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Posicionamento de pico-celulas numa rede
LTE
Pedro Andre Branco Serra
Dissertacao para obtencao do Grau de Mestre em
Engenharia Electrotecnica e de
Computadores
Juri
Presidente: Prof. Fernando Duarte Nunes (IST)
Orientador: Prof. Antonio Jose Castelo Branco Rodrigues (IST)
Vogal: Prof. Paulo Luıs Serras Lobato Correia (IST)
Outubro 2013
Agradecimentos
Em primeiro lugar gostaria de agradecer ao meu orientador, o Professor Antonio Rodrigues
pela oportunidade de desenvolver esta dissertacao. Agradeco-lhe ainda toda a orientacao,
sugestoes, aconselhamento e disponibilidade que me ofereceu durante a elaboracao deste
trabalho.
Gostaria tambem de agradecer a minha famılia, ao meu Pai, Mae e Irmao, bem como
aos meus amigos mais proximos por todo o apoio e incentivo que sempre me deram.
i
Resumo
Como forma de aumentar a capacidade da rede de comunicacoes moveis, o operador
escolhe habitualmente colocar mais macro-celulas nas zonas em que ha uma grande in-
tensidade de trafego de dados. Esta abordagem tem como desvantagem o elevado custo
de implementacao.
No projeto LTE (Long Term Evolution) propoe-se a colocacao de celulas mais pequenas
com menor cobertura, chamadas pico-celulas, como alternativa a abordagem anterior.
Estas pico-celulas, apesar de cobrirem uma area menor tem um custo de implementacao
muito inferior ao de uma macro-celula.
A introducao de mais celulas numa rede ja existente pode trazer problemas devido a
interferencia causada pelo elevado numero de celulas e a proximidade entre as mesmas.
O trabalho aqui apresentado pretende estudar a forma como as pico-celulas sao colo-
cadas no sistema de forma a otimizar os resultados proporcionados pela sua introducao.
Os varios cenarios de colocacao das pico-celulas simulados foram analisados atraves da
medicao do valor de SINR (Signal to Noise and Interference Ratio) e dos valores dos
debitos binarios dos utilizadores da rede.
Mostra-se que o resultado da introducao de pico-celulas na rede depende grandemente
das posicoes em que estas sao colocadas, mas que seguindo algumas regras pode ter um
efeito positivo.
E tambem estudada uma tecnica de aumento da cobertura dos sectores das pico-
celulas de modo a que estas sirvam mais utilizadores, desta forma aliviando a carga das
macro-celulas e aumentando o desempenho do sistema.
Palvras-chave: LTE, Pico-celulas, Posicionamento, Interferencia
ii
Abstract
As a way to increase the capacity of the mobile communications network, the service pro-
vider usually chooses to place more macrocells in the areas in which there is a big intensity
of data traffic. This approach has, as a disadvantage, an elevated cost of implementation.
The LTE (Long Term Evolution) project proposes the placement of smaller cells with
smaller coverage, called picocells, as an alternative to the previous approach. These
picocells, despite of covering a smaller area, have a far lower implementation cost than
that of a macrocell.
The introduction of more cells in a previously existent network can bring problems
due to the interference caused by the high number of cells and the proximity between
them.
The work here presented aims to study the way in which the picocells are placed in
the system in order to optimize the results of their introduction. The various scenarios
of picocell placement simulated were analized through the measuring of the SINR (Signal
to Noise and Interference Ratio) value and the values of the throughputs of the network
users.
It is shown that the result of the introduction of picocells in the network greatly
depends on the positions in which these are placed, but by following some rules there can
be a positive outcome.
Furthermore, a technique of increasing the coverage of the picocells’ sectors is also
studied. This technique allows the picocells to serve more users, therefore offloading the
macrocells and increasing system performance.
