capítulo 2: simulación de enlace

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1 Capítulo 2: Simulación de Enlace

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Page 1: Capítulo 2: Simulación de Enlace

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Capítulo 2:Simulación de Enlace

Page 2: Capítulo 2: Simulación de Enlace

2

Parámetros del Enlace

Parámetros característicos:

1. EB/N0 necesaria para la calidad objetivo

2. Incremento de potencia (transmit power rise)

3. Margen de potencia (power headroom)

4. Ganancias por traspaso con continuidad

Tanto en la fase de planificación aproximada

como en la detallada, es necesario caracterizar

el enlace radio.

Page 3: Capítulo 2: Simulación de Enlace

3

Relación EB/N0

Definición

Valor promediado respecto a variaciones rápidas

(multitrayecto y bucle cerrado)

“EB/N0” (valor medio)

FER=1%

EB/N0 instantánea

(EB/N0)ref (referencia)

Page 4: Capítulo 2: Simulación de Enlace

4

-2 0 2 4 6 8 1010

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

BPSK con canal AWGN y receptor ideal

EB/N

0 (dB)

pB

0 2 4 6 8 1010

-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

BPSK con canal AWGN y receptor ideal

EB/N

0 (unidades naturales)

pB

Efecto de la variabilidad en EB/N0

Variabilidad ⇒ degradación (para un mismo valor medio)

Page 5: Capítulo 2: Simulación de Enlace

5

En general, la variabilidad en la EB/N0 instantánea

degrada la calidad.

Por tanto, cuanto mayores sean las variaciones

instantáneas, mayor EB/N0 media se necesita.

FER=1%

EB/N0 instantánea

FER= 3%

EB/N0 instantánea

FER= 1%

EB/N0 instantánea

t t t

Relación EB/N0

Page 6: Capítulo 2: Simulación de Enlace

6

El valor de la EB/N0 necesaria depende de:

– Objetivo de calidad (por ejemplo, FER)

– Condiciones de propagación

Es necesario simular cada conjunto de

– condiciones de propagación

– servicio portador

– ...

para conocer la EB/N0 necesaria en cada caso.

Relación EB/N0

La EB/�0 necesaria depende del grado de dispersión temporal del canal

multitrayecto. Mientras la dispersión temporal del canal no sea muy grande en

comparación con el periodo de chip, la EB/�0 objetivo disminuye al aumentar

ésta, debido a que se produce una ganancia por diversidad multitrayecto. Por

el contrario, si la dispersión temporal es elevada, un aumento de ésta puede

llegar a ser perjudicial, debido a que el receptor no aprovecha las

componentes multitrayecto adicionales.

El grado de variación temporal del canal influye también en la EB/�0

necesaria. Esto es debido a que el bucle cerrado de control de potencia

funciona siempre con un cierto retardo, producido por la propagación, la

demodulación del bit de control de potencia y el periodo de actualización de

la potencia. En general, cuanto más rápidas sean las variaciones del canal,

esto es, cuanto más deprisa se esté desplazando el móvil, más difícil es para el

bucle cerrado de control de potencia seguir dichas variaciones; esto degrada

las prestaciones y obliga a incrementar el valor de EB/�0 para lograr la calidad

deseada. No obstante, existe por otro lado un efecto en sentido contrario,

derivado del hecho de que la codificación de canal con entrelazado temporal

funciona mejor para variaciones del canal rápidas. El resultado es que hay un

margen de velocidades del móvil para las cuales la EB/�0 necesaria es

máxima; para velocidades más bajas dicha EB/�0 disminuye gracias al mejor

comportamiento del bucle cerrado, mientras que para velocidades elevadas

disminuye por el efecto del entrelazado.

Page 7: Capítulo 2: Simulación de Enlace

7

• (I) Frente al desvanecimiento por sombra:

Dos enlaces independientes ⇒ reducción del

margen log-normal necesario: ganancia.

Valores típicos: 4-5 dB.

