MITIGACIÓN DE LA INTERFERENCIA INTER-CELDA CON TÉCNICAS DE
REÚSO DE FRECUENCIA EN UN SISTEMA LTE
INTER-CELL INTERFERENCE MITIGATION
WITH FREQUENCY REUSE TECHNIQUES IN AN LTE SYSTEM
María Manuela Silva Zambrano1
Valentina Giselle Moreno Parra2
Claudia Milena Hernandez Bonilla3
Victor Manuel Quintero Florez4
1 Universidad
del Cauca, Estudiante Dependencia
2 Universidad
del Cauca, Cargo Dependencia
3
4Universidad del Cauca, Docente, Departamento de
Telecomunicaciones
1 mariasilva@unicauca.edu.co
2 valentinamoreno@unicauca.edu.co
3 claudiah@unicauca.edu.co
4 vflorez@unicauca.edu.co
Información de la investigación o del proyecto:
Artículo resultado de un trabajo de pregrado desarrollado en la Facultad de
Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad del Cauca.
Temática:
Comunicaciones móviles
Tipo
de artículo: artículos de Investigación Científica e Innovación
RESUMEN ANALÍTICO
En este artículo, se
presentan los resultados obtenidos de la implementación y evaluación de un
módulo de mitigación de interferencia inter-celda sobre un simulador básico a
nivel de sistema para Evolución de Largo Término (LTE, Long Term Evolution); Se
emplearon las técnicas Reúso de Frecuencia Suave y Reúso de Frecuencia
Fraccional 1.5, para evaluar el
desempeño del sistema y evidenciar la variación de la interferencia
inter-celda. Los resultados muestran que el uso de estas técnicas mitiga la
interferencia intercelda en diferentes condiciones.
Palabras claves: Reúso de frecuencia,
Interferencia intercelda, Capacidad de LTE.
ANALYTICAL SUMMARY
This article presents the results obtained from the
Implementation and Evaluation of a module mitigating inter-cell on a basic
system level simulator for LTE interference; The Soft Frequency Reuse and 1.5
Fractional Frequency Reuse techniques were used to evaluate system performance
and demonstrate the variation of the inter-cell interference. The results show
that the use of these techniques mitigate intercell interference on different
conditions.
keywords: Frequency reuse, Intercell
Interference, LTE Capacity.
Recepción: 15 de
Enero de 2016
Aceptación: 14
de Abril de 2016
Forma de citar: Silva Zambrano,
M. M. (2016). Mitigación de la interferencia inter-celda con técnicas de reúso
de frecuencia en un sistema LTE. En R, Llamosa Villalba (Ed.). Revista Gerencia
Tecnológica Informática, 15(42), 31-39. ISSN 1657-8236.
INTRODUCCIÓN
La llegada de una nueva
tecnología en las comunicaciones móviles pretende satisfacer las demandas de
los usuarios que cada día se tornan más exigentes en cuanto a capacidad y
velocidad de transmisión de datos. La cuarta generación de la telefonía móvil
celular Evolución de Largo Término (LTE, Long Term Evolution) busca reducir
costos en la infraestructura de la red y migrar el sistema al modelo de negocio
de los datos [1]. El Release 8 establecido por el Proyecto de Cooperación en
Sistemas de Tercera Generación (3GPP, Third Generation Partnership Project),
define el uso de las técnicas de acceso en redes LTE, las cuales son Acceso
Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales (OFDMA, Orthogonal
Frequency-Division Multiple Access) para el Enlace de Bajada (DL, DownLink) y Acceso
Múltiple por División de Frecuencia de Portadora Única (SC-FDMA, Single Carrier
- Frequency Divison Multiple Access) para el Enlace de Subida (UL, UpLink) [2-3].
3GPP establece un factor de reúso de frecuencia igual a uno, esta es la
característica principal de la técnica de Reúso de Frecuencia Universal (UFR,
Universal Frequency Reuse), consiste en que cada eNodeB (estación base) utiliza
todo el Ancho de Banda (BW, BandWidth) disponible para la transmisión, es decir
que las celdas de la red utilizan todos los recursos disponibles.
UFR permite que los usuarios alcancen altas velocidades de
transmisión, pero los Equipos de Usuario (UE, User Equipment) ubicados en el
borde de la celda pueden percibir interferencia inter-celda, lo cual impide que
alcancen altas velocidades. Las técnicas de coordinación y mitigación de
interferencia buscan reducir la Interferencia
Inter-Celda sin sacrificar de forma significativa los recursos disponibles.