Keywords: LTE, Picocells, Positioning, Interference
iii
Conteudo
1 Introducao 1
1.1 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Estado da Arte 4
2.1 Long Term Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Rede de Acesso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 OFDMA e SC-FDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Long Term Evolution – Advanced . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Pico-celulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Modelos do Sistema e Simulador 13
3.1 Simulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2 eNodeBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3 Perdas de propagacao (Pathloss) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4 Fast Fading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.5 UEs e Schedulers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5.1 Distribuicao 3GPP Hotspot capacity enhancement . . . . . . . . . . 21
3.5.2 Distribuicao aleatoria uniforme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.5.3 Schedulers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.6 Parametros de simulacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4 Resultados 25
4.1 Colocacao de uma pico-celula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Cenario com duas pico-celulas proximas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3 Cenarios com varias pico-celulas utilizando a distribuicao 3GPP Hotspot
Capacity Enhancement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4 Cenarios com varias pico-celulas utilizando a distribuicao de UEs aleatoria 38
5 Conclusao e Trabalho Futuro 45
iv
Lista de Figuras
1.1 Tendencia de crescimento do trafego mundial de dados moveis (adaptada
de [2]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 Arquitetura geral do GSM, GPRS, UMTS e LTE/EPS (adaptado de [4]) 1 5
2.2 Arquitetura de uma rede LTE (adaptado de [4]) . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Exemplo simplificado do espectro de sub-portadoras do OFDM . . . . . . . 7
2.4 Sımbolo OFDM no domınio temporal [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 Estrutura de Resource Blocks do LTE [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.6 Comparacao entre OFDMA e SC-FDMA [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.7 Ilustracao do funcionamento de alguns modos MIMO . . . . . . . . . . . . 10
2.8 Componentes do LTE-A [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1 Fluxograma de funcionamento do simulador 2 . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 Posicoes dos macro-eNodeBs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Diagrama de radiacao para um sector de uma macro-celula ([15]) . . . . . 17
3.4 Macro-celulas simuladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.1 Posicoes da pico-celula dentro do sector da macro-celula . . . . . . . . . . 26
4.2 Numeracao das posicoes para a colocacao da pico-celula . . . . . . . . . . . 27
4.3 Diagramas de SINR medio total e da pico-celula dependendo da posicao
da pico-celula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.4 Diagramas dos maximos do SINR medio total e da pico-celula dependendo
da posicao da pico-celula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.5 Exemplo da colocacao das duas pico-celulas em referencia a uma posicao
central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.6 Diagramas de SINR medio total e das pico-celulas dependendo da posicao
das pico-celulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.7 Diagramas de SINR medio total e das pico-celulas dependendo da posicao
das pico-celulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.8 Percentagem de pico-celulas simuladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.9 Variacao do SINR medio (Sem CRE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.10 Debito binario medio por utilizador (Sem CRE) . . . . . . . . . . . . . . . 35
v
LISTA DE FIGURAS vi
4.11 Debito binario medio por utilizador das pico-celulas (Sem CRE) . . . . . . 36
4.12 Debito binario do percentil 5 dos utilizadores (Sem CRE) . . . . . . . . . . 37
4.13 Debito binario medio por utilizador (Npico = 6) . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.14 Debito binario medio por utilizador das pico-celulas (Npico = 6) . . . . . . 38
4.15 Debito binario do percentil 5 dos utilizadores (Npico = 6) . . . . . . . . . . 38
4.16 Variacao do SINR medio (Sem CRE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.17 Debito binario medio por utilizador (Sem CRE) . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.18 Debito binario medio por utilizador das pico-celulas (Sem CRE) . . . . . . 40
4.19 Debito binario do percentil 5 dos utilizadores (Sem CRE) . . . . . . . . . . 41
4.20 Debito binario medio por utilizador (Npico = 6) . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.21 Debito binario medio por utilizador das pico-celulas (Npico = 6) . . . . . . 42
4.22 Debito binario medio por utilizador das macro-celulas (Npico = 6) . . . . . 43
4.23 Debito binario do percentil 5 dos utilizadores (Npico = 6) . . . . . . . . . . 44
Lista de Tabelas
