84
742266V02
180
4
0
30
46
UNI_UCA UNI_Pist Simon Bolivar UNI_Pist Simon Bolivar UNI_Pist Simon Bolivar
UNI0028C
12.1240278
-86.27297222 WGS84
742266V02
275
4
0
30
46
UNI0037A
12.1333333
-86.27480556 WGS84
742266V02
60
2
9
42
46
UNI0037B
12.1333333
-86.27480556 WGS84
742266V02
170
2
10
42
46
UNI0037C
12.1333333
-86.27480556 WGS84
742266V02
300
2
6
42
46
3.
Dado que la banda de operación es Banda A 1900 ( DL:1850-1865/UL:1930-1945 ), para crear la configuración básica del primer sitio en RadioPlanning toolbar seleccione EGPRS 1800 Urban, la cual será el template a ser utilizado para crear los sitios.
3.
Presione el botón New Transmitter or Station
4.
Mueva el cursor cerca de la posición donde quiere ubicar la BTS en la región próxima a las coordenadas de la UNI, cerca de la laguna de Tiscapa en Managua.
5. Para crear la localización de un sitio y los parámetros de transmission podemos utilizar la barra de herramientas, pero dado que contamos con el RND de los sitios utilizaremos una plantilla de texto que puede ser importada por Atoll. 6.
Dado que las coordenadas en nuestro RND se encuentran en grados decimales, cambiar el formato de grados en Document_>properties como se muestra en la siguiente figura:
7.
Ahora podemos modificar la posición de la BTS a las coordenadas de nuestro RND. Para ello haga doble click en el sitio (en el centro) y coloque los datos del RND como se muestra en la figura
8.
Como puede apreciarse, cada sector tiene las orientaciones 0,120 240. Para adecuar los parámetros de cada sector acorde a nuestro RND, expanda la carpeta de Transmitters, esta contiene tres sectores y de dobel click en el sector 1 (tambien puede hacer doble click sobre el sector en el gráfico para modificar los parámetros).
9. En la ventana de dialogo modifique la potencia, altura, azimuth y los parámetros de antena a lo indicado en el el RND, antena 742266V02. Dado que la red opera en la banda A, seleccionar la frecuencia más proxima a la frecuencia central en el Downlink, 1857.5MHz (ello dado que en Banda A DL:18501865/UL:1930-1945). Esto se ilustra en la figura abajo (seleccione aplicar sin salir de la configuración de las propiedades del transmisor (Note que dejaremos activo este sector, check en Active).
10. Modifique los parámetros de Feeder & TMA a los indicados y presione Commit. La longitud del Feeder es 5m adicionales a la altura como se muestra en la figura.
10. Cambie el Label del sector de UNI0003_1 a UNI003A, como indica el RND.
11. Seleccione el modelo de propagación a ser empleado por este sector. Para ello seleccione la pestaña Propagation y configure Okumura-Hata para ser utilizado para el sector , el radio de calculo a 20kms y la resolución 30m se muestra en la figura. Presione luego aceptar para salir de la configuración de parámetros.
12. Debemos ajustar los cluster para ser empleados por el modelo de Okumura Hata. Para ello seleccione la pestaña de Parameters, expanda Propagation Models y haga doble clisk en Okumurta-Hata como se ilustra en la figura.
12. Configure las pérdidas a los valores indicados en la figura abajo para los diferentes tipos de cluster.
13. Como puede notar, los sectores se ven oscuros. Para modificar la apariencia del sector seleccione la pestaña Network y luego transmitters. Haga click derecho sobre transmitters y seleccione Properties. En la pestaña de display configure las propiedades como se muestra en la figura y presione aceptar para que cada sector sea identificado con diferente color.
14. Para realizar la predicción de cobertura del sector recien configurado, haga click sobre el sector (el sector debe estar activo), seleccione Calculations -> Create New Prediction.
15. Para la predicción de cobertura del sector seleccione “Covergae by Signal Level(DL)”, la cual nos reflejará en nivel de potencia recibido en el Downlink y presione “Calculate”.
16. Ahora debemos adecuar los rangos de forma que sea mas fácil identificar los rangos de calidad de recepción en el área. Para ello, seleccione en predicción la predicción actual, correspondiente a UNI003A para que aparezcan los rangos actuales:
17. Modifique los rangos de forma que reflejen los rangos para cobertura Urban, Suburban & Rural, los cuales definimos en UniNet a los indicados en la figura:
18. Guardaremos esta leyenda de rangos a fin de reutilizarla en los próximos plots. Para ello seleccione Actions -> display configuration ->Save y guardela con el nombre UniNet_SignalLevels.
19. Repita los procedimientos anteriores para configurar los tres sectores del sitio AN0003 conforme al RND dado. 20. Una vez configurados los tres sectores, coloque el cursor sobre la carpeta Transmitters y seleccione Calculations -> create new prediction para predecir la cobertura de los sectores marcados de AN0003.
21. Para utilizar los rangos guardados, en la pestaña display seleccionar Actions, Display Configuration -> load and Apply y seleccione el archivo de rangos guardado previamente (UniNet_SignalLevels) y luego aceptar.
21. En predicción, localice la el nombre de la predicción, e.g. Coverage by Signal Level (DL) , haga clic izquierdo y seleccione Calculate para generar el Plot de predicción como se muestra en la figura.
22. Agregue todos los demás sectores del RND y genere la predicción de nivel de potencia recibido en toda la zona.