En la Facultad de
Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad del Cauca, en el
Grupo de Investigación de Radio e Inalámbricas (GRIAL) se realizó la I versión
de un simulador básico a nivel de sistema para LTE [4],
enfocado en el análisis de capacidad en el ámbito académico. Esta
versión permite realizar cálculos de
cobertura y capacidad, así como variar el tipo de antena, el tilt y el azimut.
El simulador no cuenta con un módulo que permita analizar el Reúso de
Frecuencias.
Posteriormente, en la versión II del simulador se agregaron 3
planificadores de recursos radio, Round Robin (RR), Proportional Fair (PF) y
Maximun Rate (MR) [5].
En este artículo se presentan los resultados de la
implementación de un módulo de técnicas de reúso de frecuencia sobre el
simulador básico a nivel de sistema para LTE[1] y el análisis de la
mitigación de la interferencia intercelda.
El artículo está organizado de la siguiente forma, en la
sección I se presentan los Fundamentos Teóricos, posteriormente en la sección
II se encuentran las Generalidades del Simulador. En la sección III se muestra
la Metodología de Simulación, en la sección IV se encuentran los Resultados y
Análisis y fi nalmente en la sección IV se presentan las Conclusiones.
1. Fundamentos teóricos
Las Técnicas de Reúso de Frecuencia tienen como
característica principal hacer una asignación de recursos dinámica y
conveniente para que cada celda tenga bloques de recursos físicos disponibles,
incluso cuando los UE están en el borde de la celda, reduciendo de manera
signifi cativa la interferencia inter-celda [6-7].
En la literatura existen diferentes técnicas de reúso de
frecuencia para mitigar la interferencia inter-celda en redes LTE [8], en [9]
proponen implementar el reúso de las anteriores tecnologías de telefonia movil
celular, en [10] se considera el reúso de frecuencia parcial y en [11] hablan sobre el reúso de frecuencia
fraccional.
A continuación se presentan las características de las tres
técnicas de reúso de frecuencia estudiadas. La técnica UFR es la técnica
empleada por LTE, donde cada una de las celdas de la red utiliza la totalidad
de los recursos disponibles como se muestra en la Figura 1, haciendo que dichos
recursos sean aprovechados al máximo [5].
Figura 1.
Técnica UFR.
La técnica Reúso de Frecuencia Suave (SFR, Soft Frequency
Reuse) utiliza todos los recursos disponibles en las celdas de la red, pero
define dos áreas al interior de la celda, borde y centro, en el centro asigna
2/3 del ancho de banda y en el borde el tercio restante. La asignación de las
porciones del ancho de banda a las áreas de la celda cambia de una celda a otra
y en el borde de la celda los niveles de potencia asignados son mayores. La
Figura 2 muestra la asignación de frecuencias para el borde y centro de la
celda, cada color representa un rango de frecuencias [12].
La técnica Reúso de
Frecuencia Fraccional 1.5 (FFR1.5, Fractional Frequency Reuse) define 3 áreas
al interior de la celda: centro, borde interno y borde externo, en el centro
asigna la mitad del ancho de banda y en los bordes 1/6, dejando 1/6 del ancho
de banda sin asignar. Las celdas de la red comparten las frecuencias asignadas
al centro, mientras que las asignadas a los bordes difieren entre una celda y
sus celdas vecinas. Los niveles de potencia para los bordes son mayores a los
del centro. La Figura 3 muestra la asignación de frecuencias de FFR1.5
diferencia por un color diferente el rango de frecuencia para cada área [13].
Figura 2.
Asignación de Frecuencias SFR
Figura 3.
Asignación de Frecuencias FFR1.5.
2. Generalidades del simulador
2.1 Metodología de desarrollo
La metodología seguida para el desarrollo del simulador es
adaptada del Proceso Racional Unifi cado (RUP, Rational Unified Process) [14],
este se realiza en cuatro etapas: Requerimientos; donde se defi nen los
requerimientos funcionales y no funcionales del simulador. Análisis y Diseño;
el cual defi ne las características que debe tener el simulador para cumplir
con las consideraciones de la fase de requerimientos. Implementación; comprende
el desarrollo de código. Pruebas; se obtienen resultados que permiten analizar
la capacidad para una red LTE.