2.1 Parametros chave do LTE [13, 14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1 Propriedades do objeto eNodeB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Nova propriedade do objeto eNodeB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Cenarios de propagacao do modelo WINNER II (adaptado de [17]) . . . . 20
3.4 Parametros do UE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.5 Parametros de simulacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.1 Diferenca entre o SINR medio de todas as celulas do cenario com uma
pico-celula no ponto (i, j) e o SINR medio de todas as celulas do cenario
sem pico-celula [dB] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2 Diferenca entre o SINR medio da pico-celula no ponto (i, j) e o SINR medio
de todas as celulas do cenario sem pico-celula [dB] . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3 Diferenca entre o SINR medio de todas as celulas do cenario com duas
pico-celulas centradas no ponto (i, j) e o SINR medio de todas as celulas
do cenario sem pico-celula [dB] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 Diferenca entre o SINR medio das pico-celulas centradas no ponto (i, j) e
o SINR medio de todas as celulas do cenario sem pico-celula [dB] . . . . . 31
4.5 Diferenca entre o SINR medio das celulas todas dos casos com duas pico-
celulas versus os casos com uma pico-celula [dB] . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6 Diferenca entre o SINR medio das pico-celulas dos casos com duas pico-
celulas versus os casos com uma pico-celula [dB] . . . . . . . . . . . . . . . 33
vii
Lista de Abreviacoes
3GPP 3rd Generation Partnership Project
ACK Acknowledgement
AMPS Analogue Mobile Phone System
BLER Block Error Rate
BTS Base Transceiver Station
CLSM Closed Loop Spatial Multiplexing
CQI Channel Quality Indicator
CRE Cell Range Extension
E-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Access Network
EDGE Enhanced Data rates for GSM Evolution
eNB evolved NodeB
eNodeB evolved NodeB
EPC Evolved Packet Core
EPS Evolved Packet System
FFT Fast Fourier Transform
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile Communications
HSPA High Speed Packet Access
ICI Inter-Carrier Interference
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
viii
LISTA DE TABELAS ix
IFFT Inverse Fast Fourier Transform
IMT-A International Mobile Telecommunications – Advanced
IP Internet Protocol
ISD Inter Site Distance
ISI Inter-Symbol Interference
ITU-R International Telecomunications Union – Radiocommunication Sector
LTE 3GPP Long Term Evolution
LTE-A 3GPP Long Term Evolution – Advanced
MCL Minimum Coupling Loss
MCS Modulation and Coding Scheme
MIMO Multiple Input Multiple Output
NB NodeB
NLOS Non-Line Of Sight
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access
PAPR Peak to Average Power Ratio
POTS Plain Old Telephone Service
RN Relay Node
ROI Region of Interest
RSRP Reference Signal Receiving Power
SC-FDMA Single Carrier – Frequency Division Multiple Access
SINR Signal to Interference and Noise Ratio
TD Transmit Diversity
TDMA Time Division Multiple Access
TM Transmission Mode
LISTA DE TABELAS x
TTI Transmission Time Interval
UE User Equipment
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access
WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access
Capıtulo 1
Introducao
O aumento dos servicos de banda larga moveis levou a necessidade de criar sistemas de
comunicacoes moveis capazes de suportar os grandes debitos binarios resultantes. Em
resposta a este aumento de recursos utilizados, em Marco de 2008, a ITU-R (Interna-
tional Telecomunications Union – Radiocommunication Sector) definiu o conjunto de
especificacoes IMT-A (International Mobile Telecommunications – Advanced) [1]. Este
documento visa normalizar as caracterısticas principais de um sistema de comunicacoes
de nova geracao — a chamada 4G.
As duas tecnologias candidatas a esta nova geracao sao o Mobile WiMAX (Worldwide
Interoperability for Microwave Access) — definido na norma IEEE (Institute of Electrical
and Electronics Engineers) 802.16m — e o LTE (3GPP Long Term Evolution) mas estas
nao atingem os objetivos requeridos para serem denominados sistemas 4G. No entanto,
ambas as suas evolucoes, nomeadamente o WiMAX Release 2 e o LTE-A (3GPP Long
Term Evolution – Advanced), sao capazes de superar os objetivos impostos pela ITU,
desta forma podendo ser consideradas tecnologias de 4a geracao. Este trabalho foca-se
nas tecnologia LTE e sua evolucao, ambas definidas nas normas 3GPP (3rd Generation
Partnership Project) Release 8 a 10.
Embora esta tecnologia seja capaz de atingir os requisitos para o 4G, a arquitetura
atual da rede consistente apenas de macro-celulas nao e suficiente para oferecer tais desem-
penhos a um grande numero de utilizadores. Assim, em vez de os operadores melhorarem
a sua cobertura atraves do posicionamento de mais macro-celulas, que sao equipamen-
tos caros, pondera-se a utilizacao de celulas mais pequenas, com menor cobertura — as
chamadas pico-celulas.
As pico-celulas sao formadas por equipamentos mais baratos e com menores consumos
energeticos, sendo portanto ideais para a colocacao em zonas de HotSpot onde e esperada
uma grande concentracao de utilizadores ou para melhorar o servico da rede num aspeto
geral. O seu preco reduzido introduz ainda a possibilidade de o equipamento ser colocado
em casa do cliente para seu uso pessoal, sendo neste caso chamada de femto-celula.
