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ARTCULO NO.ARTCULO
XIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERAELECTROMECNICA Y DE SISTEMAS
(XIII CNIES)
Resumen En el presente artculo se muestra un anlisis
experimental para identificar el fenmeno denominado
contaminacin de seales piloto y observar su impacto en la
calidad de servicio QoS (Quality of Service) de redes 3G. El
anlisis se basa en mapas de estimacin de cobertura, creados
a
partir de mediciones puntuales obtenidas con equipo de
medicin
especializado, capaz de obtener informacin del nivel de
potencia
de un indicador de Desempeo Clave KPI (Key Performance
Indicator) en el sistema WCDMA, el denominado Canal Piloto
Comn CPICH (Common Pilot Channel). Consecuentemente, se
realiza un anlisis de diversos indicadores de desempeo que
nos
permite identificar problemas de la seal. Finalmente, mediante
el
empleo de un Sistema de Informacin Geogrfica GIS
(Geographical Information System), identificar las zonas con
la
problemtica, traslape de coberturas y tendencia en la
propagacin de la seal.
Palabras ClaveCPICH, Ec/Io, GIS, KPI, QoS, WCDMA.
Abstract This paper shows an experimental development to
identify the phenomenon called pilot pollution and observe
its
impact on quality of service (QoS) of 3G networks. The analysis
isbased on coverage maps, created from spot measurements
obtained with specialized measuring equipment, able to
obtain
information based on the Key Performance Indicator (KPI) of
the
WCDMA system, called Common Pilot Channel (CPICH).
Consequently, we analyze various performance indicators that
allow us to identify the signal problems. Then, using a
Geographic
Information System (GIS), identify the problem areas,
overlapping coverage and trend in signal propagation.
Index TermsCPICH, Ec/Io, GIS, KPI, QoS, WCDMA.
1Mariana Alejandra Eslava Gutirrez, alumna de Posgrado en la
Maestraen Ciencias de Ingeniera de Telecomunicaciones del Instituto
Politcnico
Nacional, Mxico, D.F. (e-mail: [email protected])
2 Sergio Vidal Beltrn, profesor investigador y miembro docente
dePosgrado en la Maestra en Ciencias de Ingeniera de
Telecomunicaciones delInstituto Politcnico Nacional, Mxico, D.F.
(e-mail: [email protected])
3 Sonia Jazmn Ponce Rojas, graduada de Posgrado en la Maestra
enCiencias de Ingeniera de Telecomunicaciones del Instituto
Politcnico
Nacional, Mxico, D.F. (e-mail: [email protected])
I. INTRODUCCIN
CDMA (Wideband Code Division Multiple Access)es una tcnica de
acceso mltiple utilizada en el estnda
de tercera generacin UMTS como interfaz area. Es uninterfaz de
radio de telecomunicaciones mviles que utiliza e
Acceso Mltiple por Divisin de Cdigo por Secuencia
Direct(DS-CDMA), incrementando de esta forma la tasa dtransmisin de
datos [1].
La Red de Acceso de Radio Terrestre (UTRAN) es esistema de
acceso radioelctrico de UMTS. La UTRANrepresenta la infraestructura
de red fija que contiene lainstalaciones para transmitir sobre
radio. Los componentes dla UTRAN son las Estaciones Base, las
cuales tambin sollamadas Nodo B y nodos de control llamados RNC los
cualeconectan la UTRAN a la CN. El anlisis sobre lacaractersticas
de la seal se realiza sobre la interfaz Uu, edecir, sobre el enlace
descendente entre el Equipo de Usuario y
el Nodo B, como se muestra en la Fig. 1.
Fig. 1. Arquitectura del Plano de Acceso
El Nodo B permite realizar la transmisin y recepcin de lseal de
radio, filtrado de la seal, amplificacin, modulacin ydemodulacin de
la seal y ser una interfaz hacia eControlador de Radio de la Red
(RNC) [2].