• (II) Frente al desvanecimiento multitrayecto:

Dos enlaces independientes ⇒ reducción de las

variaciones por multitrayecto ⇒ puede permitirse

una EB/N0 (media) más baja para una misma

calidad: ganancia.

Valores típicos: 0-3 dB.

Ganancia por Traspaso

Page 8: Capítulo 2: Simulación de Enlace

8

EB/N0 instantánea

tiempo

EB/N0 instantánea

EB/N0 media necesariaEB/N0 media necesaria

base 1 base 2 seleccionada

No traspaso Traspaso

Ganancia (II) por Traspaso

Page 9: Capítulo 2: Simulación de Enlace

9

Depende de

– Variabilidad en las EB/N0 instantáneas.

– Nivel relativo de las EB/N0 (medias) en las bases

Valores típicos: 0-3 dB.

Niveles similares: ganancia grande

tiempo tiempo

Ganancia (II) por Traspaso

Niveles dispares: ganancia pequeña

EB/N0 instantánea EB/N0 instantánea

Page 10: Capítulo 2: Simulación de Enlace

10

Ejemplo de Ganancia por Traspaso

Page 11: Capítulo 2: Simulación de Enlace

11

Incremento de Potencia

• Uso de bucle cerrado de control de potencia ⇒

incremento de potencia media transmitida para

lograr una misma EB/N0 media.

• Producido por la correlación entre atenuación

instantánea y potencia transmitida instantánea.

• La potencia adicional se invierte en reducir las

variaciones de EB/N0 instantánea.

• Este fenómeno puede verse como un incremento

de atenuación, definida como

P media transmitida / P media recibida.

La existencia de control de potencia en bucle cerrado en un enlace entre una

base y un móvil provoca un aumento de la potencia media de transmisión para

un mismo valor de EB/�0 objetivo y para unas condiciones de propagación

dadas. Este fenómeno se denomina incremento de potencia media

transmitida. El incremento tiene su origen en la correlación existente entre

las variaciones rápidas del canal y el bucle cerrado que intenta compensarlas.

Este fenómeno puede representarse, de forma equivalente, como un

incremento de atenuación, dado que se transmite una mayor potencia media

para lograr un mismo nivel de potencia media en recepción. Este incremento

de atenuación se produce en el trayecto hasta la base deseada (la que está

controlando en potencia al móvil), pero no los trayectos hasta las demás bases

(ya que estos últimos no existe correlación entre las variaciones del canal por

multitrayecto y las variaciones de potencia producidas por del bucle cerrado).

El incremento de atenuación debe tenerse en cuenta en el nivel de sistema

para calcular el nivel de interferencia en cada base.

Page 12: Capítulo 2: Simulación de Enlace

12

Incremento de Potencia

Atenuacióninstantánea

Potenciainstantáneatransmitida

Potenciainstantánea recibida

1,5

0,5

1

1,5

0,5

1,5

0,5

4/3

1

Sin bucle cerrado Con bucle cerrado

2

2/3

Page 13: Capítulo 2: Simulación de Enlace

13

Incremento de Potencia

• Depende de lo efectivo que sea el bucle

cerrado: es mayor para

– Móviles lentos

– Canales con poca dispersión (mayores variaciones

por desvanecimiento multitrayecto)

• Valores típicos: 0-2 dB.

• Para móviles en traspaso, depende de los

niveles relativos: ganancia por traspaso

(respecto al incremento de potencia).

El incremento de potencia transmitida, o el incremento de atenuación por

bucle cerrado, depende de la dispersión temporal, ya que un mayor grado de

diversidad multitrayecto tiende a disminuir las variaciones de potencia

producidas por el control en bucle cerrado. Depende también de la variación

temporal del canal, es decir, de la velocidad del móvil, puesto que si el canal

varía rápidamente el control de potencia en bucle cerrado es menos efectivo.

Este fenómeno también se produce para móviles en traspaso. En el enlace

ascendente, puesto que el control en cada instante corre a cargo de la estación

base que requiere menos potencia, es de esperar que el incremento de

potencia sea menor que cuando no hay traspaso, ya que cada base está

controlando en potencia al móvil sólo durante una parte del tiempo total.