A introducao deste novo tipo de celula dentro das macro-celulas ja existentes leva ao
1
CAPITULO 1. INTRODUCAO 2
aumento da interferencia entre celulas e portanto a sua colocacao deve ser estudada por
forma a que as novas celulas melhorem o desempenho da rede em vez de o piorarem.
1.1 Motivacao
A crescente utilizacao de aplicacoes baseadas na mobilidade e em grandes transferencias
de dados leva por sua vez a crescente procura de servicos de dados moveis. A figura
1.1 ilustra a previsao de crescimento do trafego de dados moveis nos proximos anos. Ao
analisar a tendencia demonstrada na figura, e de notar que estao previstos aumentos da
ordem de 78% para o ano 2013 em comparacao com 2012. Este enorme aumento do
trafego de dados moveis leva a necessidade de implementar uma rede capaz de suportar
os desempenhos exigidos pelos utilizadores.
Figura 1.1: Tendencia de crescimento do trafego mundial de dados moveis (adaptada de[2])
Em 2012, as ligacoes de 4G representaram apenas 0.9% das ligacoes moveis mundiais
e 14% do trafego de dados moveis, no entanto preve-se que estes valores subam consi-
deravelmente para 10% e 45%, respetivamente, no ano 2017. E ainda de realcar que os
dados apresentados na figura 1.1 nao tem em conta o trafego de dados moveis descarre-
gado atraves de dispositivos Wi-Fi ou femto-celulas, que representou, em 2012, 33% do
trafego de dados moveis. Preve-se tambem que este trafego atinja um valor da ordem de
21 EB/mes no ano 2017 [2].
Estas previsoes indicam-nos que tanto a 4a geracao de redes moveis como as femto
e pico-celulas vao representar uma grande parte do trafego de dados moveis. O grande
aumento do numero de pequenas celulas introduz interferencia na rede e portanto a sua
colocacao deve ser estudada com cuidado por forma a minimizar este tipo de problemas.
CAPITULO 1. INTRODUCAO 3
1.2 Estrutura
No capıtulo 2 descrevem-se as tecnologias analisadas ao longo do trabalho e da-se uma
introducao historica as redes de comunicacoes moveis. Posteriormente, descrevem-se os
modelos utilizados para descrever o sistema, no capıtulo 3 bem como as alteracoes efetu-
adas sobre o simulador original para implementar alguns desses modelos. Neste capıtulo
especificam-se tambem os parametros de simulacao utilizados nos varios cenarios testados.
O capıtulo 4 descreve especificamente cada cenario simulado e analisa os resultados das
simulacoes realizadas. Para finalizar, no capıtulo 5 conclui-se sobre os resultados obtidos.
Do trabalho apresentado nesta dissertacao resultou a seguinte submissao para pu-
blicacao:
• P. Serra, A. Rodrigues, “Picocell positioning in an LTE network”, 7o Congresso do
Comite Portugues da URSI, Lisboa, Portugal, 22 de Novembro de 2013. (submetido
para publicacao)
Capıtulo 2
Estado da Arte
A primeira geracao de redes de comunicacoes moveis era formada por varios sistemas
analogicos independentes — por exemplo o AMPS (Analogue Mobile Phone System) uti-
lizado nos EUA. Estes sistemas surgiram nos anos 80 e estavam diretamente relacionados
com a POTS (Plain Old Telephone Service) — a rede de telefonia tradicional.
O GSM (Global System for Mobile Communications) foi a primeira tecnologia digital
de comunicacoes moveis. Ficou conhecida como a tecnologia principal das redes de 2a
geracao (2G). Esta e uma rede orientada a comutacao por circuitos estando assim ligada
a rede de telefonia tradicional. Posteriormente foram criadas redes orientadas a comutacao
por pacotes (ainda pertencentes a 2a geracao), nomeadamente o GPRS (General Packet
Radio Service) e o EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) que funcionam sobre
a mesma rede de nucleo que o GSM. Todas estas tecnologias fazem uso do TDMA (Time
Division Multiple Access) para fornecer o acesso a rede por parte de varios utilizadores.
