Tema 7. Repetidores UMTS

UMTS/HSDPA Tema 7: Repetidores UMTS Ing. Jesús Alejandro Lugo Ruíz ([email protected]), CEDITEL

UMTS/HSDPA “UNIVERSAL MOBILE TELCOMMUNICATION TELCOMMUNICAT ION SYSTEM/HIGH SPEED PACKET ACCESS” Tema 7.- Repetidores UMTS CARACAS 07 NOVIEMBRE 2009

UMTS/HSDPA TEMA 7: Repetidores UMTS Ing. Jesús Alejandro Lugo Ruiz, CONATEL-CEDITEL

CURSO UMTS/HSPA

1.- Introducción a UMTS 2.- Acceso WCDMA 3.- Acceso radio UMTS 4.- Evolución radio en UMTS 5.- RRM en redes heterogéneas 6.- Arquitectura de UMTS 7.- Repetidores UMTS. 8.- En miras de la cuarta generación UMTS/HSDPA TEMA 7: Repetidores UMTS Ing. Jesús Alejandro Lugo Ruiz, CONATEL-CEDITEL

BIBLIOGRAFÍA

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Sang-Jin Park, Whan Woo Kim, Bum Kwon, “An Analysis of Effect of Wireless Network by a Repeater in CDMA System”, IEEE VTC 2001, pp.2781 -2785. Wan Choi, Bong Youl Cho, and Tao Won Ban, “Automatic On-Off Switching Repeater for DS/CDMA Reverse Link Capacity Improvement”, IEEE Communication Letters, vol.5 No. 4, Abril 2001, pp.138-141. Moussa R. Bavafa Howard H. Xia, “Repeater for CDMA Systems”, AirTouch Communications, Inc. 2999 Oak Road, MS 900, Walnut Creek, CA 94598, IEEE VTC 1998, pp.1161-1165. W. Lee, D. Lee, “The Impact of Repeaters on CDMA System Performance”, IEEE VTC 2000, pp. 1763-1767. K.S. Jeong, J.M. Cheong, T.H. Park, T.G. Kim, S. Park, “Performance Analysis of DSCDMA Reverse Link with Fiber-Optic Repeaters”, IEEE VTC 2000, pp. 2439-2443. M. Rahman, “Repeater in WCDMA/UMTS”. Master Thesis, Telia Research, Chalmers, Arne Svensson, enero 2002.


BIBLIOGRAFÍA

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M. García-Lozano, Luis Alonso, F. Casadevall, S. Ruiz, L.M. Correia, “On the Impact of Repeaters Deployment on WCDMA Networks Planning”, IEEE VTC’06 Spring, Vehicular Technology Conference, Melbourne, Australia, May 7-10, 2006. M. García-Lozano, Luis Alonso, F. Casadevall, S. Ruiz, “Impact of Repeaters Deployment on UMTS Admission Control”, European Meeting COST-273, Towards Mobile Broadband Multimedia Networks, Lisboa, Portugal, November 10-11, 2005. Mario García-Lozano, Luis Alonso, Ferran Casadevall, Silvia Ruiz, Luis Correia, “Enhanced Analysis of WCDMA Networks with Repeaters Deployment”, será publicado en IEEE Transactions on Wireless Communications durante 2007. Mario García-Lozano, Luis Alonso, Ferran Casadevall, Silvia Ruiz, “Capacity and Coverage Tradeoff in WCDMA Environments with Repeaters Deployment”, Wireless Personal Communications Journal, Vol. 40, No.3, pp. 329-342, February 2007. Luis Alonso, Mario García, Fernando Casadevall, ““Feasibility Condition for the Uplink in a CDMA Multi-Service Mobile Communications System with Repeaters”, IEEE Communications Letters, Vol. 9, No. 5, Page(s): 408-410, May 2005 .


