el rol de las celdas pequeñas en las redes heterogéneas

Autor:Marcel NoordmanEngagement Consultant, Mobile Broadband,Ericsson Latin America and Caribbean

A medida que la Sociedad Conectada va cobrando forma, brindar la mejor experiencia a los usuarios es una prioridad para los operadores. Las aplicaciones “hambrientas” de ancho de banda, comunes en smartphones, tablets y otros dispositivos conectados, están produciendo un gran crecimiento del tráfico de datos. Para que las redes sigan el ritmo de la demanda, los operadores pueden mejorarlas y densificarlas, así como agregarles celdas pequeñas (small cells) en lo que se conoce como redes heterogéneas. Las celdas pequeñas se complementan con los sitios macro y constituyen una estupenda forma de resolver los problemas de cobertura y capacidad en hotspots como plazas de ciudades concurridas, calles comerciales, estaciones de tren, hoteles, centros comerciales, oficinas y aeropuertos. Una coordinación estrecha con el resto de redes es necesaria para maximizar la reutilización del escaso espectro y asegurar la calidad del servicio.

Hacer que las celdas pequeñas funcionen de forma efectiva como parte de una red heterogénea integrada necesita de una planificación cuidadosa y ubicación precisa de la red. Esto establece los requisitos de adquisición del sitio, conexión eléctrica y la disponibilidad de la trasmisión (nivel del operador). Además, el costo total de la red comúnmente se incrementa con el número de sitios (grandes y pequeños). Mantener los costos de mantenimiento y operación bajo control se puede volver un problema.

1 Julio 2012 – El rol de las celdas pequeñas en las redes heterogéneas

El consumo mundial de smartphones continúa mostrando un gran impulso. Cerca de un tercio de todos los teléfonos vendidos en 2011 fueron smartphones, comparado con cerca de un quinto en 2010 [1]. Las suscripciones totales de smartphones alcanzaron los 700 millones aproximadamente en 2011 y se espera que alcancen los 3 mil millones aproximadamente en 2017 [3]. Se espera que el número de tablets vendidas a nivel mundial se incremente de 18 millones en 2010 a más de 326 millones en 2015 [2]. Los suscriptores están utilizando estos dispositivos conectados no solo para acceder a internet, sino también para acceder a aplicaciones y servicios basados en la nube, incluido video y otro contenido de ancho de banda intensivo.

Como un resultado de estas tendencias, el tráfico de datos generado por el smartphones se ha casi duplicado en el primer trimestre de 2011 y de 2012 respectivamente [3] y se espera que siga creciendo a una tasa anual de 60% a nivel mundial. En la actualidad, los usuarios promedio de smartphones generan aproximadamente 500 MB de tráfico al mes [1] y este número está creciendo. En conjunto, el tráfico de datos móviles se espera que crezca quince veces más en 2017 [3].



Los usuarios cada vez saben más acerca de velocidad de conexión, velocidad de datos, cobertura y disponibilidad de sus servicios de banda ancha móvil. Para asegurar que los suscriptores permanezcan satisfechos, los operadores deben brindar una experiencia de banda ancha móvil consistente, de alta calidad y constante que cumpla o exceda sus expectativas. Según se muestra en la Figura 1, alcanzar la satisfacción del suscriptor requerirá un rendimiento de datos mejorado en conjunto y en los bordes de las celdas, especialmente en los interiores donde se genera cerca del 70% del tráfico de datos de hoy en día.

Aunque se ha demostrado que las macro celdas son rentables en la mayoría de los escenarios, cumplir la demanda de banda ancha móvil es ahora cada vez más desafiante en determinados escenarios; tales como: • Hotspots en exteriores amplios, como plazas de ciudades y calles comerciales con gran demanda de tráfico y una macro red que ya es densa, áreas donde la interferencia es alta;

• Hotspots en interiores amplios y aislados, como negocios y hoteles a los que puede ser difícil alcanzar desde una macro red en el exterior;

• Hotspots en interiores amplios, como centros comerciales, aeropuertos y estaciones de metro, donde las demandas de movilidad y la interferencia son altas;

• Hotspots localizados en interiores o huecos de cobertura menor, como oficinas pequeñas, restaurantes y puntos de venta al por menor que desafían el despliegue y estructura de costo de las redes celulares convencionales.