2.2 Planificadores de recursos radio
El simulador utiliza tres tipos de planificadores de recursos
radio, los cuales se presentan a continuación. El planificador RR divide el
número de recursos disponibles entre el número de usuarios para asignar a cada
usuario la misma cantidad de recursos. El planificador PF distribuye
equitativamente los recursos, entre los usuarios de la red y los recursos
sobrantes son asignados a los usuarios con mejores características. El
planificador MR distribuye los recursos entre los usuarios que perciben las
mejores características del canal, dejando usuarios sin recursos asignados.
2.3 Definición de técnicas de reúso de frecuencia a
implementar
Se escogieron las técnicas de reúso de frecuencia SFR y FFR
1.5 para ser implementadas en el simulador, por sus características de
eficiencia espectral, mitigación de interferencia y desempeño.
SFR es una técnica ampliamente conocida en el ámbito
académico, logra mitigar la interferencia que perciben los usuarios del borde
de la celda sin sacrificar recursos. La base teórica de esta técnica indica que
su implementación dentro del simulador es factible y se tienen ejemplos de
simuladores que ya la han implementado.
FFR1.5 se caracteriza por definir 3 radios dentro de la celda
con el fi n de realizar una mejor distribución de los recursos, pero no es una
técnica muy conocida en el ámbito académico, a diferencia de FFR que es la
técnica a la que FFR1.5 pretende mejorar. La implementación de esta técnica
comparada con la de SFR es más complicada, no obstante se espera mejorar los
resultados en cuanto a velocidades de transmisión de datos y mitigación de
interferencia inter-celda.
2.4 Modelo del sistema
El Simulador Básico a Nivel de Sistema para LTE, tiene
algunas características fijas, la red simulada tiene cuatro celdas, cada una
con un número variable de UE distribuidos de manera aleatoria.
La Figura 4 muestra los tres bloques que componen el
simulador en su versión III, y las principales entradas y salidas del bloque de
capacidad del simulador, en el que se centra este artículo.
Se
plantea adicionar al bloque de Capacidad, las técnicas de reúso de frecuencia
seleccionadas, en la Figura 5 se observa un diagrama general del interior del
bloque de capacidad.
Figura
4. Modelo
del sistema
Figura 5.
Bloque de capacidad del sistema
El boque de Capacidad se divide en las 3 técnicas de reúso,
para cada una se calcula la posición de los usuarios, las pérdidas de
propagación y la potencia recibida por usuario, para determinar el valor de la
Relación Señal a Inteferencia más Ruido (SINR,
Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio), con base a este valor se realiza la
planifi cación de recursos radio y una vez asignados los Bloques de Recursos
Físicos (PRB, Physical Resources Block) se despliegan las gráficas de desempeño
del sistema.
3. Metodología de simulación
3.1 Parámetros de simulación
El Módulo de reúso de frecuencia implementado en el Simulador
Básico a Nivel de Sistema para LTE fue diseñado para analizar la capacidad de
un sistema LTE al usar las técnicas SFR y FFR1.5.
Todas las versiones del simulador están implementadas sobre
Matlab® en su versión R2013a. El análisis de capacidad del sistema se realiza a
partir de gráficas de throughput y de Función de Distribución Acumulativa de la
SINR. La III versión del simulador básico a nivel de sistema para LTE permite
variar el número de celdas del sistema, el porcentaje de radio y potencia del
borde de la celda, el número de usuarios por sector, la SINR objetivo, entre
otros.
En la Tabla 1 se
encuentran los parámetros de configuración del simulador.
Tabla 1.
Parámetros Fijos de Simulación.
Se realiza el cálculo de la velocidad teórica que puede
alcanzar la celda en un sistema LTE, con la siguiente configuración:
• Ancho
de banda de 20 MHz.
• 100
Bloques de Recursos (RB).
• Sistema
de Única Entrada Única Salida (SISO, Single Input Single Output).
• Prefijo
Cíclico Normal (7 símbolos OFDM).
• 64
QAM (6 bits por símbolo)
Para
el cálculo de la velocidad se debe conocer el número de Elementos de Recursos
(ER) en una subtrama, este se calcula de
acuerdo a la ecuación (1) [13].
Donde sp
representa las subportadoras y sOFDM
los símbolos OFDM.
En la ecuación (2) se muestra el número de ER en 20 MHz.
La velocidad que se puede alcanzar depende de la modulación y
la diversidad en transmisión, como se muestra en la ecuación (3).
El valor teórico de velocidad sirve como referencia, ya que
los valores de throughput alcanzados por las celdas, deben estar por debajo de
este valor.
3.2 Escenarios de simulación
En esta sección se presentan los escenarios que se emplearon
para analizar el desempeño del sistema LTE empleando las técnicas de reúso de
frecuencia.