REFERENCIAS DE FABRICANTES

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LGC Wireless. www.lgcwireless.com, 2540 Junction Avenue, San Jose, CA 95134-1902, Phone: +1-408-952-2400, Fax: +1-408-952-2410, Customer Help Hotline: +1-800-5309960. INNOACE. www.innoace.com, 2,3 6F, SK Telecom SNU R&D Center,, San 4-1, Bongcheon-dong, Gwanak-gu, Seoul, 151-050, Korea. ETSA. www.etsa.fr, Z.A. "La Duquerie" - 37390 Chanceaux sur Choisille, France, Tél. +33 (0)2 47 55 40 50 , Fax. +33 (0)2 47 49 22 23. Dekolink Wireless, www.dekolink.com, 16 Bazel St. Qiryat Arieh, Petah Tikva, ISRAEL 49510, Tlf. 972-3-9180180, Fax: 972-3-9180190. RFS. Radio Frequency Systems, www.rfsworld.com, 200 Pondview Drive, Meriden, CT 06450-7195, Tel.: 1 (203) 630 3311, Fax: 1 (203) 634 2272. Avitec. www.avitec.se, Avitec AB, P.O. Box 20116, S-161 02, Bromma, Sweden, Telephone: +46 8 475 47 00, Telefax: +46 8 475 47 99. Juni Repeaters, www.juni.com.au, Unit 7, No.4 Avenue of Americas, Newington, Sydney, NSW 2127, AUSTRALIA, Ph. +61 2 9748 0999, Fx. +61 2 9748 0895, Mob. +61 427 299 083. UMTS/HSDPA TEMA 7: Repetidores UMTS Ing. Jesús Alejandro Lugo Ruiz, CONATEL-CEDITEL

INTRODUCCIÓN

• Los sistemas de comunicaciones operan con cierta frecuencia bajo circunstancias en las que las condiciones de propagación electromagnética o de distribución de trafico son muy heterogéneas en el tiempo y en el espacio. • Aparece un compromiso entre criterios técnicos y económicos en la planificación de las infraestructuras de red. • Herramientas disponible: Sistemas de Distribución. Sistemas de bajo coste para el despliegue de servicios en circunstancias especiales (trafico, accesibilidad, propagación, etc.). • Es necesario estudiar las implicaciones en el sistema, ventajas e inconvenientes de este tipo de soluciones de cara a poder decidir cuando es conveniente utilizarlas.


INTRODUCCIÓN

Los sistemas de distribución ofrecen mejoras de la cobertura y extensiones de la misma para localizaciones con dificultades de propagación o en zonas rurales donde se necesitan unas prestaciones de RF similares a las ofrecidas por una estación base.


INTRODUCCIÓN

• Dentro del concepto de Sistemas de Distribución se pueden distinguir dos grandes opciones tecnológicas: – Microestaciones base: pequeñas estaciones base que trabajan con bajas potencias de radiación. Opción de bases móviles. – Repetidores: Cabezales de radiofrecuencia que reciben señal de una o varias estaciones base (llamadas donantes), amplifican dicha señal, opcionalmente la cambian de frecuencia y la vuelven a radiar mediante una antena hacia la zona en la que están extendiendo la cobertura.

• La decisión de utilizar estas tecnologías en el despliegue depende de criterios técnicos y económicos, da capacidad y grado de servicio que se desea ofrecer.


INTRODUCCIÓN

• Modelo genérico de sistema con repetidores


INTRODUCCIÓN

• Modelo genérico de repetidor


INTRODUCCIÓN

• Uso previsible cada vez más extendido – Cada vez las celdas tienden a ser mas pequeñas, y resulta difícil conseguir suficientes emplazamientos para las bases. – Las frecuencias de trabajo cada vez mayores producen mayores pérdidas de propagación (más facilidad de aparición de zonas de sombra). – La tecnología de radio sobre fibra permite una densidad muy alta de elementos remotos. – Cada portadora UMTS tiene mayor capacidad que las portadoras GSM, con lo que se requerirá mayor reparto espacial de la capacidad


ESCENARIOS DE APLICACIÓN

• Extensión de cobertura a zonas de sombra



• Extensión de cobertura en zonas urbanas



• Extensión de cobertura en interiores de edificios o túneles. • Utilización de cable radiante



• Interior de edificios, túneles o lugares donde la atenuación radioeléctrica es elevada. • Recintos amplios donde se produce un fuerte aumento de la demanda de capacidad (estadios y pabellones deportivos, recintos feriales, aeropuertos, etc.) • Emplazamientos remotos, generalmente rurales, de baja demanda de capacidad que pueden compartir recursos de transmisión. • Extensión de cobertura a zonas suburbanas cercana a grandes concentradores de población. • Carreteras o vías ferroviarias (y extensiones).


CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS BASADOS EN REPETIDORES

• Repetidores sobre soporte físico – Repetidores sobre fibra óptica – Repetidores sobre cable coaxial – Repetidores sobre cable de pares • Repetidores sobre enlace inalámbrico – Repetidores sobre enlace radio – Repetidores sobre enlace de infrarrojos • Bases con cabezales de Radio Frecuencia remota – En ocasiones son básicamente sistemas propietarios donde las antenas remotas funcionan del mismo modo que un repetidor sobre soporte físico. – Con frecuencia su funcionalidad e mas compleja que la de un mero repetidor puesto que la señal radio que transmite se genera en las propias cabeza de RF a partir de la información que les transmite la Base. UMTS/HSDPA TEMA 7: Repetidores UMTS Ing. Jesús Alejandro Lugo Ruiz, CONATEL-CEDITEL

CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS BASADOS EN REPETIDORES

• Interiores – Para edificios, galpones, garajes, etc. – Alojados en cajas sencillas. – Radian poca potencia (unos 20 dBm).

• Exteriores – Para túneles, recintos feriales, carreteras, ferrocarriles, etc. – Requieren una instalación mas sofisticada con mayor protección. – Radian mayores potencias (del orden de los W)


REPETIDORES SOBRE SOPORTE FÍSICO



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Repetidores sobre cable coaxial – Distancia máxima reducida del enlace Base-Repetidor. Perdidas significativas del cable en RF. Distancias máximas estándar de 300m aprox. (2GHz). – Grosor de los cables poco apropiado para entornos de exteriores, mucho mayor que fibra óptica, con menor capacidad de transmisión. – Aparece distorsión de fase, puede obligar a incluir un ecualizado de fase.

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Repetidores sobre cable de pares – Aprovechamiento infraestructura de red de datos LAN y MAN. – Suele ser necesario utilizar técnicas de cancelación de ecos. – Alcances limitado en distancia (del orden de los cientos de metros).

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Repetidores sobre fibra óptica – Distancias Base-Repetidor de hasta 15Km sin repetidores de fibra. – Enlace a frecuencia intermedia, de unos pocos cientos de MHz. – Puede trabajar con más de una frecuencia portadora. • mutiplexación de subportadora (SCM) o longitud de onda (WDM) UMTS/HSDPA TEMA 7: Repetidores UMTS Ing. Jesús Alejandro Lugo Ruiz, CONATEL-CEDITEL



REPETIDORES SOBRE ENLACE INALÁMBRICO

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Enlace por radio – Iso-frecuencias. – Salto de frecuencia.

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Enlace por infrarrojo – Requieren LOS – Distancias pequeñas (en la actualidad hasta 5Km). – Banda libre: no generan ninguna interferencia en el resto de la red. – Problemas de variabilidad con las condiciones meteorológicas. UMTS/HSDPA TEMA 7: Repetidores UMTS Ing. Jesús Alejandro Lugo Ruiz, CONATEL-CEDITEL


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Repetidores Iso-frecuencia: – Tecnológicamente mas simples. – Mas baratos “Ahorro de banda”. – Ganancia acotada para evitar oscilación: unos 15 dB menor que el aislamiento entre antenas. – Peligro de enganche de usuarios en el enlace Base-Repetidor. – Existen repetidores de pequeño tamaño para interiores. – Permiten el uso de repetidores selectivos en banda: • Mas simple que los selectivos en canal • Requerimientos de linealidad muy estrictos • Potencia efectiva por portadora baja • Si existen portadoras de otros sistemas no previstas en el momento de la implantación del sistema pueden provocar saturación y/o productos de intermodulación sobre la señal útil



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Tipo especial ICS (Interference Cancellation System). Uso de DSP (Digital Signal Processors) para cancelar la interferencia. Ventajas. – Permite mayor ganancia con menor aislamiento entre antenas. – No requiere separación física entre las antenas.