En cada uno de estos lugares, las redes heterogéneas, en las que las celdas pequeñas complementan a las macro celdas, pueden ayudar a cumplir con la creciente demanda de banda ancha móvil. Sin embargo, para hacer que esto ocurra, se necesitan superar varios desafíos.

A medida que las celdas pequeñas complementan las macro celdas mejoradas y densificadas, y el número de los nodos de radio aumenta, el backhaul se vuelve más importante. El rendimiento del backhaul no afecta solamente al desempeño de los datos disponible para los usuarios, sino también al rendimiento general de la red de acceso de radio. La transmisión con nivel de calidad de internet proporciona un rendimiento suficiente para celdas pequeñas integradas libremente o no.

Sin embargo, para una coordinación más precisa de las celdas pequeñas, necesaria para un uso optimizado del espectro escaso, se requiere un alto rendimiento del backhaul con baja latencia. Las redes con un gran número de sitios (pequeños) de celdas necesitan soluciones de backhaul que puedan usar una selección de medios de transmisión físicos, lo que incluye microonda, fibra, cables de cobre y conectividad inalámbrica. Para los operadores, existe claramente un compromiso entre el uso de recursos de infraestructura que ya se encuentran disponibles, quizá no exactamente en el lugar requerido, y la inversión en la transmisión dedicada del backhaul que resulta del rendimiento más alto de la red global. Esta decisión también afecta los costos de instalación y el tiempo que se necesita para la adquisición e instalación del sitio.

Para obtener el valor máximo del espectro de radio, los operadores necesitarán soluciones flexibles del sitio de estación base que permitan la ubicación ideal del sitio de radio. Los operadores tendrían que considerar

Figura 1: Un enfoque combinado para brindar una consistente experiencia del usuario. Este método está resumido en (1) mejorar: un mejor rendimiento de todo el sitio de la celda; (2) densificar: aumentar la velocidad de datos en los bordes de las celdas; y (3) agregar: incrementar la velocidad de datos internos.

Velocidad de datos


alternativas para la ubicación del sitio al cooperar con nuevos socios tales como municipalidades, minoristas y agencias externas en lugar de negocios tradicionales con propietarios y comités de aprobación de estructuras. En las áreas metropolitanas, complementar una macro red ya densa con celdas pequeñas adicionales en las calles requiere ser implementada usando antenas pequeñas de tal manera que el equipo sea casi invisible

.

Los usos que involucran un número significativo de pequeñas estaciones radiobase cambian la economía de las implementaciones de la red móvil. El tiempo y costo de planificación, instalación y configuración de un sitio de macro celdas convencionales son difíciles de justificar para celdas pequeñas que pueden servir a un número limitado de subscriptores. La planificación integral y la migración en fases ayudarán a los operadores a aumentar su capacidad en un área determinada de la red. Desde una perspectiva de red de radio, la complejidad de una red heterogénea compuesta por varias capas y tecnologías de radio podría fácilmente volverse incontrolable a menos que sea diseñada cuidadosamente.

El número de relaciones colindantes en una red de celdas de tamaños diferentes puede aumentar sustancialmente y el manejo

Imagen 2: Selección de celdas en una red heterogénea.

manual de identificación de celdas y listas de celdas colindantes podría volverse un trabajo intenso y costoso. La necesidad de moverse sin problemas desde una tecnología de acceso de radio a otra para mantener una cobertura máxima y uso de recursos exige una interoperación efectiva entre las macro celdas y las celdas pequeñas, así como a través de tecnologías de acceso de radio.

Para muchos operadores, el espectro de radio es un recurso limitado y una de las inversiones más estratégicas e importantes. Esto conduce a una demanda sobre el espectro para que sea utilizado tan eficientemente como se pueda, en especial en áreas densamente pobladas. En una red heterogénea, la coordinación entre las macro celdas y las celdas pequeñas tiene un impacto positivo en el rendimiento de la red de radio y consecuentemente en la experiencia general del usuario. Las celdas pequeñas coordinadas e integradas mejoran el rendimiento por medio de la reutilización de la frecuencia, incrementando la capacidad y el rendimiento de datos de la red sin la necesidad de dividir el espectro disponible. El mayor beneficio de coordinación se logra cuando se usa un ancho de banda alto dedicado y un enlace de baja latencia entre varios radios proporcionados por la misma banda base.

