técnicas de planeamento rádio na migração 3g/lte · planning processes, used in a process of...

Técnicas de planeamento rádio na migração 3G/LTE

Estudo de caso na Escandinávia

João Miguel Mendonça Jardim

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Orientador: Prof. António José Castelo Branco Rodrigues

Júri

Presidente: Prof. José Eduardo Charters Ribeiro da Cunha Sanguino

Orientador: Prof. António José Castelo Branco Rodrigues

Vogais: Prof. Francisco António Bucho Cercas

Eng. Paulo Henrique Batalha Duarte

Novembro de 2015

iii

Para a minha família e amigos

v

Agradecimentos

Agradecimentos Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao Professor António Rodrigues pelo apoio, supervisão e

disponibilidade demonstrada ao longo da realização desta dissertação. Em segundo lugar gostaria de

agradecer à Alcatel-Lucent, na pessoa do Nuno Marques, que através desta colaboração permitiram

a realização desta dissertação numa área atual e extremamente motivamente e desafiante.

Queria agradecer ao meu orientador na Alcatel-Lucent, o Paulo Duarte, que além da coordenação

técnica feita ao longo desta dissertação, foi também o responsável pela minha integração na equipa

da Alcatel-Lucent, permitindo-me adquirir bons conhecimentos na área do planeamento rádio.

Agradeço a toda a equipa do departamento, que me acolheu da melhor foma possível, transmitindo

diversos conhecimentos técnicos, e mostrando sempre uma grande abertura para o esclarecimento

de dúvidas.

Quero também agradecer aos meus pais, por me terem dado a possibilidade de realizar todo este

percurso académico, e que mesmo longe de casa, sempre me deram todo o apoio e força para

continuar a lutar pelos meus objetivos.

Quero agradecer à Sandra Pires pelo enorme apoio, motivação e otimismo constante que me

transmitiu ao longo deste trajeto. Quero agradecer aos meus amigos, em especial ao Hugo Café,

José Guita, Francisco Duarte e Jóni Silva, que me acompanharam ao longo deste meu percurso pelo

Instituto Superior Técnico, e que sempre me apoiaram e acompanharam, e sem os quais tudo teria

sido muito mais difícil.

vii

Resumo

Resumo O crescimento do tráfego de dados nas redes móveis durante os últimos anos tem sido enorme, e as

previsões apontam na continuidade deste crescimento. A adoção da tecnologia LTE por parte dos

operadores é cada vez mais necessária e mais frequente, aumentando deste modo, os processos de

transição entre o 2G/3G e o LTE. Este trabalho foi elaborado em colaboração com a Alcatel-Lucent e

aborda esta temática de alteração da tecnologia pelos operadores móveis. Define-se assim como

objetivo deste trabalho, a análise às diversas técnicas e processos de planeamento rádio, utilizados

num processo de transição entre tecnologias móveis para um operador. Inicialmente analisam-se as

ferramentas de planeamento utilizadas pela Alcatel-Lucent, apresentando os seus principais dados de

entrada e as suas configurações. Analisam-se os vários indicadores para a área em estudo neste

relatório, de forma a validar a cobertura nessas zonas. Para as situações prejudiciais para a rede,

como por exemplo, as falhas de cobertura ou o overshooting, aplicaram-se um conjunto de técnicas

de optimização rádio, que permitem reduzir o impacto desses problemas. Também na análise a estas

técnicas, compara-se o impacto numa célula, entre a utilização de tilt mecânico e a utilização de tilt

eléctrico, mostrando-se os benefícios da utilização de ambos os métodos. Para a melhoria da

cobertura, comparam-se as duas possibilidades: a otimização dos equipamentos existentes e a

introdução de novos sites. Os resultados apresentados por esta última solução, são claramente

superiores aos obtidos com a otimização, introduzindo em alguns casos, melhorias de 25% na

cobertura.

Palavras-chave

LTE; Planeamento rádio; Cobertura; Optimização; Introdução de sites;

ix

Abstract

Abstract During the last years, the growth of data traffic, on mobile networks, has been huge and forecasts

suggest a continuation of this growth. The adoption of LTE technology by operators is increasingly

necessary and more frequent, thereby increasing the transitions between 2G / 3G and LTE. This work

was made in colaboration with Alcatel-Lucent and approaches this issue of change of technology by

mobile operators. The aim of this project is analysing the several techniques and radio network

planning processes, used in a process of transition between mobile technologies by an operator.

Initially, we analyse the planning tools used by Alcatel-Lucent, presenting its main input data and their

settings. In order to validate coverage, we analysed several indicators for the area under study in this

report. For harmful situations to the network, such as, coverage gaps or overshooting, we used a set

of radio optimization techniques, which reduce the impact of these problems. By the analysis to these

techniques, we compared the cell impact of using mechanical tilt and electrical tilt, showing the

benefits of both methods. To improve coverage, both possibilities are compared: optimization of

equipment and the introduction of new sites. The results presented by the introduction of new sites are

clearly higher than those obtained with optimization, in some cases, improving the coverage in 25%.

Keywords

LTE; Radio Network Planning; Coverage; Optimization; Introduction of sites;

xi

Índice

Índice Agradecimentos ........................................................................................................................................v

Resumo …………………………………………………………………………………………………………vii

Abstract ………………………………………………………………………………………………………….ix

Índice ………………………………………………………………………………………………………….xi

Lista de Figuras ..................................................................................................................................... xiii

Lista de Tabelas ..................................................................................................................................... xv

Lista de Acrónimos ............................................................................................................................... xvii

Lista de Símbolos .................................................................................................................................. xix

1 Introdução ................................................................................................................................ 1

Motivação ......................................................................................................................... 3 1.1

Definição do problema e objetivos ................................................................................... 5 1.2

2 Conceitos básicos sobre LTE .................................................................................................. 7

Requisitos iniciais ............................................................................................................. 9 2.1

Arquitetura de rede ........................................................................................................... 9 2.2

Técnicas de acesso múltiplo .......................................................................................... 11 2.3

Modulação ...................................................................................................................... 12 2.4

Tipo de transmissão ....................................................................................................... 14 2.5

Qualidade de serviço e qualidade de experiência ......................................................... 15 2.6

Small-cells ...................................................................................................................... 16 2.7

Modelos de propagação e planeamento de rede........................................................... 17 2.8

Tilt elétrico e mecânico ................................................................................................... 20 2.9

Plano de vizinhanças ..................................................................................................... 21 2.10

3 LTE radio network planning ................................................................................................... 23

Introdução ....................................................................................................................... 25 3.1

Descrição das ferramentas ............................................................................................ 26 3.2

Ferramenta de link budget ................................................................................... 26 3.2.1

Software 9955 RNP ............................................................................................. 29 3.2.2

Inputs .............................................................................................................................. 30 3.3

Dados geográficos ............................................................................................... 31 3.3.1

Antenas ................................................................................................................ 34 3.3.2

Modelos de propagação ...................................................................................... 35 3.3.3

Posicionamento e configurações de rede ........................................................... 37 3.3.4

Critérios de validação da cobertura rádio ...................................................................... 39 3.4

4 Análise de resultados e otimização rádio .............................................................................. 41

xii

Técnicas de otimização rádio ......................................................................................... 43 4.1

Verificação de cobertura ...................................................................................... 43 4.1.1

Ajuste de tilt elétrico e mecânico ......................................................................... 43 4.1.2

Verificação de overshooting ................................................................................ 45 4.1.3

Alteração da banda de frequências ..................................................................... 46 4.1.4

Análise de resultados ..................................................................................................... 47 4.2

Análise de cobertura ............................................................................................ 47 4.2.1

Análise de best server ......................................................................................... 51 4.2.2

Análise dos restantes indicadores ....................................................................... 54 4.2.3

Plano de physical cell identifiers .................................................................................... 57 4.3

Plano de vizinhanças ..................................................................................................... 58 4.4

Introdução de novos sites considerando o número de habitantes ................................. 59 4.5

Caso de estudo: otimização versus introdução de novos sites ..................................... 64 4.6

Estado inicial da zona em análise ....................................................................... 64 4.6.1

Soluções possíveis .............................................................................................. 67 4.6.2

Comparação de melhorias introduzidas pelas soluções apresentadas .............. 70 4.6.3

Vantagens e desvantagens das soluções ........................................................... 71 4.6.4

5 Conclusões ............................................................................................................................ 73

Anexo A. Dados introduzidos na ferramenta 9955 RNP ....................................................................... 79

A.1 Configurações dos modelos de propagação .......................................................................... 81

A.2 Parâmetros das antenas utilizadas ......................................................................................... 83

Anexo B. Resultados das simulações ................................................................................................... 85

B.1 Predições de RSRP para a zona 2 ......................................................................................... 87

B.2 Predições de best server para a zona 2 ................................................................................. 89

B.3 Predições de RSRP para espaços indoor .............................................................................. 90

B.4 Modificações efetuadas na zona 1 ......................................................................................... 92

B.5 Predição de best server na banda LTE 1800 ......................................................................... 93

B.6 RSRQ, SINR, Overlapping 4 e 10 dB, para a zona 1 ............................................................. 94

B.7 RSRQ, SINR, Overlapping 4 e 10 dB, para a zona 2 ........................................................... 102

Anexo C. Resultados do caso de estudo ............................................................................................. 111

C.1 Predição de SINR para o estado inicial ................................................................................ 113

C.2 Após optimização dos parâmetros físicos ............................................................................ 113

C.3 Após introdução de novo site ............................................................................................... 114

Anexo D. Método numérico para o cálculo de tilt ................................................................................ 115

Referências ......................................................................................................................................... 119

xiii

Lista de Figuras

Lista de Figuras Figura 1.1 – a) Previsão do tráfego médio de dados por mês em exabytes (2013-2018); b)

Previsão do tráfego global (2010-2019) [1] [2]. .............................................................. 3

Figura 1.2 – a) Resultados globais de dispositivos e de ligações por tecnologia; b) Resultados

mensais de tráfego por tecnologia [2]. ........................................................................... 4

Figura 1.3 – Diferentes tipos de small-cells [5]. ....................................................................................... 5

Figura 2.1 – Arquitetura da rede LTE, com componentes e protocolos de ligação [7]. .........................10

Figura 2.2 – Representação da utilização da frequência e do tempo para o TDD o FDD [6]. .............12

Figura 2.3 – Relação entre eficiência espetral e qualidade rádio para as várias modulações [6]. ........13

Figura 2.4 – Utilização de MIMO para uma situação com duas antenas na emissão e duas na

receção [6]. ...................................................................................................................14

Figura 2.5 – Estabelecimento de uma bearer entre o UE e o PGW [6]. ................................................15

Figura 2.6 – Esquemas representativos dos modelos de propagação, SPM e Ray Tracing [13]. ........18

Figura 2.7 – Esquema com os ângulos dos tilts elétrico e mecânico [14]. ............................................20

Figura 3.1 – Área de trabalho da ferramenta 9955 RNP [20]. ...............................................................30

Figura 3.2 – Representação dos DTM para a zona 1 [20]. ....................................................................31

Figura 3.3 – Representação dos DTM para a zona 2 [20]. ....................................................................32

Figura 3.4 – Representação dos clutter classes da zona 1 [20]. ...........................................................32

Figura 3.5 – Representação dos clutter classes da zona 2 [20]. ...........................................................33

Figura 3.6 – Representação de vetores de estradas e lagos [20]. ........................................................34

Figura 4.1 – Comparação da cobertura com a aplicação de diferentes valores de tilt [20]. ..................43

Figura 4.2 – Exemplificação de situações de overshooting [20]. ...........................................................45

Figura 4.3 – Exemplo de alteração da banda de frequências [20]. .......................................................46

Figura 4.4 – Predição de RSRP para a zona 1, no LTE 450 [20]. .........................................................47

Figura 4.5 – Predição de RSRP para a zona 1, no LTE 800 [20]. .........................................................48

Figura 4.6 – Predição de RSRP para a zona 1, no LTE 1800 [20]. .......................................................49

Figura 4.7 – Identificação de célula responsável pela cobertura da zona de falha [20]. .......................50

Figura 4.8 – Perfil de terreno entre a EB emissora e a zona de falha [20]. ...........................................50

Figura 4.9 – Predição de cobertura para a zona de falha, após a otimização [20]................................51

Figura 4.10 – Predição de best server para a zona 1, no LTE 450 [20]. ...............................................52

Figura 4.11 – Predição de best server para a zona 1, no LTE 800 [20]. ...............................................52

Figura 4.12 – Predição de best server para a zona 1, no LTE 450, após otimização [20]. ...................53

Figura 4.13 – Predição de best server para a zona 1, no LTE 800, após otimização [20]. ...................54

Figura 4.14 – Esquema de distribuição de PCI por dois países. ...........................................................57

Figura 4.15 – Processo de otimização da alocação de PCI na ferramenta 9955 RNP. ........................58

xiv

Figura 4.16 – Relações de vizinhança de uma célula [20]. ....................................................................59

Figura 4.17 – Predição de RSRP e identificação das localidades com falhas [20]. ..............................60

Figura 4.18 – Predição de RSRP, após a introdução de dois novos sites [20]. ....................................62

Figura 4.19 – Predição de SINR, antes da otimização [20]. ..................................................................63

Figura 4.20 – Predição de SINR, após a introdução de novos sites [20]. .............................................63

Figura 4.21 – Predição inicial de RSRP para o caso de estudo [20]. ....................................................65

Figura 4.22 – Predição inicial de best server, para o caso de estudo [20]. ...........................................65

Figura 4.23 – Células com possibilidade de cobertura na zona de falha [20]. ......................................66

Figura 4.24 – Perfis de terreno para as células a), b) e c) que cobrem o IMSI [20]. .............................67

Figura 4.25 – Predição de RSRP após a otimização da rede [20]. .......................................................68

Figura 4.26 – Predição de RSRP, após introdução de novos sites [20]. ...............................................69

Figura 4.27 – Predição de best server, após a introdução de novos sites [20]. ....................................70

Figura B.1 – Predição de RSRP para a zona 2, no LTE 450 [20]. .........................................................87

Figura B.2 – Predição de RSRP para a zona 2, no LTE 800 [20]. .........................................................88

Figura B.3 – Predição de best server para a zona 2, no LTE 450 [20]. .................................................89

Figura B.4 – Predição de best server para a zona 2, no LTE 800 [20]. .................................................89

Figura B.5 – Predição de RSRP indoor para a zona 1, no LTE 450 [20]. ..............................................90

Figura B.6 – Predição de RSRP indoor para a zona 1, no LTE 800 [20]. ..............................................91

Figura B.7 – Predição de best server para a zona 1, no LTE 1800 [20]. ...............................................93

Figura B.8 – Predição de RSRQ para a zona 1, no LTE 450 [20]. ........................................................94

Figura B.9 – Predição de SINR para a zona 1, no LTE 450 [20]. ..........................................................95

Figura B.10 – Predição de Overlapping 10 dB para a zona 1, no LTE 450 [20]. ...................................96

Figura B.11 – Predição de Overlapping 4 dB para a zona 1, no LTE 450 [20]. .....................................97

Figura B.12 – Predição de RSRQ para a zona 1, no LTE 800 [20]. ......................................................98

Figura B.13 – Predição de SINR para a zona 1, no LTE 800 [20]. ........................................................99

Figura B.14 – Predição de Overlapping 10 dB para a zona 1, no LTE 800 [20]. .................................100


Figura B.16 – Predição de RSRQ para a zona 2, no LTE 450 [20]. ....................................................102

Figura B.17– Predição de SINR para a zona 2, no LTE 450 [20]. .......................................................103



Figura B.20 – Predição de RSRQ para a zona 2, no LTE 800 [20]. ....................................................106

Figura B.21 – Predição de SINR para a zona 2, no LTE 800 [20]. ......................................................107



Figura C.1 – Predição de SINR para o caso de estudo no estado inicial [20]. ....................................113

Figura C.2 – Predição de best server após a otimização das EB já existentes [20]............................113

Figura C.3 – Predição de SINR para o caso de estudo, após otimização [20]. ...................................114

Figura C.4 – Predição de SINR para o caso de estudo, após a introdução de novo site [20]. ............114

Figura D.1 – Esquema de cálculo de tilt. ..............................................................................................114

xv

Lista de Tabelas

Lista de Tabelas Tabela 2.1 – Modulação e eficiência na escala CQI para uma situação com 4 bits [6]. .......................13

Tabela 2.2 – Escala CQI identificando para cada valor qual o tipo recurso, a prioridade, o

Packet Delay Budget, o Packet Error Loss Rate e um exemplo de serviço [7] ...........16

Tabela 3.1 – Parâmetros definidos para o link budget [17] [18].............................................................27

Tabela 3.2 – Resultados obtidos no link budget, por serviço e banda. .................................................29

Tabela 3.3 – Distribuição dos clutter classes pelas zonas 1 e 2............................................................33

Tabela 3.4 – Diagramas de radiação horizontal e vertical, para as antenas A e H [20] ........................35

Tabela 3.5 – Distribuição de sites e estações de base por banda. .......................................................37

Tabela 3.6 – Parâmetros configurados no 9955 RNP, gerais aos vários equipamentos. .....................38

Tabela 4.1 – Resultados da aplicação de diferentes configurações de tilt [20] .....................................44

Tabela 4.2 – Resultados de RSRP para a zona 1, no LTE 450.............................................................48

Tabela 4.3 - Resultados de RSRP para a zona 1, no LTE 800 .............................................................49

Tabela 4.4 – Resultados obtidos nos diversos KPI para ambas as zonas ............................................56

Tabela 4.5 – Número de habitantes por cidade/aldeia ..........................................................................60

Tabela 4.6 – Parâmetros físicos das EB, com os valores da otimização ..............................................61

Tabela 4.7 – Resultados da predição de RSRP, antes e após a otimização. .......................................62

Tabela 4.8 – Resultados de SINR, antes e após a introdução de novos sites ......................................64

Tabela 4.9 – Alterações físicas aplicadas na solução de otimização ....................................................68

Tabela 4.10 – Configurações físicas dos novos sites a serem introduzidos. ........................................69

Tabela 4.11 – Resultados de RSRP, após otimização e introdução de novos sites .............................70

Tabela 4.12 – Resultados de SINR, após otimização e introdução de novos sites...............................71

Tabela 4.13 – Comparação das vantagens e desvantagens de cada método ......................................71

Tabela A.1 – Configurações do modelo SPM para o LTE 450 ..............................................................81

Tabela A.2 – Configurações do modelo SPM para o LTE 800 ..............................................................81

Tabela A.3 – Configurações do modelo SPM para o LTE 1800 ............................................................82

Tabela A.4 – Configurações dos parâmetros do modelo SPM relativos aos clutters ............................82

Tabela A.5 – Perdas para os espaços indoor, por clutter classe ...........................................................83

Tabela A.6 – Características das antenas utilizadas na ferramenta de planeamento [20] ....................83

Tabela B.1 – Resultados de RSRP para a zona 2, no LTE 450 ............................................................87

Tabela B.2 – Resultados de RSRP para a zona 2, no LTE 800 ............................................................88

Tabela B.3 – Resultados de RSRP indoor para a zona 1, no LTE 450 .................................................83

Tabela B.4 – Resultados de RSRP indoor para a zona 1, no LTE 800 .................................................91

Tabela B.5 – Modificações aplicadas na zona 1 ....................................................................................83

Tabela B.6 – Resultados de RSRQ para a zona 1, no LTE 450 ............................................................83

xvi

Tabela B.7 – Resultados de SINR para a zona 1, no LTE 450..............................................................95

Tabela B.8 – Resultados do Overlapping 10 dB para a zona 1, no LTE 450 ........................................83

Tabela B.9 – Resultados de Overlapping 4 dB para a zona 1, no LTE 450 ..........................................83

Tabela B.10 – Resultados de RSRQ para a zona 1, no LTE 800. .........................................................98

Tabela B.11 – Resultados de SINR para a zona 1, no LTE 800............................................................83

Tabela B.12 – Resultados do Overlapping 10 dB para a zona 1, no LTE 800 ....................................100

Tabela B.13 – Resultados de Overlapping 4 dB para a zona 1, no LTE 800 ........................................83

Tabela B.14 – Resultados de RSRQ para a zona 2, no LTE 450. .......................................................102



Tabela B.17 – Resultados de Overlapping 4 dB para a zona 2, no LTE 450 ........................................83

Tabela B.18 – Resultados de RSRQ para a zona 2, no LTE 800. .......................................................106