En los sistemas basados en WCDMA, todos los Nodos Butilizan la
misma frecuencia, es decir, emplean un esquema dreutilizacin de
frecuencia de uno. La manera en la cual s
Contaminacin de Seales Piloto y sus Efectosen la Calidad de
Servicio (QoS) en Redes de
Tercera Generacin (WCDMA)Mariana Alejandra Eslava Gutirrez1,
Sergio Vidal Beltrn2, Sonia Jazmn Ponce Rojas3Seccin de Estudios de
Posgrado e Investigacin, ESIME Zac.-IPN, Mxico D.F., MxicoTelfono
(55) 5729-6000 ext. 54630 Y 54799 e-mail: [email protected]
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separan celdas y sectores es mediante un Cdigo deMezclado
(Scrambling Code, SC) empleado en el enlacedescendente. Este cdigo
es transmitido siempre con el mismovalor en la celda o sector
dentro del Canal Piloto Comn(CPICH), canal fsico empleado para
estimar los parmetros
del canal, iniciar la adquisicin del sistema, ayudar en
elproceso de Soft-Handover y sincronizacin. El nivel depotencia del
CPICH determinar cul ser la estacin base quedar servicio a la
estacin terminal de usuario.
En las redes 3G que emplean WCDMA, los terminalesmviles reciben
seales de mltiples Nodos B. Por lo tanto, es
posible que la terminal mvil, no pueda iniciar el registro dered
debido a que se reciben varias seales piloto con nivelesaltos de
recepcin, pero ninguno de ellas es lo suficientementedominante para
que el mvil pueda elegir. Considrese quetodas estas seales estn en
la misma frecuencia y, por tanto,interfieren unos con otros. Dentro
de la planificacin de la redse realizan esfuerzos para evitar que
este tipo de problema se
presente, asegurando que solo una seal piloto sea
ladominante.
En la prctica, la potencia de piloto debe ser mucho mayorque la
potencia de la seal, con el fin de asegurar el xito delsistema en
operacin. La diferencia entre pilotos debe seraproximadamente de 10
dBm, de esta manera el terminal mviles capaz de elegir el sector
que ms le convenga [3].
A. Problemtica Afrontada
La contaminacin del canal piloto, representa un problemapara los
operadores de servicios que operan con WCDMA.Bsicamente, la
contaminacin de pilotos es un tipo deinterferencia, esta se produce
cuando no existe dominancia de
piloto, es decir, existen varios pilotos con niveles de
potenciaelevados, pero la terminal mvil no puede elegir entre
ellos.
En las zonas de gran contaminacin de piloto, el algoritmode
Soft-Handover es incapaz de tomar decisiones, ya quemuchos pilotos
estn entrando, impidiendo que el terminal elijaalguno de ellos.
B. Metodologa de Medicin
Las mediciones fueron realizadas por un analizador deespectro
capaz de trabajar en el rango de frecuencia de 9 kHz a7.1 GHz [4].
El equipo es capaz de demodular la sealWCDMA y decodificarla para
obtener el correspondienteCdigo de Mezclado, de esta manera es
posible obtenerinformacin de diferentes factores de desempeo como
son: la
potencia del canal de CPICH, el valor en la relacin Ec/Io,
elvalor de Ec y la Dominancia de Piloto.
La metodologa de medicin fue realizada haciendmediciones de
desempeo Sobre el Aire OTA (Over the Airusando una antena en la
banda de frecuencia apropiada. LTabla I muestra los valores de
configuracin del equipo y lacaractersticas de la antena, valores
que nos permiten trabaja
bajo las caractersticas del proveedor de servicios
analizado.
TABLAIPARMETROS DE CONFIGURACIN DEL EQUIPO DE MEDICIN Y
CARACTERSTICAS DE LA ANTENA
Parmetro Valor/Caractersticas
Frecuencia de Portadora 887.5 MHz
Banda de TrabajoBanda V Canal Adicional delos Sistemas UMTS para
el
Enlace DescendenteFrecuencia de Trabajo de la
Antena870 a 960 MHz
Tipo de Antena Omnidireccional
El rea de medicin, se muestra delimitada en la Fig. 2. Enla zona
de anlisis, se presenta una gran variedad dconstrucciones con
caractersticas representativas, dadas por sualtura y materiales de
construccin.
Fig. 2. rea de Medicin
Las mediciones fueron realizadas con el equipo dmedicin colocado
a una altura promedio de 1.10 metros sobr
el nivel del suelo, desplazndose a pie sobre los exteriores de
lzona definida. Este valor de altura fue considerado como evalor
promedio en el cual los usuarios portan y hacen uso de suequipo
mvil.
