Análisis y Aplicación de Sistemas WiMAX Multicelda.

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1 Análisis y Aplicación de Sistemas WiMAX Multicelda

2  Diapositiva 2 Índice de Contenidos 1.Introducción  WiMAX: expectativas y realidades 2.Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX  Aspectos generales del estándar  Modelo de pérdidas de propagación  Balance de enlace, cálculo y tratamiento estadístico de la SINR 3.Descripción del entorno de simulación WiMAX  Conceptos preliminares  El demostrador WiMAX 4.Simulaciones sobre sistemas WiMAX multicelda  Detalles de las simulaciones y resultados sobre clusters de 7 celdas bajo 3,5 GHz  Análisis de resultados aplicados a diferentes entornos geográficos  WiMAX for indoor

3  Diapositiva 3 1. Introducción WiMAX: expectativas y realidades Objetivos de esta presentación

4  Diapositiva 4  Nacimiento de expectativas en torno al acceso de banda ancha de última milla.  Limitaciones tecnológicas y topográficas junto con la rápida adopción de Internet.  Han motivado el desarrollo de un estándar inalámbrico denominado WiMAX, que llegará a un mayor número de usuarios y proporcionará nuevos y mejores servicios de telecomunicaciones. Figura 1: ¿WiMAX? 1. Introducción WiMAX: expectativas y realidades

5  Diapositiva 5  Análisis y obtención del radio máximo de celda en cada zona del modelo de propagación escogido.  Cálculo de la tasa binaria neta de bajada promediada con un conjunto de alturas de una estación suscriptora  Planificación de sistemas de telecomunicaciones en estas zonas: estimación del número de celdas para un escenario. Figura 2: WiMAX y MATLAB. 1. Introducción Objetivos de esta presentación

6  Diapositiva 6 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX Aspectos generales del estándar Modelo de pérdidas de propagación Balance de enlace, cálculo y tratamiento estadístico de la SINR

7  Diapositiva 7 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX  Hasta hace 10 años, con la aparición de la tecnología DSL, los abonados utilizaban mayoritariamente el cable. Posteriormente, DSL invirtió la situación. En los últimos años han aparecido nuevas tecnologías como WiMAX. Aspectos generales del estándar. Evolución de tecnologías Figura 3: Evolución de distintas tecnologías de acceso de banda ancha.

8  Diapositiva 8 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX  WiMAX = Worldwide Interoperability for Microwave Access.  Estándares 802.16d de IEEE e HIPERMAN de ETSI.  Dar servicio entre la central telefónica local y el domicilio de usuario (última milla).  Conseguir una cobertura igual a la cobertura móvil.  Velocidad de servicio de Banda Ancha.  Reducir costes de instalación.  Mantener compatibilidad con Wi-Fi (802.11). Aspectos generales del estándar. ¿Qué es WiMAX?

9  Diapositiva 9 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX  Como en cualquier sistema de comunicaciones, en WiMAX tendremos un elemento emisor y uno receptor. -El elemento emisor o estación base (BS) estará formado por una antena, un equipo gestor de la información y circuitos RF, siendo su P tx = 40 dBm. -El elemento receptor o estación suscriptora (SS) será un pequeño módulo de interior o exterior con una P tx = 27 dBm.  WiMAX es una tecnología que se sitúa como enlace entre el usuario final y las grandes redes transmisoras de datos. Aspectos generales del estándar. ¿Cómo funciona WiMAX? Figura 4: Sistema radiante WiMAX.

10  Diapositiva 10 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX  WiMAX se encuentra muy bien posicionado en cuanto a tasa de transferencia de datos de todas las tecnologías inalámbricas y en un lugar intermedio en cuanto a portabilidad y movilidad. Aspectos generales del estándar. Posicionamiento Figura 5: Tecnologías inalámbricas comunes: distancia vs. tasa de datos.

11  Diapositiva 11 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX  Banda sin licencia de 5 GHz.  Banda con licencia de 2,5 GHz.  Banda con licencia de 3,5 GHz. -El objetivo de estas bandas será minimizar los requisitos técnicos y reguladores innecesarios. Aspectos generales del estándar. Bandas iniciales de interés Figura 6: Reparto mundial del espectro radioeléctrico de WiMAX.

12  Diapositiva 12 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX Aspectos generales del estándar. Estándares que rodean a WiMAX Figura 7: Estándares que rodean a WiMAX.