Tabela B.21 – Resultados de Overlapping 4 dB para a zona 2, no LTE 800 ......................................109

xvii

Lista de Acrónimos

Lista de Acrónimos 3G Terceira geração de redes móveis

3GPP Third Generation Partnership Project

ALU Alcatel-Lucent

ANACOM Autoridade Nacional de Comunicações

ANR Automatic Neighbour Relationship

ARP Allocation and Retention Priority

AUC Authentication Center

CDMA Code Division Multiple Access

CQI Channel Quality Indication

DL Downlink

DTM Digital Terrain Model

DU/U Denso Urbano/Urbano

EB Estação de base

eNB Evolved Node B

ePC Evolved Packet Core

e-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network

FDD Frequency Division Duplex

GBR Guaranteed Bit Rate

GPRS General Packet Radio Service

HeNB Heterogeneous eNB

HSPA High Speed Packet Access

HSS Home Subscription Server

IMSI International Mobile Subscriber Identity

IP Internet Protocol

KPI Key Performance Indicator

LTE Long Term Evolution

LTE-A LTE Advanced

MAPL Maximum Allowable Path Loss

MIMO Multiple Input Multiple Output

MISO Multiple Input Single Output

MME Mobility Management Entity

NAS Non-Access-Stratum

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

PAPR Peak-to-Average Power Ratio

xviii

PAR Peak Average Ratio

PCI Physical Cell Identifier

PCRF Policy and Charging Resource Function

PGW Packet Data Network Gateway

PLMN ID Public Land Mobile Network Identifier

PS Packet Switch

PSS Primary Synchronization Signal

PUSCH Physical Uplink Shared Channel

QAM Quadrature Amplitude Modulations

QCI Quality of Service Class Identifier

QoE Qualidade de experiência

QoS Qualidade de serviço

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RB Resource Blocks

RNP Radio Network Planning

RS SINR Reference Signal, Signal to Interference plus Noise Ratio

RSRP Reference Signal Received Power

RSRQ Reference Signal Received Quality

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access

SGW Serving Gateway

SIMO Single Input Multiple Output

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio

SNR Signal-to-Noise Ratio

SPM Standard Propagation Model

SSS Secondary Synchronization Signal

SU/R Suburbano/Rural

SU-MIMO Single User - Multiple Input Multiple Output

TAC Tracking Area Code

TDD Time Division Duplex

UE User Equipment

UL Uplink

VoIP Voz por Internet Protocol

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

xix

Lista de Símbolos

Lista de Símbolos

elec

Tilt elétrico de uma antena

mech

Tilt mecânico de uma antena

tilt

Total de tilt aplicado numa antena

mC

Atenuação adicional do modelo COST 231-Hata

d Distância entre emissor e recetor

Difloss Perdas devido à difração num percurso com obstáculos

f Frequência da portadora

eNBF

Fator de ruído

( )f clutter Valor médio de perdas por clutter

dBFSSGanho

Ganho devido à seleção da frequência

dBHOGanho

Ganho devido à seleção de best server

dBiRxGanho

Ganho da antena do recetor

dBiTxGanho

Ganho da antena do emissor

EBh

Altura efetiva da antena do emissor

UEh

Altura efetiva da antena do recetor

I Interferência no sinal recebido

iK Fatores multiplicativos do modelo de propagação SPM, apresentado na

expressão 11, com 1 7i

clutterK

Fator multiplicativo do modelo SPM, relativo ao clutter

pL

Valor médio do path loss

dBIoTMargem

Margem de interferência

dBPenetraçãoMargem

Perdas de penetração para interiores

dBShadowingMargem

Desvanecimento lento

xx

N Ruído térmico

( )RB ULN

Número de Resource Blocks

thN

Densidade de potência espectral de ruído térmico

P Potência recebida do sinal

CorpoUEPerdas

Atenuação devido ao corpo do utilizador para todos os serviços

dBRxPerdas

Total de perdas no percurso de receção

dBTxPerdas

Atenuação total no percurso de transmissão

_ dBmMaxTX PUSCHP

Potência máxima transmitida pelo utilizador em PUSCH

dBmSensibilidade

Sensibilidade do emissor por serviço

RBW

Largura de banda de um Resource Blocks

1

Capítulo 1

Introdução

1 Introdução

Este capítulo introduz o trabalho realizado, sendo apresentada a motivação para a sua realização. É

também definido o problema em estudo e os objetivos que se pretende atingir.

3

Motivação 1.1

O desenvolvimento tecnológico nos últimos anos originou uma crescente necessidade de melhoria

dos meios e dos fluxos de informação. Na área das telecomunicações móveis este facto foi evidente,

pois houve uma mudança de paradigma. Se nas primeiras gerações de redes móveis os principais

serviços eram os serviços de voz e mensagens, na terceira e quarta geração (3G e LTE), o tráfego de

dados ganhou especial importância. O crescimento do tráfego de dados tem sido enorme e a

previsão é continuar a aumentar, ficando o tráfego de voz com uma expressão cada vez mais

insignificante em comparação com o tráfego de dados em telemóveis e noutros dispositivos como

tablets e computadores. Segundo as análises da Cisco, o tráfego mensal em 2014 foi de 2.5 exabytes

e como se verifica pela figura 1.1-a), está previsto crescer 10 vezes mais nos próximos 5 anos,

atingindo valores de 24.3 exabytes em 2019. As previsões da Ericsson seguem a mesma linha,

apresentando que entre 2014 e 2020, o crescimento do tráfego de dados será também na ordem de

10 vezes mais, como se observa na figura 1.1-b) [1] [2].

Figura 1.1 – a) Previsão do tráfego médio de dados por mês em exabytes (2014-2019); b) Previsão

do tráfego global (2014-2020) [1] [2].

Este crescimento de tráfego deve-se à cada vez maior utilização da internet em dispositivos móveis

(smartphones, tablets ou computadores). Além disso, a diversificada gama de aplicações que surgem

todos os dias para estes dispositivos intensifica a sua utilização e a necessidade por parte das redes

em suportar este cada vez maior débito binário. É de realçar que apesar de atualmente os

smartphones não serem o dispositivo móvel mais utilizado, correspondendo apenas a 29% dos

equipamentos no mercado, o tráfego mensal gerado por smartphone em 2014 foi de 819 MB [2].

De forma a acompanhar e suportar todo este crescimento foi necessário desenvolver novas

tecnologias, surgindo neste contexto as redes de quarta geração. Assim em 2008, o 3rd Generation

Partnership Project (3GPP) lança as especificações para o Long Term Evolution (LTE). Além da

a) b)

4

necessidade de um maior débito binário, a orientação das redes móveis para a internet e a

uniformização do tráfego fizeram com que, para esta nova geração, se utilizasse uma arquitetura

orientada para o tráfego de pacotes. O aumento da qualidade de serviço (QoS) e da qualidade de

experiência (QoE), a redução de custos e a redução da complexidade foram outras das motivações

para o desenvolvimento do LTE [3].

A capacidade do LTE e a sua importância, tanto atual como futura, é facilmente compreendida

através da análise da figura 1.2. Apesar de, em 2014 esta tecnologia representar apenas 7% das

ligações móveis (figura 1.2-a), o tráfego do LTE já correspondia a 40% do total (figura 1.2-b), estando

previsto estes valores aumentarem de forma exponencial nos próximos anos.

Figura 1.2 – a) Resultados globais de dispositivos e de ligações por tecnologia; b) Resultados

mensais de tráfego por tecnologia [2].

As futuras evoluções do LTE já estão definidas em alguns casos e outras estão em estudo, como as

releases 10 e 11 que definem o LTE Advanced (LTE-A), e das releases 12 e 13 que definem linhas

gerais para os formatos sucessores.

Em 2014, apenas cerca de 40% da população mundial estava coberta pelo LTE, e as previsões

apontam que em 2020, esteja coberta pelo menos 70% da população [1]. Verifica-se assim que terá

de haver uma forte implementação desta tecnologia nas redes atuais, constituindo um importante

desafio para os operadores móveis, ao longo dos próximos anos. Para tal, existem dois cenários

possíveis. A introdução de uma rede LTE de base, ou a utilização da rede de 2G/3G como base para

a criação da rede LTE. Esta segunda hipótese apesar de implicar um custo económico inferior, possui

diversas limitações provenientes da rede anterior. A distribuição física, por exemplo, é mantida entre

tecnologias, provocando uma menor flexibilidade na distribuição de sites e uma consequente menor

capacidade de otimização física, no momento da introdução do LTE.

Com o desenvolvimento de novas tecnologias, a forma como a rede está organizada modificou-se, e

desta forma, no LTE o conceito de small-cells ganhou importância. As small-cells são essencialmente

estações de base (EB) que operam a baixa potência e com um alcance inferior às EB tradicionais [4].

As suas principais funções são a melhoria da cobertura e da capacidade em zonas específicas da

rede móvel.

a) b)

5

Atualmente, o conceito de small-cells abrange tanto a cobertura ao nível interior de edifícios, as

designadas femto-células e pico-células, bem como no exterior, em zonas urbanas, com as

metro-células e micro-células. Além disso, como se pode observar na figura 1.3, o tamanho destas

células é crescente, sendo as mais pequenas as femto-células e as maiores as micro-células. Assim,

com a colocação deste tipo de células, pretende-se que o utilizador possa ter cobertura e capacidade

(ou uma melhoria destes aspetos), independentemente do ambiente em que está inserido [5].

Figura 1.3 - Diferentes tipos de small-cells [5].

Definição do problema e objetivos 1.2

A implementação do LTE por parte dos operadores, como resposta aos requisitos cada vez mais

exigentes dos utilizadores, é uma realidade cada vez mais comum. Os processos de migração entre o

2G/3G e o LTE obrigam à elaboração e análise de diversos estudos de impacto. A esta mudança, é

necessário que esteja sempre associada uma melhoria da qualidade global da rede.

O desenvolvimento deste trabalho foi feito na Alcatel-Lucent Portugal, que é um fornecedor de

referência a nível mundial, na área das telecomunicações. Uma das suas principais áreas de ação é

no fornecimento de tecnologia LTE. Este trabalho enquadra-se nesse contexto, estando inserido num

projeto real, para um cliente da Alcatel-Lucent (ALU) no Norte da Europa. Este projeto tem como

objetivo a atualização da rede existente para LTE, encontrando-se atualmente em fase de execução.

A transição entre duas tecnologias diferentes cria inúmeros desafios tanto ao cliente, como ao

fornecedor. Entre os diversos processos executados, destaca-se o planeamento rádio, que

desempenha um papel ativo no projeto, tanto numa fase inicial, com os estudos relativos ao impacto

da nova tecnologia, bem como numa fase posterior de expansão e reforço da rede móvel. Define-se

como objetivo deste trabalho, a análise às diversas técnicas e métodos utilizados no processo de

Radio Network Planning (RNP). Pretende-se também compreender as possíveis soluções a

implementar na rede, de forma a melhorar a qualidade do sinal rádio, analisando as vantagens e

desvantagens de cada solução.

6

Esta dissertação está dividida em cinco capítulos, onde se acompanha o desenvolvimento do projeto

com a ALU. Apresentam-se no capítulo 1, as motivações para a elaboração desta dissertação, a

definição do problema e os objetivos que se pretendem alcançar.

No capítulo 2 descrevem-se os diversos conceitos relativos à tecnologia LTE, iniciando-se pelos

requisitos estabelecidos para esta tecnologia, e apresentando a arquitetura de rede do LTE.

Abordam-se as diversas mudanças necessárias para o cumprimento dos requisitos da tecnologia,

nomeadamente ao nível das técnicas de acesso múltiplo, modulação e tipo de transmissão. Ainda

neste capítulo, detalham-se os modelos de propagação rádio, introduzem-se os conceitos de tilt

elétrico e tilt mecânico, e o plano de vizinhanças de uma célula. Estes conceitos são especialmente

relevantes para o processo de planeamento rádio.

O enquadramento e descrição do projeto é feito na secção inicial do capítulo 3. Nas secções

seguintes descrevem-se as ferramentas utilizadas num processo de planeamento da ALU,

detalhando-se os diversos inputs e configurações, necessários para a obtenção dos resultados.

Encerra-se este capítulo através da apresentação dos critérios estabelecidos para a validação da

cobertura rádio no projeto em análise.

No capítulo 4 apresentam-se as técnicas de otimização aplicadas pela ALU e os diversos resultados

das simulações efetuadas. Na primeira secção, definem-se as diversas técnicas, demonstrando-se

situações em que a sua introdução permite uma melhoria na qualidade da rede. Posteriormente

analisa-se o estado da rede, antes da aplicação de alterações, apresentando-se depois os resultados

obtidos após a otimização. Nas secções 3 e 4 deste capítulo, encontram-se detalhados os métodos

para a elaboração do plano de Physical Cell Identifiers (PCI) e de vizinhanças. A secção seguinte,

aborda a introdução de novos sites, ponderando a sua localização e configuração de acordo com a

distribuição geográfica nesse ambiente. Encerra-se o capítulo analisando um caso de estudo, onde

se identificam as falhas presentes na área e comparam-se os resultados obtidos entre a otimização

dos equipamentos existentes e a introdução de novos sites.

No capítulo 5 descrevem-se as conclusões, retiradas da elaboração deste trabalho. Sintetizam-se as

diversas conclusões adquiridas ao longo de cada capítulo, com especial ênfase nos resultados

obtidos no capítulo 4.

Apresentam-se posteriormente, um conjunto de anexos com informações complementares. No anexo

A são detalhados os dados introduzidos na ferramenta de planeamento, como configurações dos

modelos de propagação ou dados das antenas. No anexo B são apresentados os resultados obtidos

com a ferramenta de planeamento para as zonas em estudo neste trabalho, antes e após as

otimizações introduzidas. Os resultados adicionais relativos ao caso de estudo, incluindo dados do

estado inicial da área e após a otimização, são demonstrados no anexo C. No anexo D, é detalhado o

método numérico para o cálculo do valor de tilt.

7

Capítulo 2

Conceitos básicos sobre LTE

2 Conceitos básicos sobre LTE

Neste capítulo abordam-se os diversos conceitos relacionados com a tecnologia LTE. Descrevem-se

as suas principais características, a arquitetura e as diversas técnicas introduzidas nesta geração.

Apresentam-se também as configurações físicas, nomeadamente o tilt elétrico e mecânico,

importantes para a otimização da rede.

9

Requisitos iniciais 2.1

A introdução do LTE tinha como objetivo a criação da geração de redes móveis sucessora do 3G,

permitindo acompanhar o crescimento das redes, como foi referido no capítulo anterior. Desta forma,

foram estabelecidos um conjunto de requisitos iniciais que esta nova geração necessitava de cumprir,

sendo alguns deles os seguintes [6]:

A eficiência espetral para o downlink (DL) deveria ser entre 3 a 4 vezes superior à

geração anterior e no uplink (UL) entre 2 a 3 vezes superior;

O espetro de frequências deveria cobrir desde os 450 MHz aos 2.6 GHz, e ter uma

largura de banda na escala de 1.4, 3, 5, 10, 15 e 20 MHz;

O débito de pico para o DL teria de ser superior a 100 Mb/s e para o UL superior a

50 Mb/s, para uma alocação espectral de 20 MHz;

Os valores de latência para o plano de controlo deviam ser inferiores a 100 ms, para o

estabelecimento do plano de utilizador, sendo que a latência deste deveria ser inferior a

10 ms, desde o utilizador ao servidor.

Definiu-se, também, que a otimização da rede deveria ser para velocidades baixas (0-15 km/h), mas

a ligação deveria manter-se para velocidades até 500 km/h.

Arquitetura de rede 2.2

A organização da arquitetura de rede do LTE tem como base uma rede orientada à comutação por

pacotes, havendo assim uma mudança de paradigma em relação às gerações anteriores, que

funcionavam na comutação de circuitos. Esta nova arquitetura além de introduzir diversas

simplificações na rede, eliminando pontos de falha, também permite melhorar a eficiência através da

redução da latência. A compatibilidade com as gerações móveis anteriores também é mantida.

Como se pode observar na figura 2.1, este sistema é constituído por duas grandes redes,

nomeadamente a evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (e-UTRAN) e a evolved Packet

Core (ePC). A e-UTRAN é constituída pelas estações de base inteligentes, designadas evolved

Node B (eNB). As eNB caracterizam-se pela sua autonomia e elevado desempenho, eliminando

assim a necessidade de uma entidade controladora das várias estações de base como acontecia

anteriormente.

10

Figura 2.1 - Arquitetura da rede LTE, com componentes e protocolos de ligação [7].

A rede ePC é composta por diversos componentes, com funções variáveis, designadamente [6][7][8]:

Mobility Management Entity (MME) – É responsável pelo controlo de sessões, ao encaminhar e

solicitar a autenticação do User Equipment (UE) ao Home Subscription Server (HSS). O MME faz o

processamento da sinalização do plano de controlo entre o UE e o ePC. As suas funções podem

agrupar-se em duas categorias distintas: as funções relacionadas com a gestão das ligações lógicas

virtuais (bearer) e as funções relacionadas com a gestão da ligação. Na gestão da bearer está

incluído o estabelecimento, a manutenção e a libertação das bearers, sendo executado pela camada

de gestão de sessão no protocolo NAS (Non-Access-Stratum). Em relação à gestão da ligação, as

funções incluem o estabelecimento da ligação e a segurança entre a rede e o UE, sendo controlado

pela camada de gestão de ligação ou de mobilidade. Desta forma é responsável pela gestão do

handover e pelo roaming.

Serving Gateway (SGW) – faz o encaminhamento dos pacotes IP (Internet Protocol) dos utilizadores,

funcionando também como âncora para o handover entre as diferentes eNB. Quando o utilizador está

no estado inativo, o SGW retém informação sobre as bearers, e faz o carregamento temporário da

informação de DL enquanto o MME não está preparado para a receber. Adicionalmente, é

responsável pela ligação a outras tecnologias de dados da 3GPP, como o General Packet Radio

Service (GPRS) e o High Speed Packet Access (HSPA). Também executa funções administrativas

sobre as redes acedidas, como a recolha de dados para o operador (por exemplo consumos de

tráfego).

Policy and Charging Resource Function (PCRF) – responsável pelo controlo de políticas e de fluxo de

dados, ajustando o débito binário de acordo com a qualidade de serviço necessária. O PCRF fornece

a autorização de QoS, composta por um identificador de classe e o débito binário, garantindo que um

determinado fluxo de tráfego está de acordo com o perfil do utilizador.

11

Packet Data Network Gateway (PGW) – responsável pela conectividade dos utilizadores, fazendo a

ligação com as redes de dados externas. Neste equipamento, também é feita a atribuição do

endereço IP a cada UE e o controlo de fluxo de acordo com as regras estabelecidas pelo PCRF. Este

equipamento faz a filtragem dos pacotes IP do UE na ligação descendente (DL), tendo por base as

diferentes QoS exigidas pelas diferentes bearers e realiza QoS para um determinado débito binário

garantido (Guaranteed Bit Rate, GBR). Além disso, o PGW funciona como ponto âncora para as

redes que não são 3GPP, como o Code Division Multiple Access (CDMA) e o Worldwide

Interoperability for Microwave Access (WiMAX).

Home Subscription Server (HSS) - corresponde a uma base de dados contendo diversas informações

sobre as redes públicas. Aqui são mantidos dados como por exemplo, o perfil QoS, possíveis

restrições de roaming ou quais as redes a que um UE se pode ligar. Neste equipamento, também é

armazenada diversa informação dinâmica, como por exemplo, quais são os utilizadores registados

num determinado MME. Pode também ser integrado neste equipamento o Authentication Center

(AUC), onde são geradas chaves para a autenticação e de segurança.

A ligação entre diferentes eNB, também representada na figura 2.1, é feita através da interface X2,

que para o tráfego do plano de dados é denominada X2-U e para o plano de controlo é designada

X2-C. Para a ligação entre as redes e-UTRAN e ePC é utilizada a interface S1, que para a ligação

entre a eNB e o SGW é designada de S1-U. Este protocolo é responsável pelo tráfego no plano de

utilizador, transportando, por exemplo, o tráfego de internet ou a voz por IP (VoIP), e fornecendo

assim aos utilizadores conectividade à restante rede. Para utilização exclusiva do plano de controlo, e

fazendo a ligação entre a eNB e o MME, a interface é denominada de S1-MME, onde é transportada

toda a sinalização.

Técnicas de acesso múltiplo 2.3

As técnicas de acesso múltiplo que a tecnologia LTE utiliza são a Orthogonal Frequency Division

Multiple Access (OFDMA) e a Single Carrier Frequency Division Multiple Access (SC-FDMA). A

técnica OFDMA é utilizada para o DL, pois permite uma melhoria na eficiência espectral e é mais

robusta em relação às interferências. Como desvantagem, tem um valor elevado de Peak-to-Average

Power Ratio (PAPR), o que limita a potência de transmissão no UL e reduz a cobertura. O elevado

PAPR também obriga à utilização de melhores amplificadores de potência, constituíndo uma

dificuldade acrescida para os fabricantes de equipamentos móveis. Desta forma, para o UL é utilizada

a técnica SC-FDMA, que é uma modificação da OFDMA, possuindo um Peak Average Ratio (PAR)

inferior. Assim há uma redução no custo dos equipamentos, e uma redução no consumo, permitindo

uma utilização energética eficiente [6].