Existe así una ganancia por traspaso respecto al incremento de potencia

(diferente de la ganancia definida anteriormente respecto a la EB/�0 objetivo).

En el enlace descendente, si el móvil está asignado a una sola base la

situación es similar a la existente en el ascendente. Si el móvil está en

traspaso, el incremento de potencia transmitida a un móvil por cada una de

sus bases activas depende del nivel con el que se reciba su señal: si una base

se recibe con mucho más nivel que las demás, tendrá más peso en la

combinación efectuada por el receptor Rake, y las órdenes de control de

potencia en bucle cerrado enviadas por del móvil vendrán determinadas

principalmente por las variaciones de esa señal.

Page 14: Capítulo 2: Simulación de Enlace

14

Margen de Potencia

Mayor potencia media ⇒

degradación de calidad ⇒

mayor EB/N0 necesaria

Potencia límite, Plím

Potencia media, P

Potencia transmitida instantánea

tiempo

Page 15: Capítulo 2: Simulación de Enlace

15

Margen de Potencia

4 5 6 7 8 9 10 11 120

2

4

6

8

10

12

EB/N

0 necesaria

Pmáx-P

Con control en bucle cerradoSin control en bucle cerrado

EB/N0 necesaria en función de P/Plím

Page 16: Capítulo 2: Simulación de Enlace

16

Margen de Potencia

• El margen necesario depende de la variabilidad

de la potencia instantánea: es mayor para

– móviles lentos

– canales con poca dispersión.

• Valores típicos: 0-8 dB.

• Para móviles en traspaso, depende de los

niveles relativos: ganancia por traspaso

(respecto al margen de potencia).

El traspaso con continuidad modifica también el margen de potencia, ya que,

en general, cuando el móvil se encuentra asignado a dos o más bases, la

macrodiversidad produce una disminución del margen de potencia necesario,

al reducir los picos de potencia transmitida necesaria. Esta ganancia por

traspaso respecto al margen de potencia puede caracterizarse mediante

simulaciones de enlace.

El margen por traspaso influye an las simulaciones en el nivel de sistema, ya

que limita la potencia media que se peude transmitir.

Page 17: Capítulo 2: Simulación de Enlace

17

Simulación de Enlace

•Evaluación de la transmisión móvil-base(s)

•Simulación de la señal deseada y sus

transformaciones

•Resolución mejor que el periodo de chip

• Inclusión de “comportamiento no ideal”:

– Recuperación de portadora y de sincronismo

– Estimación de canal en el receptor Rake

– Errores en las órdenes de control de potencia

– Otros

La simulación de enlace se lleva a cabo representando las secuencias de bits y

de chips correspondientes al usuario de referencia y las señales que se

obtienen a partir de éstas, modelando adecuadamente los procesos que las

generan, hasta obtener finalmente la secuencia de bits demodulada en el

receptor. Las señales, al ser funciones definidas en un dominio continuo,

deben describirse mediante muestras. Habitualmente se emplea la

representación paso bajo equivalente, utilizando señales complejas. Para una

buena representación, normalmente se utilizan resoluciones del orden de 1-10

muestras por periodo de chip.

En la simulación se incluyen todas las etapas de generación y proceso de

señal, o al menos las más significativas, para caracterizar el comportamiento

no ideal de los mecanismos utilizados:

• Modulación y demodulación

• Codificación y decodificación de canal.

• Canal variante multitrayecto.

• Estimación de canal en el receptor.

• Bucle cerrado de control de potencia.

• Diversidad.