13  Diapositiva 13 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX  En WiMAX han sido definidos tres tipos de interfaz de transmisión. Propiedades del estándar. Modalidades de capa física

14  Diapositiva 14 2. Una panorámica sobre el estándar 802.16/WiMAX Representación de la estructura temporal de un símbolo OFDM: Estructura espectral de la transmisión OFDM: Propiedades del estándar. Modalidad de capa física OFDM Figura 8: Tiempo de guarda (T g ) y tiempo útil (T b ) del símbolo OFDM. Figura 9: Las bandas de guardan impiden obtener un rendimiento = 100%.

15  Diapositiva 15 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX Propiedades del estándar. Modalidad de capa física basada en OFDMA Figura 10: La trama TDD en OFDMA.  Posibilidad de uso de estructura de multiportadora en el acceso múltiple.  Representación de la estructura de trama en el modo TDD en OFDMA.

16  Diapositiva 16 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX Propiedades del estándar. Modulación adaptativa y codificación  WiMAX soporta distintos tipos de modulación y codificación para downlink (DL) así como el valor de la SINR permitido para cada modulación según la tasa de código utilizada.

17  Diapositiva 17 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX Modelo de propagación Erceg  El modelo de Erceg está basado en una extensa recolección de datos experimentales realizados en 95 macroceldas de todo EEUU con f = 1900 MHz.  Fue adoptado por el IEEE 802.16 group para aplicaciones WiMAX fijas.  El modelo propone 3 tipos de escenarios geográficos distintos: -Erceg A: terrenos montañosos con media/alta densidad de árboles. -Erceg B: terrenos montañosos con baja densidad de árboles o a terrenos llanos con moderada/alta densidad de árboles. -Erceg C: terrenos llanos con baja densidad de árboles.

18  Diapositiva 18 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX  Extensión del modelo mediante la inclusión de factores de corrección:  La expresión de las pérdidas de propagación para el modelo extendido será: Modelo de propagación Erceg. Versión extendida

19  Diapositiva 19 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX Balance de enlace y cálculo de la SINR Figura 11: Escenario punto-multipunto.  El balance de enlace es un concepto fundamental en cualquier sistema de comunicaciones (  G,  P).  De este concepto resultará la distancia máxima que se podrá alcanzar.

20  Diapositiva 20 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX Cálculo de la SINR  El cálculo de la SINR para un sistema multicelda de 7 celdas/cluster queda reflejado en la Tabla siguiente:

21  Diapositiva 21 2. Una panorámica sobre el estándar IEEE 802.16/WiMAX Tratamiento estadístico de la SINR  La utilización, por primera vez, de la Var[I], constituye una novedad original y será el tema de un artículo.

22  Diapositiva 22 3. Descripción del entorno de simulación WiMAX Conceptos preliminares El demostrador WiMAX

23  Diapositiva 23 3. Descripción del entorno de simulación WiMAX Conceptos preliminares  Concepto celular: -División de la zona de cobertura en pequeñas regiones (células).  Definición de sector: -Cada una de las superficies cubiertas por una antena.  Geometría de las redes celulares: -Triangular, cuadrada y hexagonal. -En nuestro análisis se realiza una aproximación de la superficie de la celda hexagonal por la superficie de un círculo.  Concepto de cluster: -Agrupación de células.  Interferencia cocanal: -Señal interferente que aparece en la misma banda de frecuencia que la señal útil.

24  Diapositiva 24 3. Descripción del entorno de simulación WiMAX Planteamiento del problema para desarrollar la aplicación WiMAX (I)  Se consideran estos sistemas de referencia pero se puede ampliar a cualquier otro. Figura 12: Esquemas de configuraciones con clusters de 7 y 4 celdas.

25  Diapositiva 25 3. Descripción del entorno de simulación WiMAX Planteamiento del problema para desarrollar la aplicación WiMAX (II)  Con este modelo de referencia, el simulador analiza el comportamiento esperado para un sistema WiMAX multicelda. -Cálculo de la cantidad de cobertura en función del radio de celda. -Tasa binaria de bajada con el promedio de las alturas de la antena SS. -Nº. Celdas necesarias para cubrir un entorno urbano o rural (zonas A y C). Figura 13: Esquemas de configuraciones con clusters de 7 y 4 celdas.