A ortogonalidade da técnica OFDMA permite uma utilização mais eficiente do espectro, pois não

requer a utilização de uma banda de guarda, que em técnicas anteriores tinha como função evitar a

12

interferência entre sub-canais. Assim, a remoção desta banda de guarda permite o envio simultâneo

de uma maior quantidade de símbolos, resultando numa maior quantidade de dados.

Para a separação do tráfego de DL e UL, o LTE suporta tanto o Time Division Duplex (TDD) como o

Frequency Division Duplex (FDD). Para o TDD, as ligações de DL e de UL utilizam a mesma

frequência mas a transmissão é feita em diferentes intervalos de tempo. Inversamente, para o FDD

as transmissões são feitas simultaneamente utilizando diferentes frequências para o DL e UL, como

se pode observar na figura 2.2. A maioria dos sistemas desenvolvidos utilizam FDD por ser a

preferência do mercado [6].

Figura 2.2 - Representação da utilização da frequência e do tempo para o TDD e para o FDD [6].

O 3GPP especifica que o LTE pode ser desenvolvido na banda de frequências IMT-2000, que inclui

desde os 450 MHz até aos 2.6 GHz. No entanto, apesar do 3GPP definir uma vasta gama de

frequências, nem todas estão disponíveis, variando de acordo com o país. Em Portugal a entidade

gestora do espectro, é a Autoridade Nacional de Comunicações (ANACOM), que realizou um leilão

público para atribuição das diversas faixas aos diferentes operadores. Sobre a largura de banda, é

definido pelas normas internacionais que esta é escalável, com valores de 1.4, 3, 5, 10, 15 e 20 MHz.

Modulação 2.4

A transmissão de sinais é feita através de sinais modulados, na medida em que um sinal na banda de

base não se difunde. A modulação consiste no envio do sinal em banda de base através de uma

portadora, sendo o sinal em banda de base modulado pelo emissor e desmodulado pelo recetor.

Na tecnologia LTE são utilizadas três tipos de modulações QAM (Quadrature Amplitude Modulations)

de acordo com a qualidade do sinal, sendo transmitidas portadoras utilizando uma amplitude e uma

fase específica durante períodos finitos de tempo. Assim o LTE suporta QPSK (Quadrature Phase

Shift Keying), 16-QAM e 64-QAM. Na figura 2.3 é qualificada a análise entre eficiência espectral e a

qualidade rádio. Verifica-se que para uma qualidade rádio inferior, a QPSK é a modulação

aconselhada, pois é mais robusta. Com o aumento da qualidade do sinal rádio, a 64-QAM torna-se

muito mais eficiente que as restantes modulações, sendo, no entanto, menos robusta [6].

TDD

FDD

13

Figura 2.3 – Relação entre eficiência espetral e qualidade rádio para as diversas modulações [6].

O 3GPP definiu uma escala denominada Channel Quality Indication (CQI), com uma gama crescente

de valores entre 1 e 15. A escala é crescente de acordo com as condições do canal, em que os

valores mais baixos de CQI correspondem às piores condições e os mais elevados às melhores

condições. Na tabela 1 está representada a escala CQI para uma situação de 4 bits. Verifica-se que,

para situações em que a potência do sinal é menor, é utilizada a modulação QPSK, pois esta é mais

eficiente para situações deste género. Da mesma forma, para sinais com boa qualidade, ou seja, com

CQI maior, a modulação definida é a 64-QAM, que apresenta uma eficiência superior, confirmando a

análise efetuada à figura 2.3 [6].

Escala CQI

Modulação Taxa de codificação

× 1024

Bits por símbolo

Eficiência: Taxa de codificação

× Bits por símbolo

0 Fora de alcance

1 QPSK 78 2 0.1523

2 QPSK 120 2 0.2344

3 QPSK 193 2 0.3770

4 QPSK 308 2 0.6016

5 QPSK 449 2 0.8770

6 QPSK 602 2 1.1758

7 16-QAM 378 4 1.4766

8 16-QAM 490 4 1.9141

9 16-QAM 616 4 2.4063

10 64-QAM 466 6 2.7305

11 64-QAM 567 6 3.3223

12 64-QAM 666 6 3.9023

13 64-QAM 772 6 4.5234

14 64-QAM 873 6 5.1152

15 64-QAM 948 6 5.5547

Tabela 2.1 – Modulação e eficiência na escala CQI para uma situação com 4 bits [6].

14

Tipo de transmissão 2.5

De forma a melhorar os resultados obtidos na transmissão, o LTE utiliza a técnica de múltiplas

antenas, estando assente no princípio do multi-percurso que um sinal pode sofrer entre um emissor e

um recetor. Este método obriga à utilização de diversas antenas na transmissão e/ou na receção,

para assim melhorar a qualidade do sinal, a capacidade e a cobertura do sistema.

Uma primeira técnica com múltiplas antenas é a Multiple Input Single Output (MISO), que utiliza dois

ou mais emissores e um recetor apenas. Esta técnica explora a diversidade na transmissão, através

do envio da mesma informação através de dois emissores. Assim há uma melhoria em diversos

aspetos, como a robustez do sinal em relação ao desvanecimento, a performance em condições com

baixo Signal-to-Noise Ratio (SNR) e a melhoria da cobertura nos limites da célula [6].

A Single Input Multiple Output (SIMO), que explora a diversidade na receção, utiliza apenas um

emissor e dois ou mais recetores. Apesar de não provocar um aumento do débito do UL devido a

apenas ser enviada uma transmissão, permite que a cobertura nos limites da célula seja melhorada.

Aplicando este princípio tanto no emissor como no recetor, obtém-se o Multiple Input Multiple Output

(MIMO), que tem como base a utilização de dois ou mais emissores e de dois ou mais recetores.

Nesta técnica, e contrariamente ao MISO, são enviadas diversas transmissões, sendo que para N

transmissões são necessárias pelo menos N antenas. Para o correto funcionamento, é necessário

que a transmissão de cada antena seja unicamente identificável por cada recetor, que conhecendo

em tempo real as características de cada sinal, consegue fazer a separação de ambos.

Na figura 2.4 tem-se o exemplo da utilização de MIMO com duas antenas no eNB e de duas no UE.

São enviadas duas transmissões em paralelo e na mesma frequência, representadas a azul e a

vermelho, em que cada antena na receção recebe parte de cada transmissão. O UE devido a possuir

as características de cada sinal consegue assim distinguir e recuperar cada uma das transmissões.

Caso a diferença entre percursos não seja suficientemente elevada para verificar-se uma situação de

multi-percurso, ou se a degradação de um dos sinais for muito alta, opta-se pelo sinal com o melhor

valor de SNR [6].

Figura 2.4 – Utilização de MIMO para uma situação com duas antenas na emissão e duas na receção [6].

15

Qualidade de serviço e qualidade de experiência 2.6

O estabelecimento de bearers permite fazer a ligação entre dois pontos específicos da rede como

está representado na figura 2.5, onde é estabelecida uma bearer entre o UE e o PGW. Desta forma,

de acordo com o tipo de tráfego a que se destina, a rede tem de garantir um determinado nível de

serviço para as ligações lógicas. Através de um conjunto de parâmetros de QoS a rede consegue

garantir esse nível de serviço.

Os parâmetros de QoS associados a uma ligação permitem analisar o nível de serviço oferecido

através de uma gama de indicadores. Esta análise também é variável de acordo com o tipo de tráfego

da ligação, em que estão definidas classes para os vários tipos de tráfego. Estas ligações caso

tenham recursos permanentemente alojados, são designadas como Guaranteed Bit Rate (GBR), caso

contrário, definem-se como non-GBR. Além de servir como caracterizador da bearer, o parâmetro

GBR define também o valor de débito garantido para esta ligação.

Na tabela 2 está representada a QoS Class Identifier (QCI), que corresponde a uma escala que

contém valores já pré-definidos para os parâmetros que controlam o encaminhamento de pacotes

numa bearer. A QCI tem como atributos QoS os seguintes parâmetros [7]:

O tipo de recurso, podendo ser GBR ou non-GBR;

A prioridade através do Allocation and Retention Priority (ARP), que indica a prioridade de

uma bearer quando comparada com uma outra bearer. Permite também decidir se o pedido

para o estabelecimento de uma determinada ligação lógica é aceite ou rejeitado caso haja

limitação de recursos de rede;

O Packet Delay Budget, que corresponde ao valor de atraso que um pacote pode ter, de

forma a manter os requisitos para uma determinada classe;

O Packet Error Loss Rate, que corresponde à taxa de pacotes perdidos que uma classe pode

atingir continuando a garantir o nível desse serviço.

Na última coluna é apresentado um conjunto de serviços assegurados por cada classe do CQI. A

classe 1 correspondente à conversação por voz, enquanto que para a classe 7 é assegurada a

transmissão em direto.

Figura 2.5 – Estabelecimento de uma bearer entre o UE e o PGW [6].

16

Tabela 2.2 – Escala CQI identificando para cada valor qual o tipo recurso, a prioridade, o Packet Delay Budget, o

Packet Error Loss Rate e um exemplo de serviço [7].

Nos últimos anos um conceito que ganhou cada vez mais importância para os operadores foi o da

qualidade de experiência. Contrariamente à QoS, que se relaciona com a qualidade na ótica da rede

e com base em valores técnicos, a QoE está relacionada com a forma como o utilizador qualifica a

sua satisfação em relação à rede. Esta avaliação pode ser feita por exemplo, em relação à forma de

utilização, velocidade, tempo de resposta, e tem também como classificações possíveis excelente,

bom, razoável, fraco, etc.

Normalmente uma rede com valores de QoS dentro do esperado, também possui bons valores de

QoE, mas por vezes tal pode não acontecer, pois as reais necessidades do utilizador podem não ser

cumpridas com os parâmetros técnicos definidos na rede.

Small-cells 2.7

O crescimento do número de equipamentos como smartphones e tablets tem provocado um aumento

exponencial no tráfego das redes móveis, como foi demonstrado na introdução deste trabalho.

Atualmente a QoE tornou-se mais exigente, pois os utilizadores pretendem manter as velocidades e a

acessibilidade nos diversos dispositivos, independentemente se estão numa ligação móvel ou fixa.

Assim começou-se a estudar formas de aumentar a capacidade oferecida pelas redes, em que as

small-cells têm vindo a ganhar cada vez mais importância. A densificação das redes com small-cells

tem-se revelado uma boa solução para acompanhar o aumento do tráfego. Como foi referido

anteriormente, estas são essencialmente estações de base com um menor alcance, permitindo assim

melhorar cobertura e a capacidade numa determinada zona da rede móvel. A sua potência de

emissão tem valores que variam entre os 250 mW e os 5 W para uma metro-célula, enquanto uma

estação de base comum emite um valor máximo de 60 W [9].Uma denominação utilizada pelo 3GPP

para as small-cells é Heterogeneous eNB (HeNB) devido à heterogeneidade que conferem à rede.

17

A utilização de small-cells pode ser tanto em zonas fechadas (utilização empresarial e doméstica),

como em zonas exteriores, com diferentes designações como está representado na figura 1.3 do

capítulo anterior. A nível urbano, a sua implementação possibilita principalmente a libertação de

tráfego da macro-célula, aumentando desta forma a capacidade da rede. Num outro cenário, a

cobertura da macro-célula no exterior pode até ser de qualidade, mas no interior dos edifícios a QoE

pode não ser a suficiente, colocando-se assim a necessidade de melhorar a qualidade para as áreas

interiores.

Na utilização doméstica destes dispositivos, impõe-se que a instalação seja simples e que um

utilizador sem conhecimentos técnicos a consiga executar. Neste tipo de utilização, a ligação à rede

(designada de backhaul) é assegurada recorrendo a uma ligação do tipo Ethernet. Deste modo, a

célula tem de ser capaz de se autoconfigurar, adaptando-se ao ambiente que a rodeia e evitando

provocar interferência em alguma macro-célula já existente ou noutras small-cells. A redução da

interferência é a chave para uma maior cobertura e capacidade, tanto na small-cell como na rede

macro.

Modelos de propagação e planeamento de rede 2.8

Os modelos de propagação são importantes pois permitem obter uma previsão sobre as capacidades

da rede móvel ou de uma deterrminada ligação através do cálculo das perdas de propagação

(path loss). Desta forma possibilitam a avaliação da cobertura da célula, sendo utilizados para

situações de planeamento ou de melhoria da rede. A sua utilização permite assim otimizar a rede,

quer seja ao nível da redução da interferência, da melhoria da qualidade do sinal, ou do

posicionamento e configuração dos equipamentos. Os modelos de propagação podem ter diferentes

classificações, podendo ser designados como [10] [11]:

Empíricos, que caracterizam-se por equações simples, derivadas de medições intensivas de

campo, de ambientes reais. Têm uma grande versatilidade pois podem ser aplicados a uma

grande variedade de ambientes onde se efetuem testes, mas no entanto é necessário que

tenham características semelhantes aos ambientes onde foram efetuadas as medições.

Como exemplos deste tipo de modelos, tem-se o Okumura-Hata, o COST 231-Hata e o

Standard Propagation Model (SPM) representado na figura 2.6.

Determinísticos, que se baseiam em aproximações numéricas, exigem um grande nível de

detalhe dos parâmetros de entrada e uma grande complexidade computacional. O ray tracing

method é um exemplo deste tipo de modelo, que calcula diversos caminhos entre o emissor e

o recetor, como se pode observar na figura 2.6.

18

Semi-empíricos, que obtêm-se através da combinação dos modelos empíricos e

determinísticos, assumindo algumas condições ideais. O principal modelo é o COST 231

Walfisch-Ikegami.

Para este projeto, foi definido entre o cliente e a ALU que o modelo utilizado seria o SPM, que será

detalhado em capítulos seguintes. O modelo SPM tem como base os modelos Okumura-Hata e a sua

extensão, o modelo COST 231-Hata.

Como referido, o modelo Okumura-Hata é um modelo empírico, sendo a base de diversos modelos

de propagação utilizados atualmente. O valor médio do path loss, é obtido através da expressão [12],

69,55 21,16log 13,82log [44,90 6,55log ]log ( , )p EB EB UE UEL f h h d H h f (2.1)

Onde:

pL : valor médio do path loss [dB];

f : frequência [MHz];

EBh : altura da antena da estação de base [m];

d : distância [km];

UEh : altura da antena do equipamento do utilizador [m].

E em que para pequenas cidades,

[ ]( , ) [1,10log 0,70] [1,56log( ) 0,80]UE dB UE UEH h f f h f (2.2)

E para grandes cidades,

2

[ ] 2

8,29log (1,54 ) 1,10 200 ( , )

3,20log (11,75 ) 4,97 400

UE

UE dB UE

UE

h para f MHzH h f

h para f MHz

(2.3)

Figura 2.6 – Esquemas representativos dos modelos de propagação, SPM e Ray Tracing [13].

19

Este modelo possuí um conjunto de restrições para o qual é valido:

150 1500 f MHz

1 20 d km

30 200 EBh m

1 10 UEh m

Com a necessidade de utilização de frequências mais elevadas, foi necessário ajustar o modelo para

ir além da restrição apresentada anteriormente. Surge desta forma, a extensão ao modelo Okumura-

Hata, sendo designado de modelo COST 231-Hata. O cálculo de path loss é obtido através da

expressão [12] [13]:

46,30 33,90log 13,82log [44,90 6,55log ]log ( , )p EB EB UE UE mL f h h d H h f C

(4)

Onde mantêm-se os parâmetros definidos para a expressão (2.1), e adiciona-se uma nova

atenuação, em que:

0 , para pequenas cidades

3 , para áreas metropolitanasm

dBC

dB

As limitações deste modelo mantêm-se para a distância, altura da EB e altura do UE. A frequência,

neste caso passou para:

1500 2000 f MHz

Os estudos de planeamento, tendo por base o cálculo do path loss, exigem que haja uma previsão

realista e precisa dos fenómenos de propagação. A precisão destes estudos depende principalmente

da qualidade da base de dados geográfica e da precisão do modelo de propagação.

Em relação às bases de dados geográficas, estas dividem-se em três categorias. As bases de dados

do terreno (Digital Terrain Model, DTM), as bases de dados ambientais (Clutter) e esquemas de

construção. Tal como o nome indica, o DTM contém essencialmente os valores de altitude da região,

sendo caracterizado por uma latitude, longitude e precisão. O Clutter contém a distribuição geográfica

dos ambientes, caracterizando por exemplo, os ambientes naturais como florestas ou rios, e as áreas

urbanas como densas, muito densas. Os esquemas de construção são bases de dados que contêm

informação muito precisa de todos os edifícios, podendo conter atualmente vetores a três

dimensões [10].

20

Tilt elétrico e mecânico 2.9

O tilt corresponde à inclinação dada a uma antena, em relação ao seu eixo de referência. O seu valor

pode ser dado em graus ou em dB. Existem dois tipos de tilts, o elétrico e o mecânico, sendo

necessário distinguir a sua implementação e o seu impacto na cobertura de um emissor. Na figura 2.7

apresentam-se estes dois tipos de tilts, identificando-se os seus eixos e ângulos de medição.

Figura 2.7 – Esquema com os ângulos dos tilts elétrico e mecânico [14].

O tilt mecânico corresponde à alteração física do eixo da antena, inclinando-a na direção desejada, e

modificando as direções de propagação do sinal. O tilt elétrico, não implica alterações físicas na

antena, mas sim a alteração da fase do sinal, alterando-se desta forma o diagrama de radiação da

antena. Na figura 2.7 estão assinalados o ângulo mecânico, mech , e o ângulo elétrico, elec . Assim o

valor total de tilt é dado por,

tilt mech elec (2.5)

Os resultados obtidos com a utilização exclusiva de tilt mecânico, tilt elétrico ou pela conjugação de

ambos os métodos, estão sempre dependentes do ambiente em que as EB estão inseridas [15].

De uma forma geral, considera-se que a opção entre a aplicação de tilt elétrico ou mecânico no efeito

sobre a cobertura tem um impacto pouco significativo. Habitualmente o aspeto mais relevante é o

valor global de tilt, dado pela expressão (2.5) [14].

Em relação aos valores máximos de tilt que podem ser implementados numa antena, estes estão

dependentes de limitações técnicas e ambientais. Ao nível técnico, estas limitações variam de acordo

com o fabricante e com o modelo em causa. No caso do tilt mecânico, o valor máximo é imposto tanto

pelo extensor colocado no suporte da base da antena, como pelo pelo ângulo do primeiro mínimo do

diagrama de radiação da antena, que não pode ultrapassar a linha do horizonte. Para o tilt elétrico, o

limite é imposto pelo valor máximo permitido pelo desfazador existente na antena. As limitações

técnicas podem ser agravadas pelas condições ambientais da zona onde está inserida a EB.

21

Por vezes, na presença de ambientes com uma orografia específica e especialmente acidentada, o

impacto resultante da aplicação destes diferentes métodos, conduz a diferentes resultados. Nestas

situações, a introdução de tilt mecânico permite manter uma maior largura de cobertura, mas provoca

um aumento do impacto dos lóbulos traseiros. Deste modo, a utilização de tilt elétrico permite

concentrar a energia do sinal na zona central e reduzir os lóbulos traseiros.

O impacto da aplicação de tilt elétrico ou mecânico, na capacidade de uma EB, também é um aspeto

relevante e que deve ser objeto de análise no processo de RNP. A utilização exclusiva de tilt elétrico,

permite a obtenção de um nível de throughput mais elevado nos limites da célula. A possibilidade de

introdução de equipamentos com ajuste remoto de tilt elétrico, permitindo a realização de

modificações posteriores à integração, constituí uma vantagem em relação ao tilt mecânico. Por outro

lado, a introdução na mesma EB, de valores equivalentes de tilt mecânico e elétrico, permite uma

melhoria ao nível de peak rate, mas com uma redução dos níveis nos limites das células [14].

Plano de vizinhanças 2.10

A lista de relações de vizinhança de cada célula é um importante auxiliar na gestão de uma rede

móvel. Através desta lista, uma célula fica a conhecer rapidamente quais são as células existentes na

sua vizinhança, facilitando os processos de mobilidade como o handover.

No LTE esta informação é ainda mais importante, pois devido à arquitetura desta rede, os handovers

ocorrem principalmente entre eNB, sem interferência direta de um controlador ou dispositivo central.

Nesta tecnologia, este processo é facilitado com a existência da função Automatic Neighbour

Relationship (ANR), que permite uma atualização automática da lista de vizinhas de cada célula. Esta

função está presente em cada eNB, fazendo uma gestão ativa da lista de vizinhas desse mesmo

eNB.

O ANR tem como principais fontes de informação, os UE que o eNB está a servir, e os eNB vizinhos.

Quando solicitados pelos eNB, os UE podem efetuar medições ao nível rádio na sua vizinhança e

reportar essa mesma informação ao eNB. Além disso, os eNB vizinhos também enviam informação

relativa à sua própria vizinhança através do protocolo X2.