Fabricante: INNOACE UMTS/HSDPA TEMA 7: Repetidores UMTS Ing. Jesús Alejandro Lugo Ruiz, CONATEL-CEDITEL


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Repetidores de salto de frecuencia: – Uso de bandas adicionales • Aumento del costo • Opciones microondas. – Uso de bandas asignadas al sistema • Requiere una planificación cuidadosa de frecuencias. • Aumento de bloqueo (margen dinámico de las señales no controladas) • Uso simple de bandas: Enlace Base-Repetidor con na frecuencia propia del sistema sin cambio. Peligro de enganche de usuarios a ese enlace e inhibición del repetidor. • Uso especial de banda: Transmisión especial de la señal en el enlace BaseRepetidor: – Invertida: señal rotada respecto su frecuencia central – Transpuesta: Intercambiar frecuencias uplink-downlink UMTS/HSDPA TEMA 7: Repetidores UMTS Ing. Jesús Alejandro Lugo Ruiz, CONATEL-CEDITEL


• Inversión de señal

• Transposición de señal



• Repetidores de salto de frecuencia: – Caso especial: convivencia UMTS/ GSM. – Es posible utilizar bandas de frecuencias de GSM para enlaces Base-Repetidor en UMTS, interfiriendo las transmisiones GSM, puesto que: • El ancho de banda de un canal UMTS es unas 25 veces superior al de un GSM, por lo que la interferencia que el radioenlace UMTS supone sobre GSM es 13 dB inferior sobre otro sistema UMTS. • En UMTS, al menos para servicios de voz, la potencia requerida es 20 dB inferior a la de GSM. • El operador puede inhabilitar el uso del servicio GSM alrededor de los extremos del enlace para mejorar las prestaciones


SISTEMAS BASADOS EN REPETIDORES

• Repetidores sobre soporte físico: – Ventajas: • Menor atenuación en el enlace Base-Repetidor. Aumento de la distancia posible entre ambos elementos y de la capacidad del sistema. • Aislamiento total entre os enlaces Base-Repetidor y UE-Repetidor. • No es necesario LOS entre Base y Repetidor.

– Desventajas: • Mayor costo de implementación: despliegue o alquiler de enlace • Requiere conversores si el enlace no es dedicado para introducir la señal en un soporte compartido


SISTEMAS BASADOS EN REPETIDORES

• Repetidores sobre enlace inalámbrico: – Ventajas: • Sencillez de implementación. • Menor costo (especialmente iso-frecuencias).

– Desventajas: • Mayor atenuación en el enlace Base-Repetidor. Posible variación del estado en función de las condiciones climatológicas. Reducción de la capacidad. • Necesidad de aislamiento entre antenas (difícil en espacios abiertos). • Necesidad de tenar LOS entre la Base y el Repetidos. • Posible necesidad de modificación del plan de frecuencias.


CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO

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Ganancia del repetidor – Importante hacer un diseño adecuado para evitar saturación y/o comportamientos no lineales. En principio debe compensar pérdidas del enlace. – Especialmente critico en el enlace descendente UMTS – Opción de incorporar un control automático de ganancia. En UMTS aumenta el cell breathing pero también la cobertura para cargas bajas. Importante si hay repetidores con enlaces independientes. – Conveniente que a ganancia sea simétrica en ambas direcciones (garantiza buen comportamiento del canal de acceso y control de potencia)

G RI

•

=

PTX , RI , MAX P

LB , RI G

G

• • • •

B: Base RI: Repetidor I L: Pérdidas G: Ganancias

Control de potencia TX , B ,MAX TX , B , RI RX , RI , B – Para no confundir a los mecanismos d control de potencia se debe mantener la potencia de transmisión constante y homogénea (al menos de canal piloto) entre repetidores (UMTS)



•

Ganancia fuera de banda – Concepto especialmente relevante en repetidores radio. Cobra especial relevancia debido a la importancia de las interferencias n la capacidad y calidad de las comunicaciones. – Un elevado nivel de señal transmitida fuera de la banda útil supone un incremento de las interferencias generadas en los canales adyacentes y, por tanto, una disminución de su capacidad. Peligros de bloqueo. – Existe un compromiso entre características/complejidad de los filtros y la ganancia de banda que presentan. Una reducción de la señal fuera de banda supone un incremento de la distorsión en la señal útil.