Posteriormente foi introduzido o UMTS (Universal Mobile Telecommunications Sys-
tem), baseado em W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access), orientado tambem
a comutacao por pacotes. Baseia-se na mesma arquitetura de rede de nucleo que o GSM
e UMTS. Esta e a principal tecnologia da 3a geracao de redes moveis (3G) pois permite
alcancar maiores debitos binarios e melhor qualidade de servico que as solucoes 2G. Ainda
parte das tecnologias 3G, encontra-se o HSPA (High Speed Packet Access), tambem base-
ado em W-CDMA. Este e capaz de debitos binarios superiores aos ate entao obtidos pelo
UMTS.
O LTE e a nova evolucao das comunicacoes moveis. Faz parte do grupo de documentos
3GPP Release 8 que foi finalizado em Dezembro de 2008 [3]. Tambem conhecido como
E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Access Network), representa a rede de acesso do
sistema EPS (Evolved Packet System) [4]. O LTE e a primeira tecnologia com uma
arquitetura completamente orientada para a comutacao de pacotes IP (Internet Protocol).
Baseia-se em tecnicas de OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) no
downlink (ligacao da estacao de base para o utilizador), SC-FDMA (Single Carrier –
Frequency Division Multiple Access) no uplink (ligacao entre o utilizador e a estacao de
4
CAPITULO 2. ESTADO DA ARTE 5
base) e esquemas MIMO (Multiple Input Multiple Output).
A figura 2.1 ilustra a arquitetura das varias tecnologias referidas anteriormente.
Figura 2.1: Arquitetura geral do GSM, GPRS, UMTS e LTE/EPS (adaptado de [4]) 1
2.1 Long Term Evolution
O LTE foi concebido com os seguintes objetivos em vista:
• atrasos reduzidos;
• debitos superiores por utilizador;
• aumento do debito para os utilizadores na cell-edge (uniformizacao do servico);
• custo por bit reduzido, implicando um aumento da eficiencia espectral;
• maior flexibilidade na utilizacao do espectro (quer de bandas novas ou ja existentes);
• arquitetura da rede simplificada;
• mobilidade sem interrupcoes;
• consumos energeticos razoaveis para o terminal movel.
Consequentemente, alguns dos requisitos do LTE sao debitos binarios de pico supe-
riores a 100 Mbps no downlink (aproximadamente 7 vezes superior ao 3GPP Release 6)
e eficiencias espectrais medias por celula na ordem de 1.6 − 2.1 bps/Hz/celula (entre 3
e 4 vezes superior ao obtido pelo 3GPP Release 6). No uplink, pretendem-se debitos
de pico superiores a 50 Mbps e eficiencias espectrais medias por celula na ordem de
1BTS (Base Transceiver Station), NB (NodeB), eNB (evolved NodeB)
CAPITULO 2. ESTADO DA ARTE 6
0.66 − 1.0 bps/Hz/celula, resultando em aumentos de 5 vezes e de 2 a 3 vezes, respe-
tivamente, quando comparados com o 3GPP Release 6. Ha ainda mais flexibilidade na
escolha do servico pois o LTE oferece larguras de banda entre 1.4 MHz e 20 MHz quando
a versao anterior oferecia apenas uma largura de banda (5 MHz) [5].
2.1.1 Rede de Acesso
A arquitetura da rede de acesso do LTE — a E-UTRAN — e composta por apenas um
tipo de no (como ja foi ilustrado na figura 2.1), o eNodeB (evolved NodeB) . Assim,
nao existe uma centralizacao do controlo da rede estando este distribuıdo pelos varios
nos. Ao estabelecer uma arquitetura plana da rede, reduzem-se as latencias do sistema,
melhorando o servico. Revela-se entao necessaria uma forma de comunicacao entre os
varios eNodeB, esta surge sob a forma de interfaces X2. Esta forma de comunicacao
serve para efetuar operacoes de handover, coordenacao da interferencia, entre outras. Os
eNodeB estao ainda ligados ao EPC (Evolved Packet Core) atraves de interfaces S1 por
forma a completarem as transferencias de dados dos utilizadores. Esta arquitetura esta
ilustrada na figura 2.2.
Figura 2.2: Arquitetura de uma rede LTE (adaptado de [4])
2.1.2 OFDMA e SC-FDMA
A interface de radio do LTE e composta por OFDMA no downlink, SC-FDMA no uplink
e esquemas MIMO, como foi referido anteriormente.