As principais funções do ANR passam pela criação e adição de relações de vizinhança, através da

análise da informação dos UE e/ou dos eNB vizinhos, e pela gestão destas relações, removendo as

que sejam consideradas obsoletas. Além disso, o ANR é responsável também pela sincronização

com o servidor do operador, fazendo com que este tenha sempre conhecimento sobre quaisquer

alterações na lista de vizinhas.

A ativação e utilização desta função não impossibilita também que a qualquer momento, o operador

possa fazer a gestão das relações de vizinhança de uma célula, adicionando ou removendo

elementos da lista. Desta forma, por cada célula existe uma tabela, gerida pelo ANR, que contém as

22

células que de acordo com determinados parâmetros, são consideradas vizinhas. O estabelecimento

de uma relação de vizinhança, permite a uma célula armazenar vários parâmetros e identificadores

sobre as suas células vizinhas, destacando-se [6]:

A ativação/desativação de features;

O tipo de célula e o respetivo eNB Identifier;

Tracking Area Code (TAC), que é um parâmetro de rede, indicativo da localização do eNB.

Public Land Mobile Network Identifier (PLMN ID), que é um identificador da rede em que está

inserido o eNB.

Physical Cell Identifier (PCI), é o principal identificador de uma célula e a sua distribuição pela

rede deve cumprir determinadas regras.

A obtenção de um PCI, é feita através da expressão,

3PCI PSS SSS (2.6)

Em que:

PSS é o Primary Synchronization Signal, com valores possíveis de 0, 1 e 2;

SSS, é o Secondary Synchronization Signal, com valores entre 0 e 167.

Desta forma, existem no máximo 504 valores possíveis para o PCI.

23

Capítulo 3

LTE radio network planning

3 LTE radio network planning

Neste capítulo são descritas as ferramentas de planeamento utilizadas pela Alcatel-Lucent.

Descrevem-se as suas principais características e os inputs necessários para a sua utilização.

Apresentam-se também os diversos critérios de validação de cobertura para o projeto em estudo.

25

Introdução 3.1

A introdução do LTE nas redes móveis de todo o planeta é a resposta natural dos operadores às

necessidades dos utilizadores. A introdução desta tecnologia pode ser feita de duas formas: através

da introdução num ambiente onde não existe nenhuma rede móvel, ou pode ser feita a atualização

numa rede de 2G/3G, utilizando-a como base para o LTE, sendo denominado de swap.

Este trabalho acompanha um projeto da Alcatel-Lucent, onde é proposta a realização de um swap de

dois operadores móveis. Estes estão localizados em três países da Escandinávia, nomeadamente

Noruega (operador A), Suécia e Dinamarca (operador B). O objetivo do projeto passa pela

atualização da rede atual em CDMA450 para uma rede LTE na banda dos 450 MHz (LTE 450) e,

adicionalmente, disponibilizar EB nas bandas dos 800 MHz (LTE 800) e 1800 MHz (LTE 1800).

Para a execução de um swap, numa rede e num ambiente com a dimensão do projeto em causa, é

necessário e importante a definição de etapas e objetivos a serem cumpridos ao longo da execução

projeto. Desta forma, são definidas de uma forma geral, três fases [16]:

1. Preparação – é a fase inicial do projeto, onde são definidos e validados principalmente todos

os procedimentos a executar e os valores a atingir pelos Key Performance Indicators (KPI).

Além disso, é feita uma análise de RNP, permitindo fazer uma primeira avaliação ao estado

global da rede.

2. Validação – onde são realizados os primeiros testes no terreno. Num primeiro momento são

analisados apenas quatro ou cinco eNB, sendo aplicados a estes, todos os procedimentos de

testes e de validação definidos na fase anterior. Posteriormente, o processo repete-se, mas

para um cluster teste (com cerca de vinte eNB), de forma a validar todos os procedimentos.

3. Execução – é a última fase do projeto e a de maior duração. Nesta fase é realizado

gradualmente o swap em toda a rede, sendo necessário que sejam cumpridos todos os

procedimentos estabelecidos no ponto 1 e validados no ponto 2. Após a integração dos eNB

é feita a otimização da rede de acordo com os resultados obtidos e com as exigências do

cliente.

O processo de RNP assume especial importância na fase de preparação, pois é através do mesmo

que se obtém uma visão geral do estado da rede. A análise mais relevante é feita recorrendo à

utilização de ferramentas específicas de planeamento, que através de um conjunto de entradas

(dados geográficos, equipamentos) permitem obter uma predição dos diversos indicadores de rede.

Estes resultados são apresentados, quer estatisticamente, quer graficamente, e tornam possível a

identificação de diversos problemas como zonas com falhas de cobertura ou com elevado ruído. Além

da componente de simulação e predição, o RNP engloba também o planeamento ao nível de lista de

células vizinhas e de PCI.

26

Nas fases de validação e execução, as tarefas de RNP englobam também a análise de falhas

detetadas pelas equipas de monitorização e consequente otimização da rede existente. Para a

resolução das falhas, as soluções habituais passam pelo ajuste dos eNB em análise ou pela

introdução de novos sites.

Descrição das ferramentas 3.2

Num processo de planeamento rádio, independentemente da tecnologia utilizada, o recurso a

ferramentas informáticas é cada vez mais indispensável. A utilização destes materiais permite um

planeamento mais rápido e eficiente, sendo que para as tecnologias mais recentes como o LTE, são

indispensáveis. Descrevem-se nesta secção, a ferramenta de Link Budget, e o principal software de

simulação utilizado pela ALU, o 9955 RNP.

Ferramenta de link budget 3.2.1

O link budget é um processo que tem como objetivo avaliar, no contexto de projeto, o valor

expectável de alcance de uma célula para garantir um determinado serviço nos limites da célula. O

link budget tem por base o cálculo do Maximum Allowable Path Loss (MAPL), entre o equipamento do

utilizador e o equipamento do eNB. Assim, através de métodos e modelos de propagação, é avaliado

o alcance de cada célula para os diversos serviços. O cálculo do link budget na Alcatel-Lucent é feito

recorrendo uma ferramenta interna, própria para o efeito. Para a obtenção de resultados com esta

ferramenta são necessários diversos dados de entrada, nomeadamente [17]:

A densidade de sites por área, que para o caso do swap, obtém-se através dos dados da

rede anterior. A adição de novos sites não é considerada no link budget;

Requisitos ao nível de taxa de transmissão de dados nos limites da célula;

As bandas de frequências utilizadas na rede LTE a ser implementada, e as larguras de

banda, que como referido anteriormente, são os 450 MHz/5 MHz, 800 MHz/10 MHz e

1800 MHz/20 MHz;

O nível de penetração de cobertura no interior de edifícios;

Equipamentos de rede utilizados, principalmente do emissor, mas também as características

de um recetor generalizado.

Os resultados desta ferramenta podem ser apresentados de diversas formas. Podem referir qual o

valor necessário de sinal para que um serviço esteja disponível nos limites da célula, podendo

também apresentar o alcance da célula, em quilómetros. Esta informação, permite igualmente avaliar

se o número de sites é suficiente para cumprir os objetivos propostos ao nível de cobertura para uma

determinada área em análise.

27

Alguns parâmetros do utilizador e da rede seguem recomendações da 3GPP, sendo noutros casos,

valores generalizados e utilizados pela ALU, neste tipo de simulações. Na tabela 3 são apresentadas

algumas destas grandezas.

Tabela 3.1 – Parâmetros definidos para o link budget [17] [18].

Equipamento do utilizador

Potência de saída [dBm] 23

Ganho da antena [dBi] 0

Perdas de utilizador [dB] 3

Parâmetros do eNB

Banda de frequências 3GPP band 31

LTE 450

3GPP band 20

LTE 800

3GPP band 03

LTE 1800

Fator de ruído [dB] 2 – 2.1 2.1 – 2.2 < 2.4

Margem de interferência [dB] 3 3 3

Perdas de penetração

(Urbano) [dB] 15 16 19

Perdas de penetração

(Interior suburbano) [dB] 12 13 16

Ganho da antena [dBi] 14 16 18

O link budget é calculado inicialmente, tal como em anteriores tecnologias, tendo em consideração

um cenário limitativo ao nível de UL. Os fatores que contribuem para este cenário podem ser os

procedimentos de estabelecimento de ligação ou as taxas de dados necessárias para um serviço do

utilizador. Para o cálculo do MAPL é necessário obter o valor de sensibilidade do eNB.

A sensibilidade de receção do eNB tem como base de cálculo, os estudos de SINR, sendo este valor

obtido a partir da expressão geral:

PSINR

I N

(3.1)

Em que:

SINR : é o Signal to Interference plus Noise Ratio;

P : é o valor recebido de potência do sinal;

I : é o valor de interferência dos restantes sinais;

N : é o valor de ruído térmico.

28

Que se traduz na expressão,

( )dB dBm dBmSINR P I N (3.2)

A partir da expressão (3.2), e adequando-a ao estudo de link budget, obtém-se a sensibilidade

através da expressão,

_ 10 ( )10 og ( )dBm PUSCH dB eNB th RB UL RBSensibilidade SINR L F N N W (3.3)

Em que:

_PUSCH dBSINR : valor de SINR no Physical Uplink Shared Channel (PUSCH), necessário

para um determinado serviço, em dB;

eNBF : fator de ruído;

thN : densidade de potência espectral de ruído térmico;

( )RB ULN : número de Resource Blocks (RB), necessários para uma determinada taxa de UL

de um dado serviço;

RBW : largura de banda de um RB, que para este caso é de 180 KHz.

Sendo conhecido o valor da sensibilidade do eNB, definem-se as restantes margens, ganhos e

perdas, de modo a efetuar-se o cálculo final do MAPL, obtido através da expressão,

( ) _dB dBm dBi dB dBi dB

dB dB dB

dB dB dB

UL MaxTX PUSCH Tx Tx Rx Tx

CorpoUE Penetração dBm IoT

Shadowing HO FSS

MAPL P Ganho Perdas Ganho Perdas

Perdas Margem Sensibilidade Margem

Margem Ganho Ganho

(3.4)

Em que:

_ dBmMaxTX PUSCHP : potência máxima transmitida pelo utilizador em PUSCH;

dBiTxGanho : ganho da antena do eNB;

dBTxPerdas : atenuação total no percurso de transmissão;

dBiRxGanho : ganho da antena do recetor;

dBRxPerdas : total de perdas no percurso de receção;

CorpoUEPerdas : atenuação devido ao corpo do utilizador para todos os serviços;

dBPenetraçãoMargem : perdas de penetração para o interior;

dBmSensibilidade : sensibilidade do eNB por serviço;

29

dBIoTMargem : margem de interferência;

dBShadowingMargem : desvanecimento lento;

dBHOGanho : ganho devido à seleção de best server;

dBFSSGanho : ganho devido à seleção da frequência.

Obtidos os valores de MAPL e sendo conhecida a potência do emissor, através do percurso inverso

calcula-se quais os níveis de RSRP para que o UE alcance um determinado serviço nos limites da

célula. Na tabela 4 apresentam-se os níveis para cada banda, que permitem atingir os diversos

serviços nos limites da célula, tendo sido obtidos através da ferramenta de link budget. Os valores

apresentados correspondem à taxa do serviço, em que por exemplo, PS 64, é um serviço de packet

switch a 64 kbps. Assim para a obtenção de um serviço a 512 kbps, utilizando a banda dos 450 MHz,

é necessário que se tenha um valor mínimo de Reference Signal Received Power (RSRP)

de -101.5 dBm.

Tabela 3.2 – Resultados obtidos no link budget, por serviço e banda.

Serviço no limite da célula LTE 450 [dBm] LTE 800 [dBm] LTE 1800 [dBm]

PS 64 -108.20 -110.70 -115.20

PS 128 -106.06 -108.60 -113.11

PS 256 -103.89 -106.39 -110.94

PS 384 -102.47 -104.97 -109.52

PS 512 -101.50 -104.00 -108.56

PS 768 -100.30 -102.80 -107.05

PS 1024 -99.33 -101.83 -106.38

Software 9955 RNP 3.2.2

O principal software de planeamento utilizado pela Alcatel-Lucent é uma ferramenta própria,

denominada de 9955 RNP. Este programa possuí um ambiente de trabalho que combina capacidade

com flexibilidade. Oferece de uma forma agradável para o utilizador, um conjunto integrado de

ferramentas que permite a criação e definição de um projeto de planeamento rádio numa única

aplicação. As capacidades de planeamento da ferramenta abrangem as diversas tecnologias rádio

com o 2G, 3G e o LTE [19].

O software 9955 RNP necessita de diversos parâmetros de entrada, onde se destacam os

parâmetros físicos da rede em estudo e os parâmetros específicos da tecnologia utilizada, que serão

detalhados em secções seguintes. As opções de simulação utilizadas com maior frequência passam

pelo cálculo de previsões de cobertura e ruído, geração de relações de vizinhança e verificação de

30

codificação, que para o LTE, são os PCI. Os resultados obtidos permitem normalmente uma análise

gráfica completa, a exportação para outras ferramentas (Google Earth, TEMS) ou a simples análise

numérica e estatística.

A experiência de utilização é agradável e intuitiva para o utilizador, sendo a principal janela de

trabalho a representação sobre o mapa, como se pode verificar no ponto 1 da figura 3.1. O acesso

aos sites, estações de base, células e configurações da rede, faz-se pelo bloco à esquerda

identificado com o número 2. Nesse mesmo espaço também é possível gerar e selecionar predições

dos diversos indicadores, como por exemplo de cobertura ou ruído. Os diversos dados geográficos e

a definição de zonas cálculo faz-se através do bloco número 3. Este workspace é totalmente

configurável, podendo ser estruturado de acordo com a preferência do utilizador. A análise ao perfil

de terreno e aos valores obtidos num determinado ponto do terreno, são apresentados na parte

inferior da janela, identificada na figura com o número 4.

Figura 3.1 – Área de trabalho da ferramenta 9955 RNP [20].

Inputs 3.3

Nesta secção descrevem-se os diversos inputs necessários para a obtenção de resultados com a

ferramenta 9955 RNP. As principais bases de trabalho são os dados geográficos, o posicionamento e

configuração física das estações de base e o tipo de equipamentos utilizados na rede.

1 2

3

4

31

Dados geográficos 3.3.1

Num projeto de planeamento, as bases de dados geográficas são essenciais, principalmente as

bases de dados do terreno e as bases de dados ambientais. Neste relatório foram objeto de análise

duas áreas diferentes, a zona 1 e zona 2, exemplificando-se assim os distintos tipos de ambiente que

foram encontrados na execução deste projeto.

A zona 1 corresponde a um ambiente maioritariamente urbano, próximo do oceano e com um relevo

moderadamente acidentado nas áreas exteriores. Por outro lado, na zona 2, pretende-se analisar um

ambiente maioritariamente rural e com um relevo extremamente acidentado. A zona 1 corresponde a

uma área de 137 km2, enquanto que a zona 2 tem uma área de 3382 km

2. De seguida, apresentam-

se os dados geográficos necessários, bem como a caracterização dos mesmos para as zonas em

estudo.

3.3.1.1 Digital terrain model

As bases de dados do terreno, DTM, contêm essencialmente a altura em relação ao nível do mar,

para todas as posições da área geográfica em análise. Para este trabalho utilizou-se bases de dados

com uma resolução de 25 m. A sua visualização na ferramenta de planeamento é apresentada nas

figuras 3.2 e 3.3. Observa-se, assim, que a zona 1 possuí um relevo pouco acentuado, existindo

apenas algumas zonas montanhosas a Norte. Na zona 2, verifica-se a existência de um relevo

extremamente acentuado, habitual para um ambiente rural.

Figura 3.2 – Representação dos DTM para a zona 1 [20].

32

Figura 3.3 - Representação dos DTM para a zona 2 [20].

3.3.1.2 Clutter classes

A distribuição geográfica dos diversos ambientes é dada pelos clutter classes. Nas figuras 3.4 e 3.5

estão representadas as duas zonas que são objeto de análise, estando caracterizados 15 tipos de

diferentes ambientes. A cada um destes ambientes é associado um valor de propagação e de

atenuação. Com a introdução desta informação, as simulações efetuadas atingem valores mais

próximos dos valores existentes no terreno. Adicionalmente, permite identificar zonas e pontos de

interesse, como por exemplo áreas urbanas ou industriais. Na tabela 5 apresenta-se a percentagem

de cada ambiente para as zonas em análise. Verifica-se que para a zona 1, o ambiente predominante

é o urbano, e para a zona 2 são a floresta e a agricultura.

Figura 3.4 – Representação dos clutter classes da zona 1 [20].

33

Figura 3.5 - Representação dos clutter classes da zona 2 [20].

Tabela 3.3 – Distribuição dos clutter classes pelas zonas 1 e 2.

Clutter classes Zona 1 Zona 2

Área (km2) Percentagem Área (km

2) Percentagem

Espaço aberto 32.0 23.4 1063.00 31.4

Oceano 13.70 10 0 0

Rio 0.24 0.2 6.27 0.2

Lago 2.02 1.5 371.47 11

Agricultura 2.53 1.9 559.59 16.5

Pântano 0.14 0.1 211.34 6.3

Floresta 30.61 22.3 1121.94 33.2

Edifícios Urbanos 7.26 5.3 0.51 0

Construção 4.96 3.6 1.82 0.1

Edifícios densos 38.96 28.4 39.33 1.2

Indústria 2.83 2.1 3.06 0.1

Pedreira 0 0 1.42 0

Aeroporto 0 0 0.07 0

Pedreira 0.94 0.7 0.56 0

Zona desportiva 0.67 0.5 0 0

34

3.3.1.3 Vetores

A nível geográfico, além dos dados apresentados, foram também adicionados à ferramenta diversos

vetores. Neste caso são dados inseridos pelo utilizador de forma opcional, que não têm nenhuma

influência nas previsões calculadas pela ferramenta. Como se pode observar pela figura 3.6, os

vetores permitem adicionar elementos como estradas, fronteiras, limites dos clusters, rios, zonas

habitacionais, etc.

Figura 3.6 – Representação de vetores de estradas e lagos [20].

Antenas 3.3.2

Nas zonas em análise são utilizados 10 diferentes modelos de antenas. No geral apresentam ganhos

variáveis entre 12 dBi e 18.3 dBi, com aberturas horizontais entre 62° e 68°, e verticais entre 5° e

21.9°. As frequências, como seria de esperar, estão dentro da gama de bandas utilizadas no projeto,

ou seja, 450 MHz, 800 MHz e 1800 MHz. No anexo A.2 detalham-se as configurações das diversas

antenas utilizadas na rede em estudo.

A utilização de uma gama tão vasta de antenas deve-se a vários motivos, técnicos e ambientais, mas

principalmente à utilização da rede da geração anterior já existente, que permite a partilha das

antenas, originando assim esta diversidade.

A utilização de três bandas diferentes, associada à grande dimensão do projeto, e ao facto de

existirem diversos ambientes diferentes, com situações características, exigem também a utilização

de equipamentos específicos. Por exemplo, para a banda dos 1800 MHz, utilizada essencialmente

35

para fazer o offload de tráfego, verifica-se que as antenas destas estações de base possuem uma

maior diretividade. Na tabela 6 representa-se os diagramas de radiação de dois modelos de antenas,

sendo o primeiro (A) na banda dos 450 MHz e o segundo(H) na banda dos 1800 MHz. Observa-se

que o modelo H caracteriza-se principalmente por uma menor abertura vertical, o que provoca uma

diminuição no alcance da célula, mas que não é uma prioridade na utilização desta banda. Destaca-

se também que há uma diminuição do ganho das antenas, quando há uma diminuição da banda em

utilização. Tem-se assim ganhos mais pequenos para a banda dos 450 MHz, e valores mais elevados

para a banda dos 1800 MHz. Estas diferenças ocorrem devido a limitações no design das antenas. A

diminuição da banda da antena implica um aumento do comprimento de onda, tendo como

consequência um aumento da superfície da antena. Desta forma, para manter os equipamentos com

dimensões aceitáveis, o ganho para a banda dos 450 MHz é inferior às restantes bandas.

Tabela 3.4 – Diagramas de radiação horizontal e vertical, para as antenas A e H [20].

Modelo Horizontal Vertical

A

H

Modelos de propagação 3.3.3

De modo a que as predições efetuadas pelo 9955 RNP estejam muito próximas da realidade, é

necessário que os modelos de propagação utilizados estejam perfeitamente adaptados ao ambiente

em estudo. Além de modelos aperfeiçoados ao longo do tempo pela ALU, são utilizadas também

medições efetuadas no terreno, que permitem ajustar o modelo à realidade.