3.2.1 Escenario I
Inicialmente se comparó el desempeño a nivel de capacidad de
las 3 técnicas de reúso de frecuencia (UFR, SFR y FFR1.5), para determinar el
efecto de implementar técnicas reúso de frecuencia en la capacidad del enlace
de bajada de LTE.
Se analizaron dos configuraciones, una estática donde los
porcentajes del borde de la celda están fijos y el radio de la celda y número
de usuarios por sector aumenta; y la configuración dinámica donde estos
porcentajes varían conforme aumentan el radio de la celda y el número de
usuarios por sector.
En las dos configuraciones el radio de la celda varió entre
100 y 5000 m y el número de usuarios por sector entre 8 y 33, ya que 33 es el
número máximo de UE al que se le puede garantizar asignación de recursos con un
ancho de banda de 20 MHz.
3.2.2 Escenario II
En este escenario se
analizó el comportamiento de las técnicas SFR y FFR1.5 frente a la
interferencia inter-celda, cuando se aumenta el número de celdas de la red.
Se consideran sistemas de 4, 7 y 9
celdas, en la Figura 6 se observan los casos, los colores: azul, verde y
amarillo de las celdas representan las celdas que tienen la misma asignación de
frecuencias
Figura 6. Escenario II.
4. Resultados y análisis
En esta sección se presentan los
resultados obtenidos a partir del Simulador básico versión III, en los
escenarios I y II.
4.1 Escenario I
4.1.1 Configuración estática
En la Figura 7 se observa
la función de distribución acumulativa de la SINR de las 3 técnicas de reúso de
frecuencia, para las celdas de radio igual a 100 m y 8 usuarios por sector, el
90% de los usuarios que emplean UFR tienen una SINR superior a 2dB; para SFR y
FFR1.5 el 90% de los usuarios tienen un SINR mínima de 42dB.
Este
comportamiento se mantiene al variar el radio al variar el radio de la celda y
el número de usuarios por sector. Esto muestra que las técnicas SFR y FFR1.5
logran mitigar la interferencia inter-celda, ya que al reducir el valor de las
potencias interferentes la SINR aumenta [15]
Figura 7. CDF de SINR total del sistema.
4.1.2 Configuración
dinámica
En la Figura 8 se muestran
los resultados de throughput al emplear el planificador, MR. La técnica UFR
brinda el mejor comportamiento ya que no está obligada a asignar recursos a los
usuarios en los bordes de la celda y supera a SFR en radios mayores a 750 m,
además FFR1.5 obtiene los peores resultados, debido a que no emplea una porción
del ancho de banda disponible.
Figura 8. Throughput con el planificador MR
Los resultados de throughput obtenidos al
emplear el planifi cador PF se muestran en la Figura 9. Debido a que este
planifi cador debe asignar recursos a todos los usuarios, las técnicas SFR y
FFR1.5, que mejoran las caracteriasticas del canal percibidas por los usuarios
ubicados en el borde de la celda, obtienen los mejores resultados.
Figura 9. Throughput con
el planificador PF.
En la Figura 10
se observan los resultados con el planificador RR, en este caso FFR1.5 tiene el
mejor comportamiento, como consecuencia de defi nir 3 áreas al interior de la
celda y realizar una repartición de los recursos más equitativa que SFR, además
al mitigar la interferencia inter-celda mejora los resultados obtenidos por
UFR.
FIGURA 10. Throughput con el
planificador RR.
4.2 Escenario II
4.2.1. Caso 1
Inicialmente se analiza el
sistema LTE conformado por cuatro celdas. En las Figuras 11 y 12 se observan
los resultados de throughput obtenidos por las técnicas SFR y FFR1.5.
Figura 11.
Throughput Total de las 4 Celdas del Sistema con SFR.
En las Figuras 11 y 12 se observa que la técnica FFR1.5 tiene
la menor dispersión en los valores de throughput de las celdas del sistema, por
otro lado, la técnica SFR logra valores de throughput más elevados.
En este caso, la técnica FFR1.5 es más efi ciente respecto a
la mitigación de la interferencia inter-celda, ya que al obtener valores
similares de throughput, todas las celdas del sistema experimentan condiciones
similares, caso contrario del sistema que emplea SFR, donde las celdas alcanzan
diferencias en los valores de throughput de hasta 25 Mbps.
Figura 12.
Throughput Total de las 4 Celdas del Sistema con FFR1.5.
Fuente:
por los autores.