•

Aumento de ruido térmico – Inevitable un incremento del ruido en e sistema. Perdidas de sensibilidad de la base – Importante tener valor reducido del factor de ruido de los equipos – Opciones de mejora: Automatic ON-Off Switching



• Retardo: – El enlace Base-Repetidor introduce un retardo en la señal, proporcional a la distancia entre ambos. – Los repetidores en si mismo suelen introducir un retardo de unos 5-6 µs en la señal. – El retardo total debe poder ser tolerado por el sistema (tanto para el acceso como para la transmisión) – Especialmente importante si las zonas de cobertura directa de la base y de los repetidores no están totalmente aisladas (aparece una pro pagación multicamino)

• Canal de servicio: – En general es necesario establecer entre la base y sus repetidores un canal de servicio por el que se envíe información de configuración, mantenimiento y alarmas, así como ordenes de uso o desactivación de las diferentes portadoras utilizadas



• Estabilidad de los osciladores: – Suelen utilizarse conversiones de frecuencias (a una frecuencia intermedia) en los repetidores para mejorar la eficiencia de la amplificación, ello obliga a tener osciladores de muy alta precisión, o introducir mecanismos para no perder las referencias de fase


IMPACTO EN EL RESTO DE LA RED

• Diferente según la tecnología del sistema – TDMA/FDMA – CDMA

• Aumento del área de cobertura – Área de cobertura dependiente de la potencia máxima del repetidor – Reparto de la capacidad en más superficie – Más intensidad de cell breathing si la potencia repetidor < potencia base

• Aumento del nivel de ruido térmico – Inevitable aparición de un incremento del ruido en el sistema. Pérdida de sensibilidad de los receptores – Aumento muy significativo del factor de carga en enlace ascendente – Disminución remarcable de la capacidad



• Efectos sobre el control de potencia – La presencia de repetidores puede confundir a los mecanismos de control de potencia si la potencia de los canales piloto no es ho mogénea entre bases y repetidores. – La instalación de un repetidor irregular puede afectar al resto del sistema.

• Efectos sobre la capacidad – En UMTS, la instalación de un repetidor supone un incremento del nivel de ruido que afecta a a capacidad de TODO es sistema. Se reparte MENOS capacidad en mas superficie



• Efecto de diseños inadecuado: – Aparecen si hay repetidores en mal estado, con ganancias inadecuadas, con un comportamiento fuertemente no lineal, etc. – Efectos generales • Posibilidad de oscilación, saturación, distorsión, producto de intermodulación, interferencias no controladas, bloqueo, etc. • Disminución de la calidad de las comunicaciones

– En sistemas FDMA/TDMA • Cambio del nivel de interferencia en las celdas afectadas • Errores en la planificación de frecuencias. • Efecto inapreciable i la radiación del repetidor esta aislada

– En sistemas CDMA • Reducción drástica de la capacidad del sistema, incluso aunque la radiación del repetidor este aislada


CONCLUSIONES

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Despliegue basado en Repetidores – Opción tecnológica interesante para determinadas aplicaciones, por cuestiones económicas, de planificación e incluso ambientales. – Impacto relevante en los sistemas de comunicaciones móviles. Debe cuidarse el diseño y evaluar con cuidado las diferentes opciones. – La decisión de utilizar estas tecnologías en el despliegue depende de criterios técnicos y económicos, de capacidad y grado de servicio qu e se desea ofrecer. – Los mas extendidos son los basados en enlace radio y fibra óptica.

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Advertencias – Un diseño inadecuado del sistema con repetidores puede resultar contraproducente. – En sistemas CDMA un uso inadecuado, incluso en ambientes confinados (no detectables a priori), puede afectar el rendimiento global del sistema. – En cualquier caso un repetidor SIEMPRE reduce la capacidad total en sistemas basados en CDMA.


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