36

Para este trabalho estabeleceu-se que deveria ser utilizado o modelo SPM, obtido através da

expressão,

SPM 1 2 3 4 5

6 7

log( ) log( ) log( ) log( )

( ) log( ) ( )

EB EB

UE UE clutter

L K K d K h K Difloss K d h

K h K h K f clutter

(3.5)

Onde,

1K : constante de offset, em dB;

d : distância entre o emissor e o recetor, em metros;

2K : fator multiplicativo de log( )d ;

EBh : altura efetiva da antena do emissor, em metros;

3K : fator multiplicativo de log( )TxeffH ;

Difloss : perdas devido à difração num percurso com obstáculos, em dB;

4K : fator multiplicativo de Difloss ;

5K : fator multiplicativo de log( ) log( )Txeffd H ,

UEh : altura efetiva da antena do recetor, em metros;

6K : fator multiplicativo de RxeffH ;

7K : fator multiplicativo de log( )RxeffH ;

( )f clutter : valor médio de perdas por clutter;

clutterK : fator multiplicativo de ( )f clutter .

Todos estes parâmetros são configuráveis, e dessa forma, adaptou-se este modelo para os diversos

ambientes presentes neste projeto e para as várias bandas utilizadas. Em relação aos tipos de

ambientes encontrados, definiu-se duas possibilidades, o suburbano/rural (SU/R) e o denso

urbano/urbano (DU/U). A utilização do modelo DU/U ocorreu apenas nas grandes cidades, sendo por

isso a sua utilização muito inferior quando comparada com o SU/R. Em relação às áreas estudadas,

na zona 1 o modelo DU/U é utilizado em todos os sites, enquanto que na zona 2, apenas foi aplicado

em 5 dos 13 sites.

No anexo A.1 apresentam-se as configurações utilizadas para cada um dos modelos, nas diversas

bandas possíveis. Verifica-se que na mudança do ambiente DU/U para o SU/R, há um aumento da

constante K1 e diminuição de K2. Estas alterações provocam no ambiente SU/R, um aumento do

offset e uma diminuição das perdas com o aumento da distância, quando comparado com o DU/U.

Este comportamento justifica-se pelo facto de no ambiente rural haver uma menor atenuação dos

sinais transmitidos, sendo possível uma propagação até maiores distâncias.

37

Em relação às alterações entre as diversas bandas, verifica-se que com o aumento das frequências,

há uma diminuição da constante K1 e um aumento de K2. Estas alterações refletem o facto de que as

frequências mais elevadas possuem um alcance de propagação inferior.

Para uma melhor adaptação dos modelos à realidade, ajustaram-se as perdas por clutter classe à

banda utilizados. No anexo A.2 apresentam-se os valores de perdas por classe de clutter para todos

os modelos de propagação utilizados. Assim, para o mesmo ambiente, o aumento das frequências

implicou um aumento das perdas nas diversas classes. Entre os ambientes DU/U e SU/R, as

modificações passaram essencialmente pela redução das perdas na classe de espaço livre, devido à

maior propagação no ambiente SU/R. Note-se que os valores apresentados no anexo, referem-se ao

ajuste em relação ao valor padrão do modelo de propagação para as diversas clutter classes.

Posicionamento e configurações de rede 3.3.4

Como referido anteriormente, o projeto em análise é de grande dimensão. Para o país alvo de estudo,

tem-se no total 552 sites e 1908 EB nas diversas bandas utilizadas. Na tabela 3.5 apresenta-se o

número de equipamentos para as áreas analisadas detalhadamente neste projeto. Como era

expectável, as EB na banda dos 450 MHz são dominantes, sendo aproximadamente 70% de toda a

rede. No sentido oposto, a utilização da banda dos 1800 MHz é, nesta fase, residual, pois é utilizada

apenas nas grandes cidades e para realizar o offload de tráfego.

Tabela 3.5 – Distribuição de sites e estações de base por banda.

Sites

Estações de base (por banda)

LTE 450 LTE 800 LTE 1800

Zona 1 29 40 76 14

Zona 2 13 26 18 0

Total do país A 552 1342 546 20

Verifica-se que a densidade de sites é claramente superior na zona 1, onde existem diversos sites

que possuem duas e até três EB de bandas diferentes. Assim a zona 1 é composta por 29 sites, que

suportam um total de 130 EB, dispersas por uma área com 137 km2. A zona 2, que cobre uma área

de 3382 km2, possuí apenas 13 sites, que possuem no total 44 EB.

A introdução de sites no projeto ocorre de forma simples, podendo ser feita a importação desde

tabelas em formato Excel. Para os sites é apenas obrigatória a introdução do nome, latitude,

longitude, podendo ser adicionados outros parâmetros, que caso não sejam definidos, assumem

valores padrão.

Apenas após a adição dos sites, é possível introduzir as estações de base. Nesta tabela da

ferramenta, são inseridas todas as EB de cada site. É necessário definir diversos parâmetros como

38

por exemplo, a antena utilizada, altura dos mastros, azimutes, tilt mecânico, modelo de propagação a

utilizar, etc.

Na secção células são definidos os restantes parâmetros das EB, como por exemplo a banda de

frequências utilizada, PCI, potência máxima, utilização de diversidade ou a carga máxima de tráfego.

Existem diversos parâmetros que se configuraram da mesma forma para todas as células,

independentemente da sua localização ou banda. Na tabela 8 apresentam-se alguns valores que são

globais a todo o projeto.

Os dados de terreno inserido na ferramenta permitem a utilização de uma definição de 50 m para

efeitos de simulação. Dado o alcance teórico expectável das EBs, definiu-se como raio de cálculo o

valor de 100 km, de forma a compreender o seu alcance e possíveis interações com células vizinhas.

As células possuem uma potência máxima de 45.8 dBm, assumindo-se para efeitos de simulação

uma carga máxima de tráfego para UL e DL de 50%. Além disso, e como será detalhado no

capítulo 4, cada célula possui um limite de 32 células vizinhas. Em relação ao tipo de diversidade,

assume-se que para o DL, a célula possui SU-MIMO (Single User MIMO) e que no UL o recetor

possui diversidade.

Tabela 3.6 – Parâmetros configurados no 9955 RNP, gerais aos vários equipamentos.

Parâmetro Valor

Resolução [m] 50

Raio de cálculo [km] 100

Potência máxima da célula [dBm] 45.8

Carga máxima de tráfego (UL/DL) [%] 50

Número máximo de células vizinhas,

por célula 32

Diversidade no DL SU-MIMO

Diversidade no UL Diversidade no recetor

Tipo de equipamento de receção LTE FDD eNode-B

39

Critérios de validação da cobertura rádio 3.4

Para a validação da cobertura rádio do projeto, é necessário definir um conjunto de indicadores a

avaliar e quais os níveis a serem atingidos. Assim tem-se como objeto de análise, os seguintes

indicadores:

RSRP - Reference Signal Received Power:

o É o principal parâmetro na análise de cobertura, correspondendo ao nível de potência

recebida do sinal de referência. Os níveis foram definidos através do link budget, sendo

diferenciados para a banda de frequências em utilização. Esta escala garante os valores

mínimos para atingir os diversos serviços (PS 64 ao PS 1024) nos limites da célula.

o No processo de RNP estes valores assumem especial importância, sendo eles os

principais thresholds e indicadores da qualidade da rede. Dado que diferentes bandas de

frequências, possuem diferentes atenuações e diferentes suscetibilidades às

interferências, são determinados valores específicos para as diversas bandas utilizadas.

RSRQ - Reference Signal Received Quality:

o O RSRQ é um parâmetro que está também diretamente associado à cobertura, sendo

calculado a partir da divisão do RSRP pela totalidade da potência recebida.

o Para a validação deste indicador, foi definido que o RSRQ no DL terá de possuir um valor

igual ou superior a -15.5 dB, para uma carga na célula de 50%.

RS SINR – Reference Signal, Signal to Interference plus Noise Ratio:

o Este indicador permite analisar a qualidade do sinal, sendo obtido através da

expressão (3.1).

o Como nível de validação foi definido que o valor de RS SINR terá de ser superior ou igual

a -2 dB, para uma carga na célula de 50%.

Overlap 4 dB:

o A predição de Overlap 4dB, avalia a receção de um UE na área em análise. É verificado

se em relação à melhor célula (best server), são recebidos outros sinais, com uma

diferença máxima de 4 dB.

o Como requisitos para este indicador, foi definido que a percentagem de área com quatro

ou mais servidores tem de ser inferior a 2%, e a área com dois servidores tem de ser

inferior a 35%.

40

Overlap 10 dB:

o É um indicador semelhante ao apresentado anteriormente, sendo que a diferença de

potência para o best server é de até 10 dB. Dada a maior diferença, o número de

servidores também é superior, sendo o limite definido para um mínimo de 7 servidores.

o O objetivo para este critério é que a percentagem de área com sete ou mais servidores

seja inferior a 2%.

As áreas onde estes critérios apresentados previamente não sejam cumpridos, devem ser

analisadas, avaliando a possibilidade de serem otimizados os tilts e/ou azimutes. Em situações menor

cobertura, a possibilidade de adição de novos sites deve ser ponderada.

41

Capítulo 4

Análise de resultados e

otimização rádio

4 Análise de resultados e otimização rádio

Neste capítulo apresentam-se os resultados obtidos com a ferramenta de simulação para as áreas

em estudo. Inicialmente descrevem-se as diversas técnicas de otimização rádio. É feita uma análise

ao estado da rede, procedendo à otimização, recorrendo às técnicas descritas. Apresentam-se os

procedimentos para a elaboração de um plano de PCI e de vizinhanças. Analisa-se a introdução de

sites, considerando a distribuição geográfica de utilizadores. O capítulo termina com a análise de um

caso prático, onde são comparadas as soluções de melhoria de cobertura: a otimização e a

introdução de novos sites.

43

Técnicas de otimização rádio 4.1

Num processo de RNP recorre-se a diversas técnicas para analisar e otimizar uma rede móvel. Nas

subsecções seguintes analisam-se as diversas técnicas e métodos que através da informação

fornecida pela ferramenta de planeamento permitem uma deteção de falhas e uma melhoria da

qualidade da rede.

Verificação de cobertura 4.1.1

Através do indicador RSRP é feita uma análise à estimativa de cobertura, permitindo identificar zonas

com possíveis falhas ou até sem cobertura. A predição para este indicador é obtida através do

software de simulação. Esta análise é feita por banda de frequências, e utiliza os níveis estabelecidos

nos critérios para validação da cobertura rádio. A análise é feita graficamente, através da

identificação das zonas com falta de cobertura. São sobrepostas as predições de RSRP, os DTM e

um vetor com zonas prioritárias para garantir a cobertura, que habitualmente são áreas habitacionais.

Ajuste de tilt elétrico e mecânico 4.1.2

A adição ou remoção de tilt elétrico e/ou mecânico é um dos principais métodos de otimização rádio,

permitindo corrigir e melhorar a cobertura do sinal de uma rede móvel. Através do ajuste destes

parâmetros, consegue-se direcionar a energia para as zonas de interesse, oferecendo melhores

níveis de sinal.

A utilização de tilt elétrico ou mecânico, com valores muito altos ou demasiado baixos, possui um

comportamento semelhante para ambos os métodos ao nível da cobertura. Na figura 4.1

representa-se, para a mesma célula, a predição de cobertura, para um nível de -80 dBm, mas

aplicando três diferentes valores de tilt elétrico. Introduziram-se valores de 0°, 5° e 10°, identificados

na figura 4.1. Esta simulação foi executada num ambiente plano, sem nenhum tipo de obstáculo e

utilizando uma EB com uma altitude de 30 m. Através da análise desta figura, observa-se que o

alcance de uma célula está totalmente depende do valor de tilt aplicado. Nestas condições, a

aplicação de um tilt de 10° permite um alcance de aproximadamente 2 km, enquanto que um tilt

de 0°, permite atingir cerca de 4.5 km, com o nível de -80 dBm. Comprova-se desta forma, que o

correto ajuste do tilt elétrico é um fator determinante para um correto planeamento móvel.

Figura 4.1 – Comparação da cobertura com a aplicação de diferentes valores de tilt [20].

Tilt eléctrico = 0°



44

Para a obtenção do valor recomendado de tilt a implementar, é necessária a utilização do método

apresentado no anexo D. No entanto, este método produz apenas uma estimativa dos valores que

podem ser utilizados como tilt. Esta análise deve ser efetuada, tendo sempre em conta quais os

pontos de interesse ao nível de cobertura (cidades, aldeias), e está dependente da altura da antena e

da orografia do terreno em que está a ser implementada a EB.

Devido a este diferente impacto, nas situações com uma orografia acidentada e com um declive

acentuado, a utilização de EB com uma configuração do tipo umbrella permite uma otimização da

cobertura. Este tipo de configuração tem por base a introdução de um valor negativo de tilt mecânico,

conjugado com um valor positivo de tilt elétrico.

Na tabela 4.1 apresenta-se uma comparação, entre a configuração habitual de tilt elétrico e tilt

mecânico, e a implementação de uma configuração do tipo umbrella. A imagem a) corresponde à

aplicação exclusiva de tilt mecânico, verificando-se uma dispersão da energia pelas zonas laterais, e

a existência de um lóbulo traseiro considerável. Na imagem b) apresenta-se a aplicação de apenas tilt

elétrico, observando-se uma maior concentração da energia na zona central, bem com a redução dos

lóbulos de sentido oposto à propagação. A configuração do tipo umbrella, que se representa na

imagem c), demonstra como esta solução permite uma enorme redução da radiação no sentido

oposto à propagação (lóbulo traseiro). Tem-se assim uma redução das interferências junto à EB e

uma definição mais exata de qual é a célula best server.

Tabela 4.1 – Resultados da aplicação de diferentes configurações de tilt [20].

a) Tilt elétrico = 0°

Tilt mecânico = 8°

b) Tilt elétrico = 8°

Tilt mecânico = 0°

c) Tilt elétrico = 14°

Tilt mecânico = -6°

45

Verificação de overshooting 4.1.3

O fenómeno do overshooting ocorre com muita frequência nas redes móveis e pode reduzir de forma

drástica a qualidade de uma rede, em especial a zona em que ocorre. O overshooting consiste na

existência de diversas zonas em que uma célula é dominante (best server), mas que está fora da sua

área normal de cobertura. É provocado principalmente por antenas localizadas em zonas mais altas e

com tilts mais baixos, mas também devido a reflexões no meio ambiente. Este fenómeno provoca

uma enorme degradação na qualidade do sinal, pois além do aumento da interferência nas células

vizinhas, provoca também o aumento dos handovers. Na imagem 4.2 apresentam-se diversos

exemplos de overshooting. As três situações identificadas possuem diferentes origens. A situação 1 é

causada pelo Site_035, a situação 2 tem origem no Site_356, e o overshooting da situação 3, ocorre

devido ao Site_345.

Figura 4.2 – Exemplificação de situações de overshooting [20].

Neste projeto a verificação da ocorrência deste fenómeno é feita através da predição de best server,

que possui o mesmo formato da figura 4.1. Esta predição permite analisar a cobertura por emissor,

onde estão representadas as manchas de cobertura, identificando qual é o emissor dominante nessa

área (best server). A análise permite detetar diversas situações que são prejudiciais para a qualidade

da rede como o overshooting, a existência de células vizinhas dominantes ou o excesso de downtilt.

46

Alteração da banda de frequências 4.1.4

A utilização neste projeto de três diferentes bandas de frequências permite que a alteração da banda

de frequências utilizada seja uma solução adequada para alguns problemas de cobertura e/ou

interferência.

No ambiente representado na figura 4.3, através da predição de best server é possível verificar que a

EB_007 é sempre dominante na área envolvente, dado que geograficamente está localizada numa

altura muito superior. Na sua vizinhança existe a EB_554, que localiza-se num vale e tem como

objetivo cobrir a zona habitacional aí existente. Verifica-se também que nesta área as células

funcionam apenas na banda dos 450 MHz. Assim, a alteração da EB_554 para a banda dos 800 MHz

é uma solução que pode ser feita sem causar impacto na cobertura da banda de 800 MHz, permitindo

a redução de interferências na banda dos 450 MHz.

Figura 4.3 – Exemplo de alteração da banda de frequências [20].

Caso a situação anterior ocorre-se numa zona coberta tanto pela banda dos 450 MHz como pela

banda dos 800 MHz, a solução poderia passar pela alteração da EB do Site_554 para os 1800 MHz.

Apesar de habitualmente esta banda ser utilizada para efetuar o offload de tráfego, a sua utilização

em zonas habitacionais, em que o alcance de cobertura pode ser inferior, é uma solução viável.

47

Análise de resultados 4.2

Para analisar as predições obtidas com recurso à ferramenta de planeamento, é necessário avaliar a

gama de valores de diversos parâmetros e executar alguns procedimentos. Os critérios a serem

cumpridos foram apresentados na secção 3.4. A sua análise será feita por fases, sendo inicialmente

analisado apenas o RSRP, de seguida o best server e por fim os restantes indicadores. Foram

aplicadas as técnicas de otimização apresentadas na secção 4.1, de forma a corrigir os problemas

que foram detetados. Foram sujeitas a análise, as zonas 1 e 2, apresentadas na secção 3.3.1.

Análise de cobertura 4.2.1

A predição do nível de RSRP da zona 1, para a banda de LTE 450, está representada na figura 4.4.

Para as zonas de interesse (com ligeiro sombreado), detetou-se três zonas com falhas de cobertura,

assinaladas com circunferências a amarelo. A cobertura da área é apresentada estatisticamente na

tabela 4.2. Verifica-se que estatisticamente os resultados são globalmente bons, existindo uma

cobertura do serviço PS 512 em 99.2% da área da zona 1, que corresponde a 135.16 km2.

Figura 4.4 – Predição de RSRP para a zona 1, no LTE 450 [20].

1

2

3

48

Tabela 4.2 – Resultados de RSRP para a zona 1, no LTE 450.

RSRP Outdoor – LTE 450 Superfície

(km²)

Percentagem de

área (%)

PS 1024 RSRP >= -99.33 dBm 134.29 98

PS 768 RSRP >=-100.3 dBm 135.15 98.7

PS 512 RSRP >=-101.5 dBm 135.89 99.2

PS 384 RSRP >=-102.47 dBm 136.24 99.5

PS 256 RSRP >=-103.89 dBm 136.49 99.6

PS 128 RSRP >=-106.06 dBm 136.78 99.9

PS 64 RSRP >=-108.2 dBm 136.90 99.9

As predições para a banda do LTE 800 estão representadas na figura 4.5 e as zonas com falhas

foram igualmente identificadas. Apresenta-se na tabela 4.3 as percentagens de cobertura de cada

serviço para a banda do LTE 800. Observa-se que a cobertura nesta banda é globalmente boa,

sendo atingido o serviço de PS 512 em 93.5% da área total.


4

5

6

49

Tabela 4.3 - Resultados de RSRP para a zona 1, no LTE 800.

RSRP Outdoor – LTE 800 Superfície (km²) Percentagem de

área (%)

PS 1024 RSRP >= -101,83 dBm 123.37 90.1

PS 768 RSRP >= -102,8 dBm 125.48 91.6

PS 512 RSRP >=-104,0 dBm 128.03 93.5

PS 384 RSRP >=-104,97 dBm 129.64 94.6

PS 256 RSRP >=-106,39 dBm 132.03 96.4

PS 128 RSRP >=-108,6 dBm 134.26 98.0

PS 64 RSRP >=-110,7 dBm 135.21 98.7

A predição de cobertura para o LTE 1800 está representada na figura 4.6. A identificação de zonas

com falha foi analisada apenas para o LTE 800, pois a banda do LTE 1800, é utilizada residualmente

e apenas em zonas com maior tráfego. A sua análise estatística também foi evitada, pois a maioria da

zona em estudo não possuí células nesta banda.


Sobrepondo e analisando as predições para o LTE 450 e LTE 800, verifica-se que apenas as zonas

número 1 e 5 são comuns a ambas as bandas, constituindo assim uma situação de falha de

50

cobertura, representada em detalhe na figura 4.7. Inicialmente verificou-se qual seria o site que

deveria dar cobertura à zona em falta, concluindo-se que o indicado era o Site_082, como se observa

na figura 4.7.

Figura 4.7 – Identificação de célula responsável pela cobertura da zona de falha [20].

Através da análise do perfil de terreno, apresentado na figura 4.8, e com o método descrito no

anexo D, obteve-se o valor recomendado de tilt a ser utilizado, devendo este ser entre 5° e 7°.

Figura 4.8 – Perfil de terreno entre a EB emissora e a zona de falha [20].

Dado que o valor de tilt mecânico implementado no terreno é de 11°, verifica-se que estamos na

presença de uma situação de excessivo downtilt. Com a introdução do valor calculado analiticamente

(tilt mecânico de 5°), é visível através da figura 4.9, que existe uma melhoria acentuada da cobertura

na zona em análise.

51

Figura 4.9 – Predição de cobertura para a zona de falha, após a otimização [20].