El equipo de medicin es capaz de generar
medicionegeoreferenciadas, haciendo uso de una antena GPS
conectaden el mismo. El GPS requiere de la informacin de por lmenos
4 satlites y as contar con informacin de LatitudLongitud; Altitud y
Tiempo.
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C. Procesamiento de las Mediciones
Las mediciones son almacenadas en la memoria interna delequipo.
Todas estas mediciones son descargadas a unacomputadora, para poder
ser interpretados mediante unaherramienta de software denominada
Master Software Tools
MST. Esta herramienta permite visualizar la medicin yexportarla
a un formato *.cvs para su posterior procesamiento[5]. La Fig. 3
muestra el entorno de trabajo y la visualizacinde las
mediciones.
Fig. 3. Entorno de Trabajo. Master Software Tools
Utilizando un programa desarrollado en C++, se logranobtener los
parmetros de inters de cada uno de los archivos*.cvs. La Fig. 4
muestra el formato del archivo final, en el cualse muestran los
parmetros de inters.
Fig. 4. Formato del Archivo de Post-Procesamiento
Una vez que la informacin se encuentra en un solo archivo,es
posible identificar las 1667 mediciones por Cdigo deMezclado o
Scrambling Code, a partir de ello es posibledeterminar la
ocurrencia de cada SC, como se muestra en laFig. 5, identificandos
50 distintos Cdigos de Mezclado en lazona de medicin.
Fig. 5. Ocurrencia de los Cdigos de Mezclado Detectados
A travs de la Fig. 5, puede observarse la existencia dCdigos de
Mezclado con una alta ocurrencia dentro del rede medicin. Los
Cdigos de Mezclado con una ocurrencimayor a 100 fueron: SC 85, SC
93 y el SC 229 con 113, 118 y109 respectivamente.
D. Creacin de Mapas de Estimacin de Cobertura
La informacin obtenida a travs de las medicionepuntuales, nos
ayuda a generar mapas de cobertura continuode cada uno de los
indicadores de desempeo clave, como es l
potencia del CPICH y la potencia del valor Ec/Io.
Se emplea una herramienta de software denominadEasyKrig, la cual
emplea el mtodo geoestadstico destimacin de puntos denominado
Kriging o Krige, basada enla tcnica de interpolacin de algoritmos
de regresin pomnimos cuadrados.
El proceso de generacin de mapas de estimacin dcobertura
consiste principalmente en cuatro pasos:
1. Lectura de los datos. Longitud, Latitud y eindicador de
desempeo.
2.Generar un variograma terico en base a unexperimental.
3.Ejecutar el proceso de Kriging.4.La validacin y visualizacin
del mapa.
La Fig. 6 ejemplifica cada uno de los pasos,
permitiendvisualizar el proceso de creacin de los mapas.
Fig. 6. Proceso de Generacin de Mapas de Cobertura
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E. Distribucin del Nivel de Potencia del CPICH
El Canal Piloto Comn o CPICH es una de las seales debroadcast
del sistema UMTS, es decir, es transmitida a todoslos usuarios por
igual dentro de una celda y por tanto, un
porcentaje de la potencia disponible en el Nodo B siempre
serreservada para ella. El CPICH es un elemento de red que
permite a los equipos mviles realizar una estimacin del
canalradio y la seal que se enva por este canal es utilizada
comoentrada en los mecanismos de seleccin de celda/sector y parael
proceso de traspaso de llamadas [6].
Se obtuvieron 1667 mediciones por SC, de las cuales
804pertenecen a los pilotos dominantes dentro del rea de anlisis.La
Tabla II presenta los principales pilotos dominantes y
susincidencias dentro de la zona de estudio.
TABLAIIINCIDENCIA EN EL PILOTO DOMINANTE
Scrambling Code IncidenciasPiloto Dominante
PD
93 118 64
85 113 75
229 109 56
268 94 58
77 83 22
125 75 38
21 74 39
69 63 33
284 63 24
372 62 42
364 61 26
468 60 42
141 60 24
205 47 11
460 46 18
476 46 18
La Fig. 7 presenta una perspectiva general sobre ladistribucin
del nivel de potencia del CPICH. Considerando,que la sensibilidad
de la mayora de los equipos mvilesdisponibles en el mercado es de
-80 dBm [8], se puede
observar que los niveles de potencia se encuentran dentro deeste
rango. Este resultado nos indica que la zona de anlisispresenta una
buena cobertura en los niveles de potencia deCPICH. Sin embargo,
esto no significa que los equipos mviles
puedan establecer una sesin con los diferentes Nodos B.
