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

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.

2