Foi solicitada pelo cliente, uma análise à capacidade de cobertura indoor para as bandas do LTE 450

e LTE 800, sendo apresentada no anexo B.3. Estas predições utilizam as mesmas escalas do RSRP

definidas para o exterior, mas têm em consideração as atenuações para o interior por clutter,

apresentadas no anexo A.1. Estes valores são definidos de acordo com o tipo de clutter e variam de

acordo com a frequência. Como seria previsível, observa-se uma redução na cobertura para todos os

serviços, demonstrando a importância que o tipo de ambiente tem para o cálculo de predições de

cobertura móvel.

Efetuou-se a mesma análise de cobertura com base nos níveis de RSRP para a zona 2. Aplicou-se o

mesmo procedimento e são apresentadas as simulações gráficas e os valores estatísticos no

anexo B.1.

Análise de best server 4.2.2

As predições de best server das bandas LTE 450 e LTE 800 para a zona 1, estão representadas nas

figuras 4.10 e 4.11, respetivamente. Detetou-se diversas situações de overshooting, sendo

assinaladas algumas nas respetivas figuras.

52

Figura 4.10 – Predição de best server para a zona 1, no LTE 450 [20].

Figura 4.11 - Predição de best server para a zona 1, no LTE 800 [20].

9

8 6 7

10

53

Após a análise das diversas zonas assinaladas, identificou-se as seguintes situações:

1. Overshooting devido à utilização de valores muito baixos de tilt nas células que deviam cobrir

esses espaços – áreas 2 e 4;

2. Overshooting causado pelo facto de as células utilizarem valores elevados de tilt e/ou

estarem localizadas em pontos altos do terreno – áreas 3 e 8;

3. Overshooting provocado por falta de cobertura, fazendo com que células mais distantes

sejam as dominantes – áreas 6, 7, 9 e 10;

4. Overshooting provocado tanto pela falta de cobertura, bem como pela existência de

características no meio favoráveis ao aparecimento deste fenómeno, como por exemplo, rio,

montanhas ou vales – áreas 1 e 5;

Apenas as zonas enquadradas nas situações 1 e 2 são consideradas prioritárias, sendo necessário

desta forma proceder à sua correção e otimização. Com a aplicação das diversas técnicas

apresentadas na secção 4.1, em especial as de ajustamento de titl e de verificação de overshooting

conseguiu-se corrigir os problemas detetados. Os únicos parâmetros que foram sujeitos a avaliação e

alteração foram os tilts. Quando possível, optou-se preferencialmente pela modificação do tilt elétrico,

pois implica custos inferiores para o cliente. As alterações aplicadas estão detalhadas na tabela do

anexo B4, com os ajustes aplicados a variar entre 1° e 6°. Na figura 4.12 apresenta-se a predição de

best server para o LTE 450, e observa-se que os problemas identificados com os números 2 e 4, na

figura 4.11, foram corrigidos.

Figura 4.12 – Predição de best server para a zona 1, no LTE 450, após otimização [20].

54

A predição de best server, para o LTE 800, após a introdução das alterações é apresentada na

figura 4.13, confirmando a correção do problema identificado anteriormente com o número 8.

Figura 4.13 – Predição de best server para a zona 1, no LTE 800, após otimização [20].

Em relação ao LTE 1800 na zona 1, como a densidade de EB nesta banda é baixa, a ocorrência de

situações de overshooting é igualmente baixa Apresenta-se no anexo B.5, a análise de best server

para a zona 1, no LTE 1800.

Este mesmo procedimento foi aplicado à zona 2, recorrendo-se da mesma forma às diversas técnicas

apresentadas na secção 4.1.

Análise dos restantes indicadores 4.2.3

Posteriormente à análise de cobertura e de best server, são verificados os resultados dos diversos

KPI apresentados na secção 3.4, confirmando se estes cumprem os níveis estabelecidos para

garantir a qualidade do sinal. De notar que estas simulações referem-se ao estado da rede sem a

introdução de modificações.

Apresenta-se na tabela 4.4 os resultados obtidos para este conjunto de KPI, necessários para a

validação da cobertura das zonas em análise. No anexo B apresentam-se também os valores

detalhados de cada KPI, bem como as representações gráficas dos mesmos, para a diversas bandas

e para as duas áreas em estudo.

55

Na zona 1 para o LTE 450, verifica-se que os níveis de RSRQ e SINR, para os critérios

estabelecidos, possuem valores de 98.1% e 96.4%. A zona em estudo possui um ambiente

diversificado, possuindo na sua constituição 10% de oceano e 22.4% de floresta. Dado que estas

zonas, salvo raras exceções, são áreas sem interesse de cobertura, podem-se validar os indicadores

RSRQ e SINR para a zona 1 e na referida banda.

Em relação aos indicadores de overlapping para a zona 1, verifica-se que tanto para os 10 dB como

para os 4 dB, os valores obtidos encontram-se acima do nível de validação. Como referido

anteriormente, o ambiente diverso da zona em estudo, implica uma diminuição na qualidade dos

resultados obtidos. Analisando as representações gráficas destes dois indicadores, apresentadas no

anexo B.6, verifica-se que as zonas com maior overlapping são essencialmente a Norte, sendo esta

zona identificada nos clutter classes como floresta. Por esse motivo a densidade de células nesta

área é inferior, e com as condições ambientais a imporem uma maior atenuação, a qualidade do sinal

diminui, não existindo uma clara definição das células dominantes. Este conjunto de fatores origina

um aumento do overlapping, pois passam a existir um conjunto de células, oferecendo níveis

semelhantes de sinal naquela área. Desta forma, apesar de estatisticamente não serem atingidos os

valores especificados na secção 3.4, considerando os motivos apresentados, validam-se os KPI

relativos ao overlapping para a zona 1 na banda do LTE 450.

Assim, valida-se a cobertura para a zona 1, pois apenas é necessário que estes indicadores sejam

cumpridos numa das bandas que oferece cobertura para a zona em estudo. Contudo, para confirmar

a qualidade da cobertura da banda do LTE 800, efetuou-se uma análise aos mesmos indicadores

nesta banda.

Na zona 1, para a banda do LTE 800, as EB encontram-se distribuídas principalmente pelas áreas

centrais. Por esse motivo, e tendo em consideração que o alcance de propagação desta banda é

inferior ao LTE 450, existe uma menor cobertura nas áreas a norte (floresta) e a sul (oceano). Isto foi

confirmado anteriormente na figura 4.5, ao serem observadas falhas ao nível de RSRP nessas zonas.

A esta menor cobertura, está associada uma degradação grave destes indicadores, sendo esse o

motivo para apenas serem atingidos os 88.6% e 83.8% de cobertura para o critério de RSRQ e SINR,

respetivamente. Em relação à análise de overlapping, os valores obtidos são extremamente elevados.

Recorrendo novamente à representação gráfica destes KPI apresentadas nos anexos B.6, observa-

se que a predominância das zonas com mais servidores, são as mesmas onde se verificava a

existência de falhas de cobertura. Tal como para a banda do LTE 450, o facto não haver uma célula

dominante nestas áreas, estando a zona coberta por sinais de diferentes células com níveis

semelhantes, provoca uma degradação destes indicadores. Apesar dos motivos apresentados para a

degradação dos KPI, esta análise não permite validar a cobertura para a banda do LTE 800. Seria

assim necessária uma análise detalhada e restrita às zonas com EB nesta banda, excluindo as áreas

de montanha e o oceano.

Na secção 3.3.1 observou-se que a zona 2 está inserida num ambiente rural, com diversas áreas

montanhosas (33.2% de floresta), diversos lagos (11%), e uma baixa densidade de sites. As

predições de cobertura apresentadas no anexo B.1, mostram claramente a existência de diversas

56

falhas graves na cobertura em zonas de montanha. Sendo os indicadores calculados para a

globalidade do espaço, é necessário avaliar o impacto sobre as áreas de interesse. Para a banda do

LTE 450 observa-se que os níveis de RSRQ e SINR possuem valores muito próximos dos requisitos

exigidos. Em relação aos indicadores de overlapping, observam-se valores altos, mas que devem-se

principalmente às falhas de cobertura explicadas anteriormente. Analisando a representação gráfica

destes indicadores apresentada no anexo B.7, e sobrepondo com as áreas de interesse da zona 2,

valida-se a cobertura nesta área para a banda do LTE 450.

Para a banda do LTE 800, que está presente em apenas 6 sites nesta zona, a análise aos

indicadores segue o raciocínio apresentado para a outra banda. De realçar que os baixos valores de

overlapping devem-se ao facto de existirem poucas EB. Assim, para uma correta validação da

cobertura na banda do LTE 800, tal como para a zona 1, seria necessário um estudo limitado às

áreas cobertas por células nesta banda de frequências.

Tabela 4.4 – Resultados obtidos nos diversos KPI para ambas as zonas.

KPI

Percentagem de área de acordo com o objetivo

Zona 1 Zona 2

Nome Objetivo LTE 450 LTE 800 LTE 450 LTE 800

RSRQ (dB) 100% com

RSRQ >= -15.5 98.1 88.6 97.5 98.4

SINR (dB) 100% com

SINR >=-2 96.4 83.8 95.2 96.7

Overlapping

10 dB (%)

Área com 7

servidores < 2% 7.8 25.3 7.7 0.6

Overlapping

4 dB (%)

Área com 4

servidores < 2% 4.6 11.7 7.6 3.4

Área com 2

servidores < 35% 35.7 44.2 43.4 42.7

Note-se que a banda do LTE 1800, presente na zona 1, não foi apresentada nesta tabela devido à

sua baixa densidade na área em estudo, o que iria originar resultados não fidedignos. Tal como

noutras situações, para uma correta validação, seria necessária uma análise detalhada e restringida

às zonas onde estavam presentes EB nesta banda.

57

Plano de physical cell identifiers 4.3

Devido à sua importância para o correto funcionamento de uma rede LTE, o plano de PCI deve ser

elaborado de forma rigorosa. É necessário que seja feita uma distribuição tendo em conta toda a rede

do projeto e possíveis redes vizinhas. Um PCI é originado a partir do PSS e do SSS, através da

expressão (2.6). Como foi referido na secção 2.10, os PCI que podem ser utilizados numa rede

móvel, estão limitados ao intervalo 0 a 503. Este projeto ao englobar duas redes de diferentes

operadores, em três países diferentes na mesma frequência, exigiu a limitação da utilização de PCI

nos diversos países, efetuando-se uma divisão da totalidade dos PCI, pelos diferentes países e

fronteiras. Na figura 4.14, está exemplificada uma hipotética distribuição de PCI para uma situação

com dois países. Para evitar possíveis repetições na utilização desta numeração, é criada uma “zona

de fronteira”, representada a amarelo na figura. Garante-se assim que os PCI utilizados no país A,

sejam também utilizados no país B, mas com uma distância suficiente para evitar possíveis

interferências. No exemplo, para o país B, é demonstrada também a possibilidade de haver uma

gama de PCI reservados para futuras expansões (neste caso de 0 a 62).

Figura 4.14 – Esquema de distribuição de PCI por dois países.

Para gerar os PCI utilizou-se uma ferramenta incluída no software de planeamento 9955 RNP da

ALU. É necessário definir o domínio de PCI a utilizar, a estratégia de alocação de SSS e a distância

de reutilização. Devido às diversas restrições e aos diferentes domínios de alocação de acordo com a

posição geográfica, foi necessária a execução da ferramenta isoladamente para cada região. Para a

alocação do SSS, foi estabelecido que estes seriam iguais para as células da mesma EB. Em relação

à distância de reutilização, utilizou-se inicialmente o valor de 200 km. De forma a otimizar a alocação

de PCI, reduziu-se gradualmente a distância de reutilização, até verificar-se uma situação com a

ocorrência de colisões, como é indicado no diagrama de blocos da figura 4.15. Assim, obteve-se a

solução mais eficiente relativamente à reutilização de PCI. Após este processo iterativo, conseguiu-se

fazer uma alocação de PCI sem colisões, para todas as áreas, com a utilização de uma distância de

reutilização de 160 km.

País A País B

63 – 503 423 – 503 0 – 422

58

Figura 4.15 – Processo de otimização da alocação de PCI na ferramenta 9955 RNP.

Plano de vizinhanças 4.4

O plano de vizinhas é um importante auxiliar nas operações de mobilidade como o handover. No

projeto em análise, foi necessária a elaboração de um plano de vizinhanças inicial. Posteriormente a

rede irá gerir esta informação através do ANR.

Foi utilizada como base, a lista de vizinhanças da rede da geração anterior. Com auxílio do programa

9955 RNP da ALU, realizou-se uma análise a esta lista, verificando se eram cumpridas as seguintes

regras:

Cada célula pode ter um valor máximo de 32 relações de vizinhança, por cada banda;

Todas as células pertencentes ao mesmo eNB, mesmo de bandas diferentes, devem ser

consideradas vizinhas;

As células que estiverem dentro de um raio de 10 km devem ser incluídas na lista;

Não devem existir células com listas vazias;

Todas as ligações estabelecidas devem ser simétricas, ou seja, se a célula A é vizinha de B,

B é também vizinha de A.

A utilização de ferramentas de planeamento para a análise e verificação do cumprimento das regras

apresentadas anteriormente é essencial. A lista completa de vizinhas para toda a rede, assumindo

que é composta por aproximadamente 1900 células, atinge facilmente as 32000 relações de

vizinhança. A título de exemplo, apresenta-se graficamente na figura 4.16 as relações de vizinhança

de apenas uma célula na zona em estudo.

Sem colisões

Distância inicial de reutilização(200 km)

Alocação de

PCI no 9955

RNP

Com colisões

Reduzir distância de reutilização

Utilizar distância anterior e gerar plano final de PCI

59

Figura 4.16 – Relações de vizinhança de uma célula [20].

Introdução de novos sites considerando o número de 4.5

habitantes

A distribuição dos utilizadores pelo ambiente, é um fator determinante na definição da quantidade e

da localização de novos sites a serem introduzidos na rede móvel. Desta forma, para uma

determinada área da rede, avaliou-se a predição de RSRP, identificando as zonas com possíveis

falhas de cobertura.

De notar que a escala de RSRP utilizada nesta análise difere das anteriores, pois nesta fase do

projeto, e de forma a conciliar análises de diferentes equipas, utilizou-se estes quatro níveis. O

primeiro nível (RSRP=-98 dBm), corresponde a um valor que teoricamente garante cobertura para os

diversos serviços numa zona indoor. O segundo nível (RSRP=-102 dBm) é o nível de aceitação

aplicado nos drive-tests, sendo por isso um indicador de referência. Os restantes dois níveis

permitem identificar a gravidade das falhas ao nível de cobertura, em que o nível de -119 dBm indica

uma falha grave.

Na figura 4.17 apresentam-se as predições de RSRP e assinalam-se as localidades coincidentes com

as falhas de cobertura. Verifica-se a existência de problemas de cobertura em duas grandes áreas,

contêndo cada uma diversas zonas habitacionais.

60

Figura 4.17 – Predição de RSRP e identificação das localidades com falhas [20].

Para avaliar o impacto das falhas na população alvo, avaliou-se quais as localidades com maior

número de habitantes e consequentemente com maior impacto na rede. As diversas zonas estão

numeradas na figura anterior, e o seu número de habitantes é detalhado na tabela 4.5.

Tabela 4.5 – Número de habitantes por cidade/aldeia.

Cidade / Aldeia Número de habitantes

1 298

2 1715

3 317

4 238

5 1 483

6 484

7 816

Restantes localidades 22417

Total 27768

Dada a existência de um número equiparável de habitantes no conjunto A e B, conclui-se, assim, que

é necessária uma melhoria na cobertura de ambas as zonas. Estando estas duas áreas separadas

por uma grande distância, e em espaços opostos, é necessária a introdução de dois novos sites. A

61

localização destes novos equipamentos ocorrerá preferencialmente dentro das zonas A e B,

permitindo uma melhoria substancial da cobertura nessas áreas.

Para efeitos de simulação, definiu-se a localização dos novos sites através da determinação do ponto

mais alto e central de cada área sujeita a melhoria. Considerou-se que estes novos sites possuíam os

valores padrão de altura para esta região (58 m) e utilizavam os equipamentos habituais da rede.

Ajustaram-se os azimutes dos novos sites, de forma a direcionar as EB para as zonas requeridas,

mas avaliando o nível de SINR de forma a manter a qualidade do sinal.

O facto de algumas células estarem direcionadas para outras já existentes, aumenta o risco de

surgirem zonas com maior nível de interferência. Este risco foi reduzido com o aumento do tilt elétrico

nas células já existentes e configuradas na direção destes novos sites, permitindo manter a

estabilidade da rede ao nível de interferência. Utilizaram-se para estes novos sites valores de tilt entre

0° e 2°, pois pretendia-se aumentar o alcance do sinal. As configurações físicas das EB são

apresentadas na tabela 4.6, apresentando-se também as ligeiras correções de tilt, introduzidas no

Site_001 e Site_003. Na figura 4.18 apresenta-se graficamente a predição de RSRP após a

introdução de dois novos sites, e os resultados estatísticos estão presentes na tabela 4.7

Tabela 4.6 – Parâmetros físicos das EB, com os valores da otimização.

Site Estação de

base Altura do

mastro (m) Azimute (°)

Tilt mecânico (°)

Tilt elétrico (°)

Site_001

Site_001A 58 0 2 0 para 1

Site_001B 58 120 2 0

Site_001C 58 240 2 0

Site_002

Site_002A 45 350 2 0

Site_002B 45 110 2 0

Site_002C 45 230 2 0

Site_003

Site_003A 226 50 0 0

Site_003B 226 180 0 0 para 2

Site_003C 226 300 6 0

Novo_Site_1

Novo_Site_1A 58 65 1 0

Novo_Site_1B 58 195 1 0

Novo_Site_1C 58 315 2 0

Novo_Site_2

Novo_Site_2A 58 65 0 0

Novo_Site_2B 58 190 2 0

Novo_Site_2C 58 295 0 0

62

Figura 4.18 – Predição de RSRP, após a introdução de dois novos sites [20].

Tabela 4.7 – Resultados da predição de RSRP, antes e após a otimização.

Nível de cobertura RSRP (dBm)

Estado inicial Após introdução de novos sites

Superfície (km²)

Percentagem de área (%)

Superfície (km²) Percentagem de área (%)

-98 2,084.14 66.6 2,273.95 72.7

-102 2,531.02 80.9 2,724.41 87.1

-110 3,108.40 99.3 3,110.55 99.4

- 119 3,128.49 100 3,128.49 100

Os níveis de SINR antes e após a após a introdução dos novos sites, são apresentados nas figuras

4.19 e 4.20, respetivamente. As estatísticas deste indicador estão detalhadas na tabela 4.8.

Verifica-se que há uma ligeira degradação no SINR após a introdução destes novos sites. Esta

diminuição no SINR era expectável, pois a introdução de novos sites implica também a criação de

novas fronteiras entre células, originando novas zonas de interferência. Apesar disso, a qualidade da

zona em análise mantém dentro dos valores exigidos pelo cliente, com o nível de SINR superior

a -2 dB para praticamente toda a região.

N

1

Site_1

1

Site_3

Site_2

Novos sites 2

63

Figura 4.19 – Predição de SINR, antes da otimização [20].

Figura 4.20 – Predição de SINR, após a introdução de novos sites [20].

Ao nível de população, a introdução destes novos sites, cobrindo as diversas localidades identificadas

na figura 4.17, permite que cerca de 5351 habitantes possuam uma melhoria na cobertura de sinal.

Conclui-se assim, que a introdução destes novos 2 sites permite uma melhoria para 20% da

população da área em estudo.

64

Tabela 4.8 – Resultados de SINR, antes e após a introdução de novos sites.

Nível de SINR (dB)

Estado inicial Após introdução de novos

sites

Superfície (km²)


Superfície (km²)


RS C/(I+N) >= 2 2956.88 94.5 2408.16 77

RS C/(I+N) >= 1 3037.20 97.1 2631.12 84.1

RS C/(I+N) >= 0 3108.56 99.4 2874 91.9

RS C/(I+N) >= -1 3124.24 99.9 3036.96 97.1

RS C/(I+N) >= -2 3128.12 100 3100.24 99.1

RS C/(I+N) >= -3 3128.12 100 3126.12 100

Caso de estudo: otimização versus introdução de novos 4.6

sites

Durante um projeto de planeamento de uma rede móvel, diversas fases e procedimentos são

adotados. Após o swap, com a integração das novas estações de base, é necessário que sejam

efetuados testes no terreno. O seguinte caso de estudo surge durante esta fase.

Foi instalado um ponto fixo de testes, semelhante a um utilizador comum, numa zona que se

pretendia oferecer cobertura móvel, identificado na figura 4.21 como IMSI, em referência ao

International Mobile Subscriber Identity. A área de interesse é a margem de um lago com dimensões

consideráveis, onde estava instalado o dispositivo de teste. Ao serem coletados dados nesse ponto,

verificou-se que o mesmo efetuava diversos handovers diariamente (chegando a valores na ordem

nos 200 handovers por dia). Sendo este um ponto fixo, a ocorrência de handovers deveria acontecer

muito ocasionalmente.