Adems de considerar los niveles de potencia, es
necesarioanalizar cada uno de los SC y verificar que estos no
estninterfiriendo entre s.
Fig. 7. Distribucin del Nivel de Potencia de CPICH en la Zona de
Medicin
Realizando el anlisis correspondiente a cada SC presenten el rea
de medicin, se obtienen los siguientes resultados: sencontr una
zona dentro del rea de medicin en la que s
presentan un total de 7 SC con niveles de potencia de CPICHmuy
cercanos entre s. Esto significa que existen ms de los SC definidos
por el estndar de comunicaciones [7]. La Fig.
presenta este fenmeno, realizando una superposicin de lomapas de
los SC involucrados, SC 69, SC 77, SC 125, SC141SC 205, SC 460 y SC
468.
Fig. 8. Problemtica en la Zona de Anlisis
Se puede observar que los SC detectados presentan nivelede
potencia similares, efecto que provoca que los equipomviles no sean
capaces de establecer una sesin adecuada coel correspondiente Nodo
B. Aunque el anlisis en la potencidel CPICH nos permite identificar
este tipo de problemas, enecesario realizar un anlisis basndonos en
la relacin Ec/Io.
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F. Anlisis de Interferencia en base a la relacin Ec/Io
La interferencia de una determinada zona es determinadapor el
indicador Ec/Io del CPICH. Este valor es definidodentro del CPICH
el cual es medido antes del desensanchamiento de la seal
recibida.
El equipo mvil evala el valor del Ec/Io para todas
lasceldas/sectores de modo que cuando el correlador del
equipterminal encuentra el mejor pico decide conectarse con
dichacelda/sector.
En pruebas de laboratorio [7] se han encontrado que losvalores
de Ec/Io pueden considerarse:
Bueno: Ec/Io -9dB Aceptable:-14dB Ec/Io-9dB Malo: Ec/Io-14dB
El valor de Ec/Io debe ser de -9dB o mayor en ms del 95%del rea
de cobertura, para que exista la asociacin de sectoresy se
establezca una llamada de voz. De acuerdo a la Tabla III,cada SC
presenta pocas ocasiones en las cuales su nivel deEc/Io presenta
niveles buenos de potencia, se presentanmayores ocasiones en las
que estos niveles apenas alcanzan elnivel de aceptable, dentro de
la zona de medicin.
TABLAIIIVALORES DE EC/IO EN LA ZONA CON PROBLEMTICA
Scrambling
Code
Ec/Io -9dB -14dB Ec/Io-9dB Ec/Io-9dB
69 0 23 69
77 2 29 81
125 9 18 66
141 9 16 51
205 6 7 41
460 8 8 38
468 5 33 55
La Fig. 9 muestra un panorama general en los niveles deEc/Io
dentro del rea de medicin.
Fig. 9. Distribucin del Nivel de Potencia de Ec/Io en la Zona de
Medicin
Se puede observar que a comparacin del mapa quconsidera solo los
niveles de potencia del CPICH, la zona dcobertura se ve reducida y
fuera de los valores aceptables parel establecimiento de una
llamada, -14dB Ec/Io-9dB. D
esta manera se puede comprobar que independientemente dque los
valores de potencia de CPICH sean altos, lcomunicacin se ve
afectada debido a los obstculos dentro derea de medicin, fenmeno
que se observa al considerar loniveles de potencia del indicador de
desempeo Ec/Io.
Como sabemos, el terminal mvil puede estar recibiendseales de
varias portadoras al mismo tiempo, en caso de questas tengan un
buen nivel de potencia. Los operadoredefinen un nmero mximo de
portadoras a las que puedconectarse un terminal simultneamente, y
ste suele ser tresEs decir, el terminal puede llegar cursar la
informacin a travde tres Scrambling Codes distintos, de tres
sectores distintos s
los niveles Ec/Io de los CPICH son buenos [7].