La coordinación disminuye el número de celdas pequeñas necesarias de un 50% a 70% y aumenta la velocidad de transmisión de datos del usuario para dispositivos limitados por la potencia de transmisión o interferencia por un factor de dos a diez [4]. Esto reduce el TCO de una capa de la celda pequeña por encima del 50% [4] debido a la reducción de infraestructura (menos celdas), implementaciones, operaciones y costos de mantenimiento.

Señal de la macromás potente

Señal del picomás potente


Diseñar una red heterogénea de la manera más efectiva implica mejorar, densificar y agregar a la infraestructura de la banda ancha móvil lo siguiente:

• Mejorar los sitios existentes de macro celdas – mediante el aumento de las macro celdas con más espectro, antenas avanzadas, aumentando la diversidad en el receptor y/o transmisor y una mayor capacidad de procesamiento de la banda base dentro y entre los nodos. La evolución continua de las tecnologías HSPA y LTE impulsarán la eficiencia de la macro red por medio de características especializadas, tales como modulación más sofisticada, mejor desempeño de la sectorización, transmisores múltiples y soluciones de antenas múltiple, así como la redistribución del espectro mediante el uso de soluciones de radio híbrida. El incremento de la capacidad y la velocidad de los datos de esta forma eliminan la necesidad de nuevos sitios.

• Densificar la macro red – La capacidad y velocidad de datos que se obtiene a través de la mejora únicamente de la red macro resultará, eventualmente, insuficiente para cumplir con la demanda. Una manera simple de densificar una red podría ser con una división de celdas, lo que permite que un sitio realice la transición de un sitio de tres sectores a otro de seis. Otra opción es añadir nuevos sitios macro en ubicaciones estratégicas.

• Agregar celdas pequeñas – Complementar las macro celdas con celdas pequeñas y soluciones para interiores basadas en el estándar 3GPP. Este enfoque puede incluir el uso de micro celdas, celdas pico o unidades de radio remota de baja potencia (RRU), así como Wi-Fi. Esto ofrece una alta capacidad por usuario y un nivel de cobertura en las áreas cubiertas por celdas pequeñas, con la posibilidad de mejorar el desempeño en la red macro con solo descargar el tráfico generado en los hotspots. El grado de integración que se puede obtener a partir de las redes heterogéneas determinará el desempeño general de la red.

Como se aprecia en la Figura 3, la clave es encontrar la combinación exacta, en otras palabras dónde mejorar, densificar y añadir a fin de hacer frente a futuras demandas de capacidad y cobertura. Cómo y cuándo utilizar cada herramienta depende de las redes existentes (densidad del sitio macro), la disponibilidad del backhaul (de su propiedad o alquilada), la disponibilidad del espectro (autorizada o no), los volúmenes de tráfico estimado, y la velocidad de datos solicitada, así como la viabilidad económica y técnica de cada enfoque individual.

Figura 3: Un enfoque combinado a fin de maximizar el desempeño de las redes heterogéneas: (1) Mejorar: Un mejor desempeño conjunto del sitio de las celdas; (2) Densificar: mejorar la velocidad de datos en los bordes de las celdas; y (3): Agregar: incrementar la velocidad de datos internos.

selección correctade la red heterogénea

Velocidad de datos


Como se mencionó en el debate anterior no se trata de celdas macro o pequeñas sino de una combinación inteligente de ambas. Es fácil confundirse y existen algunos errores comunes acerca de este tema:

> ERROR 1:

“Las celdas pequeñas son la única forma de expandir la capacidad para hacer frente al incremento del tráfico de datos móvil”. Las celdas pequeñas son parte de una selección de opciones mucho más amplia que los operadores móviles tienen para expandir su capacidad de red y mejorar la calidad del servicio. Antes de agregar las celdas pequeñas, los operadores deben mejorar y densificar la macro red actual, por ejemplo, agregar espectro y portadoras, actualizar los esquemas de modulación y la velocidad de datos a niveles superiores, incrementar la diversidad del transmisor y receptor, la optimización de la red de radio, la sectorización y el uso de LTE en un nuevo espectro de la misma red. Después de maximizar estas opciones, los operadores pueden utilizar celdas pequeñas de soporte en áreas hotspots a fin de proporcionar una mayor cobertura y capacidad. Para el año 2017, se espera que más del 30% de la población mundial viva en áreas urbanas y metropolitanas. Estas áreas representan menos del 1% del área total del planeta, y aun así van a generar alrededor del 60% del tráfico móvil para el 2017. En estas áreas, las redes heterogéneas complementarán las mejoras de la macro red, siendo útiles para el tráfico y proporcionando una buena cobertura y una alta calidad en la experiencia del usuario. Para el 2017, Ericsson espera que en las áreas urbanas y metropolitanas, cada macro celda tenga en promedio 3 celdas pequeñas de soporte en una arquitectura heterogénea. Esto equivale aproximadamente a 1 celda pequeña por sector macro.