Foi solicitado assim, que fosse efetuado um estudo ao nível de RNP, verificando o estado atual,

detetando os motivos para as falhas e sugerindo possíveis soluções.

Estado inicial da zona em análise 4.6.1

Para analisar o estado inicial da rede, efetuou-se uma análise ao nível de RSRP, SINR e best server.

Estas predições foram calculadas considerando a existência das perdas indoor por clutter.

Pretende-se assim recriar um ambiente mais próximo da situação real, na medida em que o

equipamento de teste se encontrava num ambiente indoor.

65

Na figura 4.21 apresenta-se a predição de RSRP, verificando-se que na proximidade do IMSI, a

cobertura tem globalmente um nível máximo de -110 dBm. Além deste baixo valor de RSRP, a

análise de best server apresentada na figura 4.22 permite verificar que não existe uma célula que

seja totalmente dominante na zona de interesse. Esta indefinição e alternância entre células

dominantes provoca um aumento do número de handovers, causando instabilidade e

consequentemente uma redução no QoS. Adicionalmente, apresenta-se no anexo C.1 a predição de

SINR para esta mesma área, e que será importante em análises posteriores.

Figura 4.21 – Predição inicial de RSRP para o caso de estudo [20].

Figura 4.22 – Predição inicial de best server, para o caso de estudo [20].

66

Para compreender os motivos que provocavam os níveis baixos de cobertura, avaliou-se a

capacidade que cada uma das células nas áreas adjacentes possuía, para oferecer cobertura ao

IMSI. Na zona onde se localiza o IMSI, existem três células capazes de dar cobertura, identificadas

por a), b) e c) na figura 4.23.

Na figura 4.24 representam-se as secções de terreno entre essas células e o IMSI. Observa-se que a

célula a) encontra-se a uma distância superior a 23 km e que possui um obstáculo de grandes

dimensões a cerca de 2 km da EB.

A célula b) apesar de estar localizada numa altura considerável, supeior a 1000 m, possui diversos

obstáculos no percurso de propagação, impossibilitam a correcta coberta da zona em estudo. A

distância à EB também contribui para uma menor recepção de sinal no IMSI.

A célula c) apesar de estar mais próxima da EB, também possuí um obstáculo na linha de vista. Além

disso, a orografia do terreno não permite que esta célula forneça cobertura em zonas a norte do IMSI.

Figura 4.23 – Células com possibilidade de cobertura na zona de falha [20].

67

a)

b)

c)

Figura 4.24 - Perfis de terreno para as células a), b) e c) que cobrem o IMSI [20].

Soluções possíveis 4.6.2

A análise efetuada na secção anterior, confirma a existência de situações que diminuem a qualidade

da rede, como o baixo valor de RSRP, podendo ser o motivo do número excessivo de handovers.

Para a correção destes problemas, existem essencialmente duas abordagens possíveis:

Efetuar-se uma otimização nos sites já existentes, ajustando os parâmetros físicos como a

altura dos mastros, o azimute e o tilt.

Introduzir novos sites nas zonas de interesse, com possíveis alterações nos sites existentes

para evitar colisões com os novos equipamentos.

4.6.2.1 Otimização dos sites existentes

Efetuaram-se algumas alterações no conjunto de células identificadas e analisadas na secção

anterior, como responsáveis pela cobertura na zona em análise. Estas mudanças passaram pela

aplicação de algumas técnicas referidas na secção 4.1, como o ajuste do tilt mecânico, e pela

alteração dos azimutes e das alturas dos mastros. Na tabela 4.9 apresentam-se os valores dos

parâmetros físicos das estações de base a), b) e c), antes e após a otimização.

68

Tabela 4.9 – Alterações físicas aplicadas na solução de otimização.

Estação de base

Altura do mastro (m) Azimute (°) Tilt mecânico (°)

Antes Depois Antes Depois Antes Depois

a) 33.5 180 170 3 0

b) 20 240 0 2

c) 15 35 260 300 8 2

Como seria expectável, as alterações mais relevantes ocorrem na célula c), pois é a que está mais

próxima e possuí uma menor obstrução pelo terreno. A solução passa pelo aumento do mastro da

antena para os 35 m, um ajuste no azimute de 40° e um aumento do tilt mecânico, que em parte

deve-se ao aumento da altura do mastro.

Na figura 4.25 apresenta-se a predição de RSRP após a implementação das alterações na rede,

sendo visíveis algumas melhorias na área de interesse. No anexo C.2 apresentam-se as predições de

SINR e de best server, que mostram apenas ligeiras diferenças nas previsões, quando comparadas

com o estado inicial.

Figura 4.25 – Predição de RSRP após a otimização da rede [20].

69

4.6.2.2 Introdução de novos sites

Como já foi referido, a solução alternativa à otimização, é a introdução de novos sites. Para a área

em estudo, dado o seu formato e dimensões, concluiu-se que apenas era necessária a introdução de

um novo site com dois setores. Determinou-se que a localização deste novo equipamento deveria ser

na margem do lago oposta ao IMSI, num ponto relativamente alto. A localização de novos

equipamentos está sempre dependente da análise feita no terreno, estudando a viabilidade da sua

implementação. As configurações físicas deste novo site estão detalhadas na tabela 4.10.

Tabela 4.10 – Configurações físicas dos novos sites a serem introduzidos.

Site Estação de base Altura do

mastro (m) Azimute (°)

Tilt

mecânico (°)

Novo_Site

Novo_Site A 30 180 2

Novo_Site B 30 290 2

A predição de RSRP após a introdução deste novo site, está apresentada na figura 4.26 e a análise

de best server está representada na figura 4.27. No anexo C.3 encontra-se representada a predição

de SINR para esta nova situação.

Figura 4.26 – Predição de RSRP, após introdução de novos sites [20].

70

Figura 4.27 – Predição de best server, após a introdução de novos sites [20].

Comparação de melhorias introduzidas pelas soluções 4.6.3

apresentadas

Para determinar qual das opções detalhadas na secção anterior, induz na rede uma melhoria mais

significativa, apresenta-se nas tabelas 4.11 e 4.12, os valores de RSRP e SINR de cada solução,

comparando-os com os valores iniciais.

Em relação aos níveis de cobertura RSRP, observa-se que através da otimização obtém-se uma

pequena melhoria no nível mais elevado de RSRP, de aproximadamente 6.9% no total de área

coberta. A introdução de um novo site, permite uma melhoria de 24.1% neste nível, e de 19.8% para

o nível de -102 dBm.

Tabela 4.11 – Resultados de RSRP, após otimização e introdução de novos sites.

Predição RSRP

(dBm)


Estado inicial Após

otimização

Após introdução de

novo site

RSRP >= -98 50.1 57 74.2

RSRP >= -102 71 80.9 90.2

RSRP >= -110 99.7 100 100

RSRP >= -119 100 100 100

71

Verifica-se que ocorre uma melhoria significativa do SINR com a introdução de um novo site,

destacando-se o nível de SINR superior a 8 dB que passa de 19.8% para 56.6%. De realçar também

que há uma duplicação da percentagem de área com SINR superior a 12 dB, e que para

praticamente toda a área em estudo (99.3%), o nível de SINR é superior a 0 dB.

Tabela 4.12 – Resultados de SINR, após otimização e introdução de novos sites.

Predição SINR

(dB)


Estado inicial Após otimização Após introdução

de novo site

SINR >= 12 14.8 19.5 19.9

SINR >= 8 32.1 37.1 47.4

SINR >= 4 71.8 67.9 80.6

SINR >= 0 100 100 99.6

SINR >= -2 100 100 100

Vantagens e desvantagens das soluções 4.6.4

Com a análise dos resultados apresentados na secção anterior, verifica-se que a solução que permite

uma melhoria relevante da qualidade do sinal, na zona de interesse, é a introdução de um novo site.

Na figura 4.28 apresentam-se as principais vantagens e desvantagens de cada solução.

Tabela 4.13 – Comparação das vantagens e desvantagens de cada método.

Vantagens Desvantagens

Otimização dos sites existentes

Custos económicos baixos;

Implementação rápida.

Reduzida melhoria de QoS;

Possíveis limitações na alteração

da altitude das antenas;

Redução de cobertura nas áreas

adjacentes.

Introdução de um novo site

Grande melhoria de QoS;

Reduzido impacto nas

células adjacentes.

Custos económicos elevados;

Implementação lenta.

A introdução de um novo site permite um enorme aumento de QoS. Uma outra vantagem desta

solução, relaciona-se com o facto da propagação deste novo site, estar confinada às margens do

lago. A orografia do terreno isola assim este novo site, fazendo com que não haja impacto na

72

qualidade das EB já existentes. Com a adição deste novo site, criam-se zonas bem definidas em que

cada uma das células é dominante, reduzindo assim a necessidade de handover. No entanto, a

introdução de um novo site implica custos elevados e um tempo de implementação muito superior em

comparação com a otimização de sites já lá existentes. Adicionalmente, pode também ser necessário

realizar otimização física nos sites adjacentes já existentes, de forma a integrar os novos

equipamentos sem detreorização da rede.

A solução de otimização dos parâmetros físicos dos sites já existentes, tem como grande

desvantagem, apresentar resultados muito inferiores à solução alternativa, havendo apenas uma

ligeira melhoria ao nível de QoS. Através da análise às predições de RSRP e best server, verifica-se

que apesar do ligeiro aumento dos níveis de cobertura (RSRP), continuam a não existir áreas

homogéneas em que uma única célula seja dominante.

No sentido oposto, a otimização física, tem como vantagem, a sua rápida implementação no terreno,

e um baixo custo económico. É necessário também avaliar se existem limitações físicas e/ou

ambientais que não permitam o aumento de 20 m na altura do mastro da antena da célula c). As

alterações ao nível de azimute podem também influenciar a qualidade da rede, pois há uma melhoria

da cobertura numa zona, mas em detrimento de outras. Observa-se assim, uma redução de cobertura

nas áreas mais a sul do IMSI. Caso estas zonas sejam pontos de interesse, quer pela presença ou

pela passagem de utilizadores, a implementação desta solução irá provocar falhas de cobertura,

originando um novo problema.

Em suma, ponderando as vantagens e desvantagens, caso não hajam fortes impedimentos a nível

económico, a solução recomendada para a melhoria da qualidade de sinal na zona em análise, é a

introdução de um novo site.

73

Capítulo 5

Conclusões

5 Conclusões

Neste capítulo são descritas as principais conclusões obtidas após a realização deste trabalho.

75

A elaboração desta tese tinha como principais objetivos, a análise, compreensão e aperfeiçoamento

das técnicas de planeamento rádio, para a tecnologia LTE. A base de trabalho foi um projeto da

Alcatel-Lucent, que se encontra em desenvolvimento no norte da Europa. O projeto consistia na

conversão de uma rede móvel em CDMA450 para LTE. A obtenção de conhecimentos técnicos sobre

a tecnologia LTE, em especial sobre o planeamento rádio, e a análise aos diversos ambientes

presentes nos países em estudo, foram objetivos totalmente atingidos.

Neste relatório acompanhou-se as diversas tarefas atribuídas à equipa de RNP, ao longo das

diferentes fases do projeto. Os procedimentos iniciais passaram pela aquisição e introdução das

diversas bases de dados na ferramenta 9955 RNP. Efetuou-se uma análise à cobertura nos três

países que constituíam a área de aplicação do projeto, identificando-se possíveis problemas. Com o

desenvolvimento do projeto, foram solicitadas análises a áreas em específico, onde através de um

conjunto de técnicas de otimização, estudou-se e comparou-se as diversas hipóteses de resolução

para os problemas apresentados.

No início deste relatório, nomeadamente no primeiro capítulo, apresentou-se as previsões de

crescimento de tráfego nas redes móveis, sendo estas extremamente elevadas. Estima-se que este

aumento atinja valores de 24.3 exabytes por mês, em 2019. Para acompanhar estas previsões é

necessário continuar a desenvolver e a implementar soluções com a tecnologia LTE. Como

atualmente apenas 40% da população mundial está coberta pelo LTE, conclui-se que no futuro

haverá um aumento nos projetos de swap de 2G/3G para LTE. Sendo estes projetos cada vez mais

recorrentes, a análise, estudo e desenvolvimento de técnicas de planeamento rádio, irá ganhar uma

maior importância para as empresas com a ALU.

No capítulo 2, explicou-se os diversos conceitos relativos à tecnologia LTE. Iniciou-se com a

descrição dos diversos requisitos impostos pelo IEEE, que pretendiam responder às necessidades

futuras das redes móveis. Apresentou-se a arquitetura da rede, destacando-se o facto de toda a rede

passar a funcionar apenas em comutação de pacotes (all IP), permitindo assim uma compatibilidade

e interoperabilidade entre diversos tipos de redes. Outro destaque passa pela simplificação da

arquitetura de rede, onde se reduziu a quantidade de equipamentos, diminuindo a latência associada,

e a integração de novas funções nos eNB. Para esta evolução adotaram-se novas técnicas de acesso

múltiplo, de modulação e de transmissão, bem como novos indicadores de QoS e QoE, que foram

apresentados ao longo do capítulo 2. Para a obtenção de simulações, é importante a compreensão e

a adaptação dos modelos de propagação ao ambiente em análise, sendo por isso apresentados nas

secções finais deste capítulo os modelos de propagação originais. Com este conjunto de alterações,

verifica-se que o LTE além das características atuais que consegue oferecer, apresenta uma

arquitetura que permite ser uma importante base de desenvolvimento para tecnologias futuras.

No capítulo 3 descreveu-se as ferramentas utilizadas no processo de RNP. Apresentou-se

posteriormente os diversos inputs, como os dados geográficos ou configurações de rede, necessários

para a elaboração de predições com o 9955 RNP. Concluiu-se que na utilização desta ferramenta, a

qualidade das predições, depende fortemente da qualidade e do rigor dos diversos inputs. Na secção

76

final deste capítulo, são também apresentados os vários indicadores, e os respetivos critérios,

necessários para a validação da cobertura, nomeadamente:

RSRP – Reference Signal Received Power, com valores estabelecidos no link budget;

RSRQ – Reference Signal Received Qualit, com RSRQ ≥ -15.5 dB em toda a área em

análise;

RS SINR – Reference Signal, Signal to Interference plus Noise Ratio, em que

RS SINR ≥ -2 dB em toda a área;

Overlap 4 dB, em que a percentagem de área com quatro ou mais servidores tem de ser

inferior a 2%, e a área com dois servidores inferior a 35%;

Overlap 10 dB: em que a percentagem de área com sete ou mais servidores tem de ser

inferior a 2%.

Alguns destes critérios foram definidos de acordo com as recomendações e valores padrão da ALU.

No entanto os níveis definidos para o RSRP têm origem no cálculo do link budget. Como o RSRP é o

principal indicador para a deteção de falhas de cobertura, conclui-se que os cálculos de link budget

têm influência tanto numa fase inicial do projeto, mas também no decorrer do mesmo.

No capítulo 4, apresentou-se os resultados obtidos com a ferramenta de planeamento, antes e após a

introdução de modificações na rede. Descreveu-se inicialmente as diversas técnicas de otimização

rádio:

Verificação de cobertura recorrendo à predição de RSRP;

Ajuste de tilt elétrico, mecânico ou a combinação de ambos;

Verificação de overshooting;

Alteração da banda de frequências.

Na descrição da técnica relativa ao ajuste de tilt elétrico e mecânico, comparou-se a utilização

independente de cada método, bem como a introdução da configuração do tipo umbrella. Esta

configuração implica a aplicação de um valor negativo de tilt mecânico, compensado com um valor

elevado de tilt elétrico. Concluiu-se que este método permite uma redução dos lóbulos traseiros do

diagrama de radiação da antena, reduzindo-se desta forma possíveis interferências. Realça-se que

qualquer técnica relativa ao ajuste de tilts apenas serve como indicação dos procedimentos a adotar,

estando a configuração final muito dependente do ambiente em que a EB está inserida.

Com os resultados obtidos pelo 9955 RNP, iniciou-se o estudo ao nível de cobertura com a análise da

predição de RSRP para cada uma das bandas utilizadas, para a zona 1. Com a sobreposição da

banda do LTE 450 e LTE 800, identificou-se apenas uma situação de falha de cobertura.

Solucionou-se o problema através da aplicação das técnicas apresentadas anteriormente, tendo sido

corrigida a falha detetada. Posteriormente procedeu-se à análise de best server, onde detetaram-se

77

diversas situações de overshooting. Recorreu-se novamente às técnicas de otimização apresentadas,

que permitiram uma melhoria ao nível de cobertura e uma redução nas situações de overshooting.

Concluiu-se que as técnicas apresentadas na primeira secção do capítulo 4, adaptam-se aos

problemas citados anteriormente, afirmando-se com eficazes na resolução dos problemas

apresentados pela rede.

Na análise efetuada aos indicadores RSRQ, SINR, Overlapping 10 dB e 4 dB, verificou-se que a

globalidade dos valores não cumpriam os valores estabelecidos para a validação da cobertura. No

entanto, as zonas em estudo apresentavam grandes áreas sem interesse de cobertura, como

oceanos e floresta, que representavam percentagens elevadas das zonas em análise. Desta forma,

apesar dos critérios não serem atingidos, validou-se a cobertura com a banda do LTE 450, para

ambas as zonas. Conclui-se que o estudo efetuado permite de uma forma global avaliar o estado da

cobertura, contudo para a obtenção de valores mais rigorosos, seria necessário excluir as zonas sem

interesse de cobertura. Ainda associado a esta fase de análise do projeto, elaborou-se um plano de

PCI e de vizinhanças, onde se concluiu que apesar das ferramentas associadas ao 9955 RNP da

ALU, o cálculo destes parâmetros não está totalmente automatizado.

Apresentam-se também nas secções 4 e 5, do capítulo 4, estudos efetuados numa fase mais

avançada do projeto, em que já tinha sido feita a integração dos sites no LTE. No primeiro estudo

analisou-se a introdução de novos sites numa área da rede já otimizada. Primeiramente efetuou-se

uma predição de RSRP, de forma a avaliar a cobertura rádio em toda a área em estudo. Através da

sobreposição desta simulação com os vetores relativos às localidades existentes, identificou-se quais

destas possuíam falhas de cobertura. Recorreu-se aos dados demográficos das localidades em

causa, de forma a dar prioridade na melhoria de cobertura e auxiliar na seleção da localização dos

novos sites. Após a introdução de dois novos sites, verificou-se um aumento global de cobertura, em

cerca de 8% para o nível de RSRP a -98 dBm. Ao nível de população a beneficiar desta introdução,

verificou-se que estes dois novos sites permitiam melhorar a qualidade de sinal para

aproximadamente 20% da população da área em estudo. Concluiu-se desta forma, que a distribuição

de utilizadores é um critério importante e deve ser considerado num processo de otimização rádio. A

seleção da zona a ser coberta pelos novos sites, bem como a própria área onde é instalado o

equipamento, são fatores determinantes para o aumento da área de cobertura.

O capítulo 4 é terminado com um caso de estudo, solicitado por equipas presentes no terreno, que

após a realização de drive-tests identificaram problemas na área em estudo. Inicialmente analisou-se

o estado inicial da rede nessa área, identificando-se as EB capazes de fornecer cobertura. No

entanto, a análise ao perfil de terreno mostrou a existência de diversos obstáculos, justificando os

resultados obtidos nos testes de terreno e na ferramenta de simulação. Desta forma, verificou-se a

necessidade de introdução de medidas corretivas na área em estudo, surgindo duas possibilidades. A

otimização dos sites existentes na rede ou a introdução de novos sites. Através da otimização obteve-

se uma melhoria na cobertura com RSRP a -98 dBm, de aproximadamente 7%, comparativamente ao

estado inicial. Por sua vez a introdução de um novo site permitiu melhorar em cerca de 24% a

cobertura de RSRP a -98 dBm, para a área analisada. Concluiu-se que as melhorias induzidas pela

78

introdução de um novo site, são largamente superiores às melhorias obtidas através da otimização

dos sites existentes. Assim, comprovando-se a existência de uma área relevante com falha de

cobertura, e sendo economicamente possível, a solução de melhoria deve recair pela introdução de

novos equipamentos.

Atualmente, o projeto acompanhado neste relatório ainda se encontra em fase de desenvolvimento,

ocorrendo a integração gradual do LTE nos diversos sites, dos três países. Desta forma, a análise de

situações semelhantes à apresentada no caso de estudo da secção 4.6, ocorre com uma maior

frequência. Em relação à perspetiva futura, com a finalização do swap nos diversos sites, e com a

otimização desses mesmos sites, este tipo de estudos reduzir-se-á. No sentido oposto, após a

integração e validação dos sites do swap, realizar-se-á com maior frequência estudos relativos à

introdução de novos sites, tendo em vista a expansão da rede. Nas análises futuras deverá também

ser avaliada a introdução de small-cells, especialmente em zonas urbanas, pois estas permitem a

realização do offload de tráfego da rede macro, permitindo oferecer uma maior QoE aos utilizadores.