CAPITULO 2. ESTADO DA ARTE 7
O OFDMA e baseado na tecnologia OFDM (Orthogonal Frequency Division Multi-
plexing). Esta consiste na divisao do espectro de frequencias em varias sub-portadoras
ortogonais entre si. Esta ortogonalidade e obtida por o maximo de uma sub-portadora
coincidir sempre com um zero de todas as outras. Desta forma, elimina-se a ICI (Inter-
Carrier Interference) e por as sub-portadoras estarem todas muito proximas umas das
outras, garante-se uma eficiencia espectral muito elevada. Esta divisao e ilustrada na
figura 2.3.
Figura 2.3: Exemplo simplificado do espectro de sub-portadoras do OFDM
Outro tipo de interferencia eliminado pelo OFDM e a ISI (Inter-Symbol Interference).
Isto deve-se ao facto de um intervalo de guarda — Cyclic Prefix — ser posto entre cada
sımbolo no domınio do tempo permitindo que a informacao seja recuperada corretamente
mesmo que um sımbolo se sobreponha em parte de outro (figura 2.4).
Figura 2.4: Sımbolo OFDM no domınio temporal [7]
Os processos de modulacao e desmodulacao deste sistema sao efetuados computacio-
nalmente atraves de algoritmos de FFT (Fast Fourier Transform) e IFFT (Inverse Fast
Fourier Transform). Desta forma todas as sub-portadoras sao introduzidas digitalmente
e e apenas necessaria uma frequencia portadora para todo o conjunto de sımbolos OFDM.
No caso de OFDM todas as sub-portadoras sao atribuıdas a um so utilizador, com
o objetivo de aumentar o desempenho da sua ligacao. No caso do OFDMA pretende-
CAPITULO 2. ESTADO DA ARTE 8
se fornecer acesso a rede a multiplos utilizadores atraves da atribuicao de uma ou mais
sub-portadoras a cada um deles.
No LTE, o OFDMA e ainda utilizado em conjunto com TDMA transformando as
dimensoes da frequencia e do tempo numa grelha composta por Resource Blocks que
sao conjuntos de sub-portadoras OFDMA combinados com intervalos de tempo TDMA
(figura 2.5). Estes blocos sao entao distribuıdos pelos varios utilizadores, fornecendo-lhes
servico. A alocacao de um numero maior ou menor de Resource Blocks a cada utilizador
esta relacionada com a largura de banda atribuıda a esse utilizador, permitindo uma maior
flexibilidade do sistema.
Figura 2.5: Estrutura de Resource Blocks do LTE [6]
A utilizacao de OFDMA no downlink permite atingir grandes eficiencias espectrais
e, consequentemente, altos debitos binarios. No entanto, esta tecnologia induz um alto
PAPR (Peak to Average Power Ratio) o que leva a necessidade de utilizar amplificadores
mais lineares, mais caros e com maiores consumos energeticos. Estas desvantagens nao
constituem problema para os equipamentos das estacoes de base — tornando possıvel
utilizar OFDMA no downlink — mas a sua utilizacao em dispositivos moveis levaria a
equipamentos muito complexos e, portanto, muito caros. Desta forma, escolheu-se utilizar
SC-FDMA para o uplink pois tem um baixo PAPR e uma implementacao mais simples
que o OFDMA.
Em vez de utilizar sub-portadoras estreitas e tao juntas como o OFDMA, o SC-FDMA
utiliza sub-portadoras com larguras de banda maiores para cada utilizador. Na figura 2.6
e possıvel observar que cada conjunto de 4 sımbolos e enviado simultaneamente em 4 sub-
CAPITULO 2. ESTADO DA ARTE 9
portadoras diferentes no caso de OFDMA. No entanto, toda a largura de banda utilizada
pelas mesmas 4 sub-portadoras OFDMA e utilizada por apenas uma sub-portadora SC-
FDMA e os sımbolos sao enviados sequencialmente.
Figura 2.6: Comparacao entre OFDMA e SC-FDMA [8]
2.1.3 MIMO
Os esquemas MIMO consistem na utilizacao de varias antenas de transmissao e de rececao.
Existem 8 modos de transmissao MIMO — TM (Transmission Mode):
• TM1 — Single transmit antenna
• TM2 — Transmit diversity
• TM3 — Open loop spatial multiplexing
• TM4 — Closed loop spatial multiplexing
• TM5 — Multi-user MIMO
• TM6 — Closed loop spatial multiplexing, rank = 1
• TM7 — Beamforming
• TM8 — Dual-layer beamforming
Alguns destes