Contaminación de Señales Piloto y Sus Efectos en La Calidad de Servicio (QoS) en Redes de Tercera Generación (WCDMA)

5/22/2018 Contaminaci n de Se ales Piloto y Sus Efectos en La Calidad de Servicio (QoS) e...

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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]

W

MXICO, D.F., MXICO, NOVIEMBRE 2012 1



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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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