> ERROR 2:

“Las celdas pequeñas son menos complejas que las macro celdas”. El espectro es un recurso tan escaso y valioso para los operadores de red que requiere de un manejo apropiado. Esto requiere de una red bien planificada, la cual se coordina y optimiza a lo largo de sus diferentes etapas. Dicha red establece requisitos estrictos para la colocación de las celdas pequeñas dentro de la red existente. Optimizar la red de esta manera presenta retos en relación a la disponibilidad del espacio (no existe un sitio adecuado para fijar el equipo), energía y backhaul (no existe una conexión disponible a nivel de transporte). Las soluciones Self

Optimizing Network (SON) serán de ayuda al automatizar las actividades de planificación regular pero no reemplazarán el manejo del diseño, planificación y optimización experta. Un mayor enfoque oportunista a las redes de celdas pequeñas sin coordinación y espectro dedicado conducirá inevitablemente a redes subóptimas, bajo uso de los escasos recursos y finalmente, a un alto costo para los operadores, los usuarios finales y a la economía en general.

> error 3:

“Las celdas pequeñas son más económicas que las macro celdas”. Como regla general, el costo de construcción y especialmente de la puesta en operación de una red móvil aumentará dependiendo del número de sitios (grandes y pequeños). Cada sitio necesita energía, un emplazamiento, una conexión para el resto de la red, control, mantenimiento y algunas veces reparación. El factor económico de las redes de telecomunicaciones es aquel de la economía de escala y en consecuencia, cuando se incluyen todos los costos actuales, los macro sitios siempre tendrán un menor costo por unidad de capacidad que las celdas pequeñas.

> error 4:

“Las celdas pequeñas son mejores que las macro celdas desde una perspectiva de exposición pública a la radiofrecuencia (RF)”. Todos los equipos e instalaciones de telecomunicaciones cumplen con las regulaciones nacionales e internacionales de seguridad para la exposición de RF. Los límites aplicables han sido establecidos con amplios márgenes de seguridad y los niveles de exposición en áreas públicas están normalmente muy por debajo de estos límites. Los niveles de exposición de RF son ampliamente dependientes de la potencia de salida de una antena y su distancia con otra. La exposición disminuye rápidamente con la distancia. Los sitios macro presentan mayor potencia de salida, sin embargo están mucho más alejados del público, mientras que las celdas pequeñas tienen menor potencia de salida pero se encuentran por lo general a niveles de acceso público. Por ende, los niveles de exposición de la RF pública desde los diferentes tipos de sitios son equiparables y siempre por debajo de los límites establecidos. Por consiguiente, no existe diferencia entre las celdas pequeñas y las macro celdas desde una perspectiva de salud pública.

Referencias

1. Ericsson, Fourth Quarter Report, enero de 2012.http://hugin.info/1061/R/1579912/493212.pdf

2. Gartner, Gartner Identifies Top 10 Commercial Business Applications for Tablet Devices,15 de noviembre 2011.http://www.gartner.com/it/page.jsp?id=1849621

3. Ericsson, Traffic and Market Data Report, junio de 2012. http://www.ericsson.com/res/docs/2012/traffic_and_market_report_june_2012.pdf

4. Landström, S., Furuskär, A., Johansson, K., Falconetti, L., Kronstedt. F., (2011) “Heterogeneousnetworks – increasing cellular capacity and coverage”, Ericsson Review 1/2011, pág. 4-9.http://www.ericsson.com/news/110211_hetnets_244188811_c

About the autor

Sobre el autor:

Marcel Noordman es Gerente del negocio de banda ancha móvil en Ericsson Telecommunications en América Latina. Dentro de sus labores, trabaja conjuntamente con la alta dirección de operadores para desarrollar negocios y convertir los retos en oportunidades comerciales. Noordman tiene un interés especial en la gestión en programas de análisis y modelamiento financiero, así como de planificación comercial y estrategia.

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