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Análisis de capacidad de cobertura UMTSTRANSCRIPT
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Anlisis de Capacidad y Cobertura para UMTS en Entornos
con Mltiples Servicios
Luis Mendo, Jos Mara Hernando
Universidad Politcnica de Madrid. ETS Ing. Telecomunicacin,
Ciudad Universitaria, 28040 Madrid.
Abstract: In this paper we present some simulation results regarding the coverage-capacity tradeo for
a UMTS system in a multiple service environment, which provide insight into the radio planning
aspects for this system.
Introduccin El compromiso entre capacidad y
cobertura en CDMA exige nuevas tcnicas de pla-
nicacin radio. Si bien un entorno con una so-
la clase de servicio se puede analizar, de manera
aproximada, mediante clculos sencillos basados en
balances de enlace, a la hora de considerar mezclas
de trco surgen dicultades, y debe recurrirse a la
simulacin. La metodologa descrita aqu se basa
en una ampliacin del modelo presentado en [1].
Modelo del sistema Nos centramos en el enla-
ce ascendente de un sistema DS-CDMA, y conside-
ramos una sola clula. El enlace ascendente es el
que generalmente limita las prestaciones del siste-
ma (incluso en condiciones de trco asimtrico).
La razn de considerar una sola clula es que sim-
plica considerablemente el proceso de simulacin;
la reduccin de capacidad producida por la interfe-
rencia de las restantes clulas del sistema se puede
tener en cuenta, de la forma habitual, mediante el
factor de eciencia [2].
Consideramos un sistema conK usuarios y J cla-ses de servicio. Sea s un vector de K elementos enel que s(k) es la clase de servicio correspondienteal usuario k. Cada clase de servicio j {1, . . . , J}se caracteriza por: tasa binaria Rj , actividad me-dia de fuente j , relacin seal/interferencia (SIR)objetivo j = (EB/N0)jRj/W y mxima potenciade transmisin en sentido ascendente Pmax,j , sien-do W el ancho de banda del sistema. La gananciade codicacin, diversidad multitrayecto (receptor
Rake) y el resto de efectos de nivel de enlace se
engloban en el valor objetivo (EB/N0)j . El valornecesario de SIR para el usuario k se denota comok. Para modelar las uctuaciones producidas porel control de potencia no ideal y por las variaciones
en las condiciones de propagacin (dispersin tem-
poral y dispersin Doppler), k se considera unavariable aleatoria de media s(k). La distribucinde k, segn medidas tomadas en redes IS-95, sepuede considerar log-normal con desviacin tpica
= 2.5 dB [2]. La actividad de fuente para elusuario k se modela mediante una variable aleato-ria de Bernouilli xk de parmetro s(k).
Dadas k y xk, las potencias recibidas Sk quesatisfacen el objetivo de SIR para todos los usua-
rios activos se obtienen resolviendo el sistema de
ecuaciones [1]
Ski=k xiSi +N0W
= k, k = 1, . . . ,K.
El control de potencia debe mantener estos valores
de potencia recibida, en funcin de la prdida de
propagacin de cada estacin mvil hasta la base.
Denimos la probabilidad de degradacin (outage)
para un mvil k como la probabilidad de que lapotencia de transmisin necesaria para este mvil
est fuera del intervalo (0 Pmax,s(k)]. Por simetra,la probabilidad de degradacin es igual para todos
los usuarios con la misma clase de servicio.
La probabilidad de degradacin para un mvil
activo se puede evaluar, de forma aproximada, su-
poniendo que todos los dems mviles no tienen li-
mitacin de potencia y comparando la potencia de
transmisin necesaria para el usuario seleccionado
con su potencia mxima. Esta suposicin es una
aproximacin pesimista (realmente, puede ocurrir
que alguno de los dems mviles no pueda alcan-
zar sus valores de potencia objetivo en recepcin).
La aproximacin resulta muy til porque asla los
fenmenos de propagacin de los distintos usuarios
(para un usuario dado, slo es necesario considerar
su propia atenuacin hasta la base). La atenuacin
del usuario considerado, en unidades logartmicas,
se modela como una variable aleatoria normal con
desviacin tpica s y valor mediano k. Se suponeque el usuario considerado se encuentra en el borde
de la zona de cobertura de la clula, es decir, con
la atenuacin mediana mxima.
La mejora por traspaso con continuidad (soft
hando ) se puede incluir fcilmente de la siguien-
te forma: dado que el usuario de referencia k estsituado en el borde de la clula, suponemos que se
encuentra en situacin de traspaso con una segun-
da estacin base. La atenuacin respecto a esta
base tiene un valor mediano diferente k yun desvanecimiento por sombra independiente con
la misma s. El efecto del traspaso se modela se-
1
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leccionando el mnimo de los dos valores de atenua-
cin.