El mvil tomar el SC que le llega con ms Ec/No comreferencia (la
Best Server) e identificar tambin comoactivos los SC que se
encuentren con un nivel Ec/No dCPICH por debajo de la Best Server
no ms de 3dB, hasta unmximo de dos. Si hay ms SC con valores que
llegan al mvien ese rango de potencia para Ec/Io estn
introduciendContaminacin de Seales Piloto, es decir, se
introduc
potencia no til interferente.
La Fig. 10 presenta una comparacin sobre los niveles d
Ec/Io en la zona con problemtica, en la que se
presentContaminacin de Seales Piloto.
SC Ec/Io (dB) Diferencia Vs. Best Server
125 -8.773 BS141 -10.381 1.608205 -10.629 1.856460 -10.903
2.13197 -22.582 13.809229 -27.383 18.61
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Fig. 10. Fenmeno de Contaminacin de Piloto en la Zona de
Prueba
En la Fig. 10 se muestran los Scrambling Codes quellegan al mvil
en cierta zona. El SC 125 acta de Best Server,y junto con el SC 141
y el SC 205 forma el Active Set de
pilotos que sirven al mvil. Sin embargo, se presenta el SC
460
con una potencia dentro de los 3 dB que conforman el ActiveSet,
introduciendo de esta manera Contaminacin de SealesPiloto a la
terminal mvil.
De esta manera podemos comprobar la existencia deContaminacin de
Pilotos, fenmeno producido cuando existensectores con una alta
intensidad, siendo causante deconsecuencias tales como la baja tasa
de datos, baja capacidady excesivo traspaso de llamadas
(Soft-Handover), factores quedeterioran la Calidad de Servicio de
las redes WCDMA.
II. CONCLUSIONES
Al terminar la metodologa de medicin y al realizar
elprocesamiento de los datos, se encontr una gran cantidad deCdigos
de Mezclado, un total de 50 diferentes SC. Estorepresenta una seal
de alerta en las redes WCDMA, debido aque a mayor nmero de SC
diferentes dentro de la zona decobertura, la posibilidad de
encontrar Contaminacin deseales Piloto aumenta.
Se observo que aunque el nivel de potencia del CPICH seencuentre
en niveles adecuados, el conjunto de obstculos y delas prdidas por
trayectoria de la seal, provocan que lacobertura se vea disminuida
dentro del rea de estudio.
Cuando se presenta la Contaminacin de Seales Piloto, lacobertura
de la zona estar cubierta, sin embargo, esto nosignifica que el
sistema se encuentre en ptimas condiciones yel equipo mvil pueda
establecer una sesin. Problemticacausada por el traslape de SC
provocando un continuotraspaso de llamadas, registros fallidos,
tasas de transmisin
bajos, baja capacidad del sistema, en general, problemas
queafectan la Calidad de Servicio.
III. REFERENCIAS
Libros:
[1]
P. h. D. John S. Sheybold, Introduction to RF Propagation, John
Wiley& Sons, 2005, New Jersey.[2] Tachikawa, Keji, WCDMA Mobile
Communication System, John
Wiley & Sons, 2002, England.[3] Juha Korhonen, Introduction
to 3G Mobile Communications, Artech
House, 2ndEdition, 2003, Norwood MA.
Reportes Tcnicos[4] Spectrum Master High Performance Handheld,
Spectrum Analyzer
MS2721B.[5] Master Software Tools, User Guide.[6]
http://www2.rohde-schwarz.com/file_5150/OP_RE_UMTS.pdf.[7]
QUALCOMM, WCDMA Network Planning.
Artculos Presentados en Conferencias (Publicados):[8] M. Licea,
S. Vidal, C. Barroeta, Characterization of the Performanc
Parameters of Data Transmission in Mobile Communication
Terminal
of Broadband, B.S dissertation Department of
CommunicationNational Polytechnic Institute, Mexico, 2010.
IV. BIOGRAFAS
Mariana Alejandra Eslava Gutirrez, naci en MxicD.F., en Marzo
13, 1987. Realiz sus estudios superiores eel Instituto Politcnico
Nacional, en la carrera de Ingenieren Comunicaciones y Electrnica,
especializndose en el rede comunicaciones. Actualmente se encuentra
estudiando equinto semestre en la Maestra en Ingeniera
dTelecomunicaciones en la seccin de posgrado de ESIME
Zacatenco. Su rea de inters son los sistemas de comunicaciones,
radipropagacin y sistemas inalmbricos.
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