Page 18: Capítulo 2: Simulación de Enlace

18

Simulación de Enlace: Datos

• Parámetros generales del sistema– Tasa de chip, modulación

– Mecanismo de control de potencia

– Receptor

• Servicio considerado:– Velocidad binaria

– Profundidad de entrelazado

• Canal de propagación:– Perfil multitrayecto (dispersión temporal)

– Velocidad del móvil (dispersión Doppler)

• Valor de referencia (EB/N0)ref del bucle cerrado

Page 19: Capítulo 2: Simulación de Enlace

19

Simulación de Enlace: Resultados

Se obtienen los parámetros característicos del

enlace radio:

– EB/N0 necesaria

– Parámetros asociados al bucle cerrado: incremento

de potencia, margen de potencia, ganancias por

traspaso.

En función de las condiciones de entrada los

resultados son diferentes ⇒ tablas.

Page 20: Capítulo 2: Simulación de Enlace

20

Ejemplo: simulación de bucle externo

Características del bucle externo:

– Parámetro de calidad: BLER. Valor objetivo: BLERobj.

– Se compara con BLER objetivo y se ajusta la SIR (EB/N0)

de referencia, SIRref, utilizada por el bucle interno.

Algoritmo convencional:

– Subir SIRref un paso ∆ (dB) cuando se recibe un bloque

incorrecto (se sabe gracias al CRC).

– Bajar SIRref un paso ∆’ (dB) cuando se recibe un bloque

correcto.

obj

obj

1'

BLER

BLER

−∆=∆

– Habitualmente: ∆ = 0.25 – 1 dB; BLERobj = 1% - 0.1%:

∆<<∆'

Page 21: Capítulo 2: Simulación de Enlace

21

Ejem

plo: simulación d

e bucle ex

terno

SIR SIR TargetTarget ((dBdB))

Tim

e (m

in.)

Tim

e (m

in.)

SIR SIR TargetTarget ((dBdB))

Tim

e (m

in.)

Tim

e (m

in.)

-5 -3 -1 1 3 5 7

0

1,4

2,8

4,2

5,6

7

8,4

9,8

11,2

12,6

14

15,4

16,8

18,2

19,6

21

22,4

23,8

25,2

26,6

28

29,4

30,8

32,2

33,6

35

36,4

37,8

39,2

40,6

42

43,4

44,8

DL DL RxRx SIR (SIR (dBdB))

Tim

e (

Tim

e (s

ec

sec.) .)

-5 -3 -1 1 3 5 7

0

1,4

2,8

4,2

5,6

7

8,4

9,8

11,2

12,6

14

15,4

16,8

18,2

19,6

21

22,4

23,8

25,2

26,6

28

29,4

30,8

32,2

33,6

35

36,4

37,8

39,2

40,6

42

43,4

44,8

DL DL RxRx SIR (SIR (dBdB))

Tim

e (

Tim

e (s

ec

sec.) .)

Medidas en term

inales comerciales

Page 22: Capítulo 2: Simulación de Enlace

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Ejemplo: simulación de bucle externo

Características del simulador

• Objetivo: estudiar el bucle externo

• Para ello es necesario simular:

– Canal multitrayecto: dispersión temporal, variación temporal

– Bucle interno

– Codificación de canal (convolucional/turbo; entrelazado)

– Adaptación de tasa

– Traspaso / no

– Algoritmo de bucle externo

• Se modelan analíticamente (no se simulan):

– Receptor Rake (ideal: combinación MRC)

– Modulación (curvas ideales + margen de implementación)

– Estimación de canal (ideal)

– Estimación de SIR recibida (ideal + error aleatorio)

– CRC (ideal)

Page 23: Capítulo 2: Simulación de Enlace

23

Ejemplo: simulación de bucle externo

Cambio en condiciones de propagación: de canal “malo” a “bueno”

Algoritmo

convencional

Algoritmo

mejorado

Page 24: Capítulo 2: Simulación de Enlace

24

Ejemplo: simulación de bucle externoCambio de canal “malo” a “bueno”: BLER obtenida

Algoritmo convencional Algoritmo mejorado

Page 25: Capítulo 2: Simulación de Enlace

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Ejemplo: simulación de bucle externoCambio de canal “malo” a “bueno”: BLER obtenida

Algoritmo convencional Algoritmo mejorado