26  Diapositiva 26 3. Descripción del entorno de simulación WiMAX Algoritmo para el cálculo de la tasa binaria promedio  Representación de la tasa binaria promedio en función del conjunto de alturas de la antena usuario:  El valor del producto de los atenuantes de la tasa binaria para esta simulación es 0,58.  El valor mínimo genérico es del orden de 0,45.

27  Diapositiva 27 3. Descripción del entorno de simulación WiMAX Cálculo del nº. de celdas según la superficie y población del escenario

28  Diapositiva 28 3. Descripción del entorno de simulación WiMAX El demostrador WiMAX (I) Figura 14: Captura de la ventana de inicio del demostrador WiMAX.

29  Diapositiva 29 3. Descripción del entorno de simulación WiMAX El demostrador WiMAX (II)  Caso I, Caso II y Caso III se corresponden respectivamente con zonas urbanas, suburbanas y rurales. Figura 15: Captura de las configuraciones de estudio del simulador WiMAX.

30  Diapositiva 30 3. Descripción del entorno de simulación WiMAX El demostrador WiMAX (III) Figura 16: Ventana de selección de parámetros de estudio.

31  Diapositiva 31 3. Descripción del entorno de simulación WiMAX El demostrador WiMAX (IV) Figura 17: Aplicación del simulador a un escenario real.

32  Diapositiva 32 4. Simulaciones sobre sistemas WiMAX multicelda Detalles de las simulaciones y resultados sobre clusters de 7 celdas bajo 3,5 GHz Análisis de resultados aplicados a distintos entornos geográficos

33  Diapositiva 33 4. Simulaciones sobre sistemas WiMAX multicelda  En el estudio se han hecho simulaciones para una topología de 7 celdas/cluster para la zona A (banda 3,5 GHz) y 4 celdas/cluster para la zona C (banda 2,5 GHz).  Se analizan resultados para sistemas sin interferencia cocanal, con 1 interferencia cocanal, con 2 interferencias cocanales y con interferencias múltiples para un sector de 120º.  Los resultados corresponden a valores de 40 y 50 metros de la altura de la estación base (BS) y una potencia de salida máxima del transmisor de 40 dBm.  Se incluyen representaciones correspondientes a: -Mínimo valor de SINR para obtener la mayor modulación posible (64QAM). -Mínimo valor de SINR para obtener la menor modulación posible (BPSK). -Valor de SINR medio. Detalles de las simulaciones

34  Diapositiva 34 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Cluster 7 celdas banda 3,5 GHz. Sin interferencias cocanales (I) Figura 18: Topología celular con un cluster de 7 celdas. Sin interferencias cocanales.

35  Diapositiva 35 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Cluster 7 celdas banda 3,5 GHz. Sin interferencias cocanales (II) Figura 19: SINR y tasa binaria promedio de sistemas sin interferencia cocanal. AH de 60º.  Mínimo valor de SINR para la obtención de la modulación 64QAM.

36  Diapositiva 36 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Cluster 7 celdas banda 3,5 GHz. Sin interferencias cocanales (III) Figura 20: SINR y tasa binaria promedio de sistemas sin interferencia cocanal. AH de 90º.  Mínimo valor de SINR para la obtención de la modulación 64QAM.

37  Diapositiva 37 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Cluster 7 celdas banda 3,5 GHz. 1 interferencia cocanal (I) Figura 21: Topología celular con un cluster de 7 celdas. 1 interferencia cocanal.

38  Diapositiva 38 4. Simulaciones sobre sistemas WiMAX multicelda  Mínimo valor de SINR para una modulación 64QAM. Cluster 7 celdas banda 3,5 GHz. 1 interferencia cocanal (II) Figura 22: SINR y tasa binaria promedio de sistemas con 1 interferencia cocanal. AH de 60º.

39  Diapositiva 39 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Cluster 7 celdas banda 3,5 GHz. 2 interferencias cocanales (I) Figura 23: Topología celular con un cluster de 7 celdas. 2 interferencias cocanales.

40  Diapositiva 40 4. Simulaciones sobre sistemas WiMAX multicelda  Valor SINR medio. Cluster 7 celdas banda 3,5 GHz. 2 interferencias cocanales (II) Figura 24: SINR y tasa binaria promedio de sistemas con 2 interferencias cocanales. AH=60º.

41  Diapositiva 41 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Cluster 7 celdas banda 3,5 GHz. Múltiples interferencias cocanales (I) Figura 25: Topología celular con cluster de 7 celdas. Múltiples interferencias cocanales.