79

Anexo A

Dados introduzidos na

ferramenta 9955 RNP

Anexo A. Dados introduzidos na

ferramenta 9955 RNP

Apresenta-se neste anexo alguns dados inseridos na ferramenta de planeamento 9955 RNP, como

os modelos de propagação, dados geográficos ou configurações das antenas.

81

A.1 Configurações dos modelos de propagação

Nas tabelas seguintes apresentam-se as configurações dos modelos de propagação utilizados na

ferramenta 9955 RNP, para as várias bandas e nos diversos ambientes. Na tabela A.5 apresentam-se

as perdas para os espaços indoor (em dB), por clutter classe, utilizadas no software de planeamento.

Tabela A.1 – Configurações do modelo SPM para o LTE 450.

SPM Macro 2D DU/U 400-450 MHz SPM Macro 2D SU/RU 400-450 MHz



82



Tabela A.4 – Configurações dos parâmetros do modelo SPM relativos aos clutters.

LTE 450/800 DU/U

LTE 450/800 SU/RU

LTE 1800 DU/U

LTE 1800 SU/RU

Espaço aberto -5 -12 -5.5 -12.5

Oceano -15 -16.5

Rio -15 -16.5

Lago -15 -16.5

Agricultura -12 -12.5

Pântano -15 -16.5

Floresta -2 -4

Edifícios Urbanos 1 -1.5

Construção -1 -2.5

Edifícios densos 0 0

Indústria 1.5 0

Pedreira -4.5 -6.5

Aeroporto -1 -2.5

Pedreira 1.5 0

Zona desportiva 1.5 0

83

Tabela A.5 – Perdas para os espaços indoor, por clutter classe.

Nome Perdas para os espaços indoor (dB)

LTE 450 LTE 800 LTE 1800

Espaço aberto 5 6 8

Oceano 0 0 0

Rio 0 0 0

Lago 0 0 0

Agricultura 5 6 8

Pântano 0 0 0

Floresta 5 6 8

Edifícios urbanos 15 16 19

Construção 15 16 19

Edifícios densos 16 17 20

Indústria 12 13 16

Pedreira 15 16 19

Aeroporto 16 17 20

Cemitério 12 13 16

Zona desportiva 16 17 20

A.2 Parâmetros das antenas utilizadas

Na tabela seguinte apresentam-se as características das antenas utilizadas no projeto.

Tabela A.6 – Características das antenas utilizadas na ferramenta de planeamento [20].

Modelo da antena

Ganho (dBi) Frequência

(MHz)

Abertura (°)

Horizontal Vertical

A 12 450 64 21.9

B 17.2 1855 63 5

C 14.7 450 65 17

D

13.9 790 68.1 16.1

14.1 824 68.9 16.7

17.4 1855 63 5

E 14 450 62 19

F 15.9 791 67.2 10.1

18.3 1855 62.8 4.8

G 15.9 832 68 10

H 18.3 1710 65.7 4.7

I 17.1 832 68.5 8.3

J 15 450 65.5 18

85

Anexo B

Resultados das simulações

Anexo B. Resultados das simulações

Apresenta-se neste anexo os resultados obtidos com a ferramenta de planeamento, para os diversos

indicadores. As predições são apresentadas graficamente e estatisticamente.

87

B.1 Predições de RSRP para a zona 2

Apresenta-se nesta secção graficamente e estatisticamente os resultados de RSRP para a zona 2,

nas diversas bandas utilizadas:

LTE 450

Figura B.1 – Predição de RSRP para a zona 2, no LTE 450 [20].

Tabela B.1 – Resultados de RSRP para a zona 2, no LTE 450.

RSRP Outdoor – LTE 450 Superfície

(km²)

Percentagem de

área (%)

PS 1024 RSRP >= -99.33 dBm 2322.19 68.7

PS 768 RSRP >=-100.3 dBm 2415.44 71.4

PS 512 RSRP >=-101.5 dBm 2527.81 74.7

PS 384 RSRP >=-102.47 dBm 2607.52 77.1

PS 256 RSRP >=-103.89 dBm 2719.80 80.4

PS 128 RSRP >=-106.06 dBm 2880.10 85.2

PS 64 RSRP >=-108.2 dBm 3026.00 89.5

88

LTE 800

Figura B.2 – Predição de RSRP para a zona 2, no LTE 800 [20].

Tabela B.2 – Resultados de RSRP para a zona 2, no LTE 800.

RSRP Outdoor – LTE 800 Superfície (km²) Percentagem de

área (%)

PS 1024 RSRP >= -101,83 dBm 1346.63 39.8

PS 768 RSRP >= -102,8 dBm 1443.91 42.7

PS 512 RSRP >=-104,0 dBm 1564.11 46.2

PS 384 RSRP >=-104,97 dBm 1668.14 49.3

PS 256 RSRP >=-106,39 dBm 1826.91 54

PS 128 RSRP >=-108,6 dBm 2116.89 62.6

PS 64 RSRP >=-110,7 dBm 2392.09 70.7

89

B.2 Predições de best server para a zona 2

Nesta secção representam-se as predições de best server nas bandas do LTE 450 e do LTE 800

para a zona 2.

Figura B.3 – Predição de best server para a zona 2, no LTE 450 [20].


90

B.3 Predições de RSRP para espaços indoor

Apresentam-se nesta secção as predições de RSRP para os espaços indoor nas bandas do LTE 450

e LTE 800, para a zona 1.

LTE 450

Figura B.5 – Predição de RSRP indoor para a zona 1, no LTE 450 [20].

Tabela B.3 – Resultados de RSRP indoor para a zona 1, no LTE 450.

RSRP Indoor – LTE 450 Superfície

(km²)

Percentagem de

área (%)

PS 1024 RSRP >= -99.33 dBm 92.69 67.7

PS 768 RSRP >=-100.3 dBm 96.12 70.2

PS 512 RSRP >=-101.5 dBm 100.51 73.4

PS 384 RSRP >=-102.47 dBm 104.44 76.2

PS 256 RSRP >=-103.89 dBm 110.39 80.6

PS 128 RSRP >=-106.06 dBm 117.77 86

PS 64 RSRP >=-108.2 dBm 124.22 90.7

91

LTE 800

Figura B.6 – Predição de RSRP indoor para a zona 1, no LTE 800 [20].

Tabela B.4 – Resultados de RSRP indoor para a zona 1, no LTE 800.

RSRP Indoor – LTE 800 Superfície (km²) Percentagem de

área (%)

PS 1024 RSRP >= -101,83 dBm 82.19 60

PS 768 RSRP >= -102,8 dBm 86.87 63.4

PS 512 RSRP >=-104,0 dBm 91.90 67.1

PS 384 RSRP >=-104,97 dBm 95.55 69.8

PS 256 RSRP >=-106,39 dBm 100.77 73.6

PS 128 RSRP >=-108,6 dBm 108.63 79.3

PS 64 RSRP >=-110,7 dBm 114.29 83.4

92

B.4 Modificações efetuadas na zona 1

Na tabela seguinte apresentam-se as diversas alterações efetuadas na zona 1, para reduzir os

fenómenos de overshooting.

Tabela B.5 - Modificações aplicadas na zona 1.

Site Banda (MHz)

Estação de base

Altura do mastro

(m)

Azimute (°)

Tilt mecânico Tilt eléctrico

Antes Depois Antes Depois

Site_001 800 Site_001_08MA 20 80 0 4 5

Site_066 450 Site_066_04MB 35 120 2 3 14

Site_066 450 Site_066_04MC 35 240 4 14 8

Site_430 800 Site_430_08MA 25 30 0 4 5

Site_430 450 Site_430_04MB 25 140 4 1 14

Site_438 450 Site_438_04MC 19 330 0 6 5

Site_440 800 Site_440_08MC 16 340 0 4 3

Site_441 800 Site_441_08MB 19 120 0 4 5

Site_444 800 Site_444_08MA 19 0 0 7 6

Site_444 800 Site_444_08MB 19 120 0 3 5

Site_445 450 Site_445_04MC 22 340 0 0 2

Site_489 800 Site_489_08MB 26 110 0 7 10

Site_491 800 Site_491_08MC 14 350 0 8 7

Site_614 800 Site_614_08MB 20 120 2 6 8

93

B.5 Predição de best server na banda LTE 1800


94

B.6 RSRQ, SINR, Overlapping 4 e 10 dB, para a zona 1

Nesta secção apresentam-se graficamente e estatisticamente, as predições de RSRQ, SINR e

Overlapping 4 dB e 10 dB para a zona 1, no LTE 450 e LTE 800.

Figura B.8 – Predição de RSRQ para a zona 1, no LTE 450 [20].

Tabela B.6 – Resultados de RSRQ para a zona 1, no LTE 450.

RSRQ 50% carga – LTE 450 Superfície (km²) Percentagem de

área (%)

RSRQ >= -10 dB 36.86 26.9

RSRQ >= -11 dB 62.86 45.9

RSRQ >= -12 dB 86.81 63.4

RSRQ >= -13 dB 107.11 78.2

RSRQ >= -14 dB 123.53 90.2

RSRQ >= -15 dB 132.20 96.5

RSRQ >= -15.5 dB 134.34 98.1

RSRQ >= -16 dB 135.63 99

RSRQ >= -17 dB 136.78 99.90

RSRQ >= -18 dB 136.91 99.9

95

Figura B.9 – Predição de SINR para a zona 1, no LTE 450 [20].

Tabela B.7 – Resultados de SINR para a zona 1, no LTE 450.

RS SINR 50% carga – LTE 450 Superfície (km²) Percentagem de

área (%)

RS SINR >= 28 dB 0.49 0.4

RS SINR >= 24 dB 2.05 1.5

RS SINR >= 20 dB 4.74 3.5

RS SINR >= 16 dB 9.70 7.1

RS SINR >= 12 dB 20.97 15.3

RS SINR >= 8 dB 41.14 30

RS SINR >= 4 dB 73.46 53.6

RS SINR >= 0 dB 117.76 86

RS SINR >= -2 dB 132.06 96.4

RS SINR >= -4 dB 136.52 99.7

RS SINR >= -6 dB 136.91 99.9

96

Figura B.10 – Predição de Overlapping 10 dB para a zona 1, no LTE 450 [20].

Tabela B.8 – Resultados do Overlapping 10 dB para a zona 1, no LTE 450.

Overlapping 10 dB – LTE 450 Superfície (km²) Percentagem de

área (%)

Número de servidores >= 7 10.70 7.8







97


Tabela B.9 – Resultados de Overlapping 4 dB para a zona 1, no LTE 450.


área (%)





98




área (%)

RSRQ >= -10 dB 32.62 23.8

RSRQ >= -11 dB 52.21 38.1

RSRQ >= -12 dB 70.79 51.7

RSRQ >= -13 dB 87.64 64

RSRQ >= -14 dB 102.2 74.6

RSRQ >= -15 dB 115.38 84.2

RSRQ >= -15.5 dB 121.37 88.6

RSRQ >= -16 dB 126.44 92.3

RSRQ >= -17 dB 133.08 97.2

RSRQ >= -18 dB 135.98 99.3

99




área (%)

RS SINR >= 28 dB 0.06 0

RS SINR >= 24 dB 0.67 0.5

RS SINR >= 20 dB 4.17 3

RS SINR >= 16 dB 10.44 7.6

RS SINR >= 12 dB 20.54 15

RS SINR >= 8 dB 35.53 25.9

RS SINR >= 4 dB 59.98 43.8

RS SINR >= 0 dB 96.04 70.1

RS SINR >= -2 dB 114.74 83.8

RS SINR >= -4 dB 130.49 95.3

RS SINR >= -6 dB 136.24 99.5

100




área (%)





Número de servidores >= 3 78.13 57

Número de servidores >= 2 102.79 75


101




área (%)





102

B.7 RSRQ, SINR, Overlapping 4 e 10 dB, para a zona 2

Nesta secção apresentam-se graficamente e estatisticamente, as predições de RSRQ, SINR e

Overlapping 4 dB e 10 dB para a zona 2, no LTE 450 e LTE 800.




área (%)

RSRQ >= -10 dB 893.24 26.4

RSRQ >= -11 dB 1,419.63 42

RSRQ >= -12 dB 1,983.86 58.7

RSRQ >= -13 dB 2,544.29 75.2

RSRQ >= -14 dB 2,972.03 87.9

RSRQ >= -15 dB 3,227.17 95.4

RSRQ >= -15.5 dB 3,298.53 97.5

RSRQ >= -16 dB 3,343.26 98.9

RSRQ >= -17 dB 3,371.38 99.7

RSRQ >= -18 dB 3,372.95 99.7

103

Figura B.17– Predição de SINR para a zona 2, no LTE 450 [20].



área (%)

RS SINR >= 28 dB 25.07 0.7

RS SINR >= 24 dB 90.33 2.7

RS SINR >= 20 dB 217.51 6.4

RS SINR >= 16 dB 379.99 11.2

RS SINR >= 12 dB 605.39 17.9

RS SINR >= 8 dB 973.84 28.8

RS SINR >= 4 dB 1,651.83 48.8

RS SINR >= 0 dB 2,809.52 83.1

RS SINR >= -2 dB 3,219.17 95.2

RS SINR >= -4 dB 3,365.24 99.5

RS SINR >= -6 dB 3,372.78 99.7

104




área (%)




Número de servidores >= 4 1,354.42 40

Número de servidores >= 3 1,916.36 56.7



105




área (%)





106




área (%)

RSRQ >= -10 dB 687.42 20.3

RSRQ >= -11 dB 1,345.88 39.8

RSRQ >= -12 dB 2,073.98 61.3

RSRQ >= -13 dB 2,713.70 80.2

RSRQ >= -14 dB 3,109.94 92.0

RSRQ >= -15 dB 3,291.40 97.3

RSRQ >= -15.5 dB 3,326.78 98.4

RSRQ >= -16 dB 3,343.19 98.8

RSRQ >= -17 dB 3,355.86 99.2

RSRQ >= -18 dB 3,362.34 99.4

107




área (%)

RS SINR >= 28 dB 0.28 0

RS SINR >= 24 dB 7.02 0.2

RS SINR >= 20 dB 54.90 1.60

RS SINR >= 16 dB 160.74 4.80

RS SINR >= 12 dB 361.77 10.7

RS SINR >= 8 dB 768.02 22.7

RS SINR >= 4 dB 1,623.97 48

RS SINR >= 0 dB 2,941.35 87

RS SINR >= -2 dB 3,270.30 96.7

RS SINR >= -4 dB 3,345.81 98.9

RS SINR >= -6 dB 3,360.58 99.4

108




área (%)








109




área (%)





111

Anexo C

Resultados do caso de estudo

Anexo C. Resultados do caso de estudo

Apresentam-se neste anexo as restantes predições gráficas para o caso de estudo apresentado no

capítulo 4.

113

C.1 Predição de SINR para o estado inicial

Na figura C.1 apresenta-se a predição de SINR para o caso de estudo, sem modificações.

Figura C.1 – Predição de SINR para o caso de estudo no estado inicial [20].

C.2 Após optimização dos parâmetros físicos

Nas figuras C.2 e C.3 apresentam-se respectivamente, as predições de best server e de SINR para o

caso de estudo, após a optimização dos parâmetros físicos das EB já existentes.

Figura C.2 – Predição de best server após a otimização das EB já existentes [20].

114

Figura C.3 – Predição de SINR para o caso de estudo, após otimização [20].

C.3 Após introdução de novo site

Na figura C.4 apresenta-se a predição de SINR para o caso de estudo, após a introdução de um novo

site na área em análise.

Figura C.4 – Predição de SINR para o caso de estudo, após a introdução de novo site [20].

115

Anexo D

Método numérico para o

cálculo de tilt

Anexo D. Método numérico para o

cálculo de tilt

Apresenta-se neste anexo um método numérico que permite a obtenção de uma estimativa do valor

de tilt a aplicar numa EB.

117

Para a obtenção da estimativa de valor de tilt recomendado a ser implementado numa EB, recorre-se

à metodologia apresentada de seguida.

Habitualmente, num processo de planeamento, são conhecidos os valores de altitude do terreno (no

emissor e no recetor), a altura da antena, e a distância ao ponto de interesse, sendo desconhecido o

ângulo da antena, que permite obter o valor de tilt. De forma a simplificar e para efeitos de cálculo,

assume-se como valor de tilt, a soma das componentes eléctrica e mecânica.

Numa situação em que o terreno é aproximadamente plano, para o cálculo do tilt, obtém-se o valor do

ângulo da antena através da expressão,

1 tantilt

Altura do mastro

Distância

(D.1)

A correspondência entre o valor obtido e o tilt é directa, no entanto é de necessário considerar que a

aplicação de tilt elétrico e mecânico tem efeitos diferentes, podendo este valor alterar-se ligeiramente

de acordo com o método aplicado.

Caso as altitudes do terreno possuam diferenças acentuadas entre o emissor e a zona a cobrir, como

é representado na figura D.1, é necessário considerar que a altura é a diferença entre ambos os

valores.

Figura D.1 – Esquema de cálculo de tilt.

Desta forma, obtém-se o tilt pela expressão,

1 _ - _tantilt

Altura do mastro DTM EB DTM UE

d

(D.2)

d

Altura do mastro

DTM_EB

DTM_UE

tilt

119

Referências

Referências [1] Ericsson, Ericsson Mobility Report, Junho de 2015. Acedido em Julho de 2015.

Disponível em: http://www.ericsson.com/res/docs/2015/ericsson-mobility-report-june-2015.pdf.

[2] Cisco, Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update 2014-2019,

White Paper, 3 Fevereiro de 2015. Acedido em Agosto de 2015. Disponível em:

http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-

vni/white_paper_c11-520862.pdf.

[3] 3GPP, LTE Overview, Online. Acedido em Novembro de 2014.

Disponível em: http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/98-lte.

[4] Ed Gubbins, Current Analysis: Small-Cells, 1 de Julho de 2014.

[5] Small Cell Forum, About Small Cells, Online. Acedido em Novembro de 2014

Disponível em: http://www.smallcellforum.org/about/about-small-cells.

[6] Alcatel-Lucent, 9400 LTE RAN Radio Principles Description, 2011 (documento interno).

[7] Alcatel-Lucent, 9400 LTE RAN (T)LA3.0 Technical Overview, 2011 (documento interno).

[8] Alcatel-Lucent, The LTE Network Architecture, Strategic White Paper, 2009.

[9] Alcatel-Lucent, 9768 MRO Introduction, Student Guide, 2011 (document interno).

[10] Alcatel-Lucent, Small Cells RF Design Training – Propagation Model Selection, Dezembro de

2014.

[11] J. Choi, H. Oh, H. Jeon, Propagation Prediction for LTE Small Cells with Antenna Beam Tilt,

Vehicular Technology Conference, Vancouver, Canadá, IEEE, 2014. Disponível em:

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6966136.

[12] N.S Nkordeh, A.A.A Atayero, F.E Idachaba, O.O Oni, LTE Network Planning using the

Hata-Okumura and the COST-231 Hata Pathloss Models, World Congress on Engineering,

London, UK, 2014. Acedido em Setembro de 2015. Disponível em:

http://www.iaeng.org/publication/WCE2014/WCE2014_pp705-709.pdf.

[13] Luís M. Correia, Mobile Communication Systems – Course Notes, IST-UTL, Lisbon, Portugal,

February 2014.

[14] F. Athley, Martin N. Johansson, Impact of Electrical and Mechanical Antenna Tilt on LTE Downlink

System Performance, Vehicular Technology Conference, Taipei, IEEE, 2010. Disponível em:

http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=5493599.

http://www.ericsson.com/res/docs/2015/ericsson-mobility-report-june-2015.pdf

http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white_paper_c11-520862.pdf

http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white_paper_c11-520862.pdf

http://www.3gpp.org/technologies/keywords-acronyms/98-lte

http://www.smallcellforum.org/about/about-small-cells

http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6966136

http://www.iaeng.org/publication/WCE2014/WCE2014_pp705-709.pdf

http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=5493599

120

[15] O. Yilmaz, S. Hämäläinen, J. Hämäläinen, Comparison of Remote Electrical and Mechanical

Antenna Downtilt Performance for 3GPP LTE, Vehicular Technology Conference, Anchorage,

USA. Disponível em: http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=5379074.

[16] Alcatel-Lucent, Kick-off RNE Activities, Janeiro de 2015 (documento interno).

[17] Alcatel-Lucent, LTE Link Budget Guidelines, 2014 (document interno).

[18] Alcatel-Lucent, LTE Outdoor RF Design Guidelines, 2015 (document interno).

[19] Alcatel-Lucent, 9955 RNP User Manual V7.2.1, Alcatel-Lucent Romania, 2015.

[20] Alcatel-Lucent, 9955 RNP Tool, August 2015.

http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=5377994

http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=5379074

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