Para K y s jos, la probabilidad de degradacinpara cada usuario depende de los parmetros del
sistema y de la caracterizacin estadstica de k,xk y k. La mxima probabilidad de degradacinadmisible, pmax, determina la regin de capacidaddel sistema, en trminos de combinaciones permiti-
das de nmero de usuarios K y s. Alternativamen-te, para unos K y s dados, pmax dene la mximaatenuacin mediana aceptable.
Resultados de las simulaciones A continua-
cin presentamos resultados de simulaciones uti-
lizando los siguientes parmetros: W = 5 MHz, = 2.5 dB, N0 = 171 dBm/Hz (factor de ruido3 dB) y J = 3 clases de servicio que corresponden avoz, LCD64 y LCD144 en UMTS, con velocidades
binarias de 8, 64 y 144 kb/s respectivamente. Losfactores de actividad de fuente son 50% para voz y100% para datos, y las potencias mximas son 21dBm para voz y 24 dBm para datos. Las relaciones(EB/N0)j necesarias son 4.8, 2.4 y 3.1 dB, segnvalores correspondientes al entorno pedestrian A
de [3]. Las ganancias de antena son 15 dBi para laestacin base (valor tpico para una base trisectori-
zada, incluyendo prdidas en cables) y 0 dBi para laestacin mvil (incluyendo prdidas por el cuerpo
humano), y = 3 dB.En la gura 1 se muestra la probabilidad de de-
gradacin en el borde de la clula en funcin de la
atenuacin mediana, para una carga de 20 usuariosde voz, 5 de LCD64 y 3 de LCD144. Las curvaspermiten evaluar el efecto benecioso del traspaso
con continuidad. Observamos que las prestaciones
del sistema (cobertura o capacidad) estn limitadas
por uno de los servicios, en este caso LCD144. A
medida que permitimos a los mviles alejarse de la
estacin base, la limitacin de potencia da lugar a
una mayor probabilidad de degradacin para todos
los servicios. Para pmax = 5% en el borde de laclula, la atenuacin mediana est limitada por el
servicio LCD144 a 145 dB. En la gura 2 se ja laatenuacin mediana a 142 dB y se vara el nmerode usuarios de LCD64 y LCD144. Se aprecia un
rpido incremento de la probabilidad de degrada-
cin con la carga, lo cual constituye una manifesta-
cin del comportamiento asinttico de la potencia
en funcin del nmero de usuarios (power pole).
Debido a la existencia de un servicio que limita el
sistema, una estrategia ms adecuada sera buscar
los valores medianos de SIR que equilibran la pro-
babilidad de degradacin para todos los servicios.
Esto podra llevarse a cabo ajustando conveniente-
mente los valores objetivo del mecanismo de con-
trol de potencia para favorecer los servicios que se
encuentran limitados, a costa de los restantes. La
mejora de prestaciones producida por esta tcnica
requiere un estudio ms detallado.
Conclusiones Una caracterstica distintiva de
los sistemas de comunicaciones mviles de Terce-
ra Generacin es su inherente diversidad de servi-
cios. Se ha desarrollado un modelo que permite una
caracterizacin sencilla del comportamiento del sis-
tema en condiciones de mezcla de servicios. Esta
metodologa ha demostrado su utilidad en trabajos
de planicacin radio para el sistema UMTS lleva-
dos a cabo recientemente en Espaa.
134 136 138 140 142 144 146 148104
103
102
101
Atenuacin mediana en el borde
Prob
abilid
ad d
e de
grad
aci
n e
n e
l bor
de
Voz 2 LCD64 LCD144Continua: con traspaso; a trazos: sin traspaso
Figura 1: Probabilidad de degradacin en funcin
de la atenuacin mediana
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20104
103
102
101
Usuarios LCD64
Prob
abilid
ad d
e de
grad
aci
n e
n e
l bor
de
Voz 2 LCD64 LCD144Continua: 3 usuarios LCD144; a trazos: 5
Figura 2: Probabilidad de degradacin en funcin
del nmero de usuarios de LCD64
Referencias
[1] V. V. Veeravalli, A. Sendonaris, The Coverage-
Capacity Tradeo in Cellular CDMA Systems,
IEEE Trans. on Veh. Technol., VT-48(5), 1999.
[2] A. M. Viterbi, A. J. Viterbi, Erlang Capacity
of a Power Controlled CDMA System, IEEE
Journal on Select. Areas in Comm., JSAC-
11(6), 1993.
[3] Evaluation Report for ETSI UMTS Terrestrial
Radio Access (UTRA) ITU-R RTT Candidate,
Technical Report, ETSI, 1998.
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