42  Diapositiva 42 4. Simulaciones sobre sistemas WiMAX multicelda  Mínimo valor de SINR para la obtención de la modulación BPSK. Cluster 7 celdas banda 3,5 GHz. Múltiples interferencias cocanales (II) Figura 26: SINR y tasa binaria promedio de sistemas con múltiples interferencias cocanales. AH=120º.

43  Diapositiva 43 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Análisis de resultados sobre escenarios reales. Madrid (I) Figura 27: Situación geográfica de la ciudad de Madrid (España). Tabla 1: Datos de la ciudad de Madrid para el cálculo del número de celdas necesarias.

44  Diapositiva 44 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Análisis de resultados sobre escenarios reales. Madrid (II) Figura 28: Selección del tipo de configuración multicelda y del tipo de terreno de estudio.

45  Diapositiva 45 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Análisis de resultados sobre escenarios reales. Madrid (III) Figura 29: Introducción de datos para Madrid.

46  Diapositiva 46 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Análisis de resultados sobre escenarios reales. Madrid (IV) Figura 30: Ventana de simulaciones del demostrador para el entorno de Madrid.

47  Diapositiva 47 4. Simulaciones sobre sistemas WiMAX multicelda  En este tipo de entorno se consigue alcanzar el valor óptimo en la estimación del número de celdas. Ese valor óptimo responde a la intersección entre el número de celdas por superficie y por población.  El valor óptimo tendrá por defecto un valor pico a promedio de 1:1 (elipse roja), incluyéndose otros resultados para valores picos a promedio superiores donde se ve incrementado el número de celdas. Análisis de resultados sobre escenarios reales. Madrid (V) Figura 31: Estimación del número de celdas según el valor pico a promedio.

48  Diapositiva 48 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Análisis de resultados sobre escenarios reales. Almería (I) Figura 32: Situación geográfica de la ciudad de Almería (España). Tabla 2: Datos de la ciudad de Almería para el cálculo del número de celdas necesarias.

49  Diapositiva 49 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Análisis de resultados sobre escenarios reales. Almería (II) Figura 33: Introducción de datos para Almería.

50  Diapositiva 50 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Análisis de resultados sobre escenarios reales. Almería (III) Figura 34: Ventana de simulaciones del demostrador para el entorno de Almería.

51  Diapositiva 51 4. Simulaciones sobre sistemas WiMAX multicelda  Considerando un valor muy próximo al radio máximo de celda (abscisas), se tiene que el valor apto del número de celdas es el mayor valor de las dos curvas sobre ese punto. En este esquema se tendrá que dicho valor se corresponde con un índice pico a promedio 1:1.  En el caso de que el cociente entre los dos valores de la curva sea mayor que 1, podrá tenerse el radio de celda constante con ese valor pico a promedio máximo. Se añade también una representación con un valor pico a promedio de 3. Análisis de resultados sobre escenarios reales. Almería (IV) Figura 35: Estimación del número de celdas según el valor pico a promedio.

52  Diapositiva 52 4. Simulaciones sobre un sistema WiMAX multicelda Análisis de resultados sobre escenarios reales. Distintos entornos Tabla 3: Resumen de los resultados obtenidos aplicando el simulador a municipios reales.

53  Diapositiva 53 WiMAX para Indoor Estación base Serie de edificios Edificio bajo estudio La señal recibida sufre de las perdidas por las fachadas, los efectos del multitrayecto y la baja ganancia de la antena receptora.

54  Diapositiva 54 Factores que afectan la cobertura del sistema WiMAX Indoor Ganancia de la antena receptora = 0 - 3 dB Perdidas por las fachadas = 10 -15 dB Perdidas por el multitrayecto = 10 – 15 dB Para nuestro caso, los valores de los citados factores son: Ganancia de la antena receptora = 3 dB Perdidas por las fachadas = 10 dB Perdidas por el multitrayecto = 10 dB WiMAX para Indoor

55  Diapositiva 55 Anchura de haz 60º, Altura antena Tx = 30 m Altura Rx = 1m Altura Rx = 4m

56  Diapositiva 56 Anchura de haz 60º, Altura antena Tx = 30 m Altura Rx = 4m Altura Rx = 10 m

57  Diapositiva 57 Anchura de haz 120º, Altura antena Tx = 30 m Altura Rx = 1m Altura Rx = 4m

58  Diapositiva 58 Anchura de haz 120º, Altura antena Tx = 30 m Altura Rx = 7m Altura Rx = 10m