4.2.2 . Caso 2
Se considera el análisis
del sistema LTE conformado por siete celdas con las técnicas SFR y FFR1.5. Los
resultados de throughput del sistema para cada celda con las técnicas sfr y
ffr1.5 se muestran en las figura 13 y 14.
Figura 13.
Throughput Total de las 7 Celdas del Sistema con SFR.
Figura 14.
Throughput Total de las 7 Celdas del Sistema con FFR1.5.
En el sistema con 7 celdas
la interferencia inter-celda aumenta, esto conlleva una mayor dispersión en los
resultados obtenidos por las dos técnicas, especialmente con SFR. Este
resultado es coherente con los resultados obtenidos en el sistema con cuatro
celdas.
SFR alcanza los valores más altos de throughput de las
celdas, con mayor dispersión en los mismos, debido a que asigna mayores
porciones del ancho de banda a las áreas definidas al interior de la celda, lo
cual genera variaciones más notables en los niveles de interferencia que
percibe de las celdas vecinas.
4.2.3. Caso 3
Se configura el sistema
con 9 celdas para las técnicas SFR y FFR1.5. Las Figuras 15 y 16 muestran los
resultados obtenidos con cada una de las técnicas.
Figura 15. Throughput Total de las 9
Celdas del Sistema con SFR.
Figura 16.
Throughput Total de las 9 Celdas del Sistema con FFR1.5.
De las Figuras 15 y 16 se observa que aunque la técnica SFR
alcanza el valor más alto de throughput del sistema, se mantiene la dispersión
en el throughput alcanzado por sus celdas. Esto evidencia fallas en la
sectorización y la asignación de los recursos, ya que las celdas no perciben
niveles de interferencia inter-celda similares, lo cual difi culta que alcancen
velocidades cercanas a la velocidad teórica calculada.
Los resultados de la técnica FFR1.5 muestran que aunque en
todos los escenarios ha alcanzado los valores de throughput de sus celdas más
cercanos entre sí, para este escenario, la celda 8 presentó un valor bajo de
throughput, debido a que entre esta y la celda 9, no existe otra celda que
permita mitigar la interferencia generada entre ellas.
5. Conclusiones
La tercera versión del simulador básico a nivel de sistema
para LTE con técnicas de reúso de frecuencia integradas representa una
herramienta de apoyo académico, que puede emplearse para los procesos de
enseñanza y aprendizaje de la tecnología LTE y en específico de las técnicas de
reúso de frecuencia que son escasamente implementadas en otros simuladores,
además de garantizar una interfaz gráfica amigable y la documentación
pertinente para su uso.
La técnica UFR es la más eficiente cuando se emplea el
planificador MR, debido a que tiene un reúso de frecuencia igual a 1 y no tiene
áreas delimitadas al interior de la celda. Aunque SFR logra superar los valores
de throughput alcanzados por UFR para radios menores a 1000 m, realiza un
sacrifi cio en el número de usuarios atendidos.
La técnica FFR1.5 es la más eficiente cuando se emplean los
planificadores PF y RR, aunque SFR también logra buenos resultados con estos
planificadores, están por debajo de los obtenidos por FFR1.5, que además
requiere menor potencia para el borde de la celda.
Las dos técnicas de reúso de frecuencia implementadas en este
trabajo demostraron mitigar la interferencia inter-celda y alcanzar valores de
SINR superiores a los alcanzados por UFR, mostrando mejores resultados al
emplear los planificadores PF y RR.
Los valores de SINR obtenidos por las técnicas SFR y FFR1.5
aseguran que las comunicaciones de los usuarios, tanto en el borde como en el
centro de la celda, tengan una mayor calidad, lo cual ayuda a cumplir uno de
los requerimientos de LTE enfocado en prestar un servicio con mayor velocidad y
cobertura.
La técnica SFR al hacer uso de todos los recursos disponibles
en las celdas de la red, alcanza resultados más elevados que FFR1.5, pero al
mismo tiempo más dispersos. Por lo tanto SFR no mitiga la interferencia
inter-celda de manera equitativa para todas las celdas del sistema como lo hace
la técnica FFR1.5.
La implementación de técnicas de mitigación de interferencia
inter-celda dentro de un sistema LTE, presenta beneficios en cuanto a prestar
servicio de altas velocidades a todos los usuarios de la celda sin importar si
se encuentra en los bordes de la celda.
6. Agradecimientos
Los autores agradecen a la Universidad del Cauca, por su
apoyo para la realización de este trabajo, en especial a los grupos de
investigación GRIAL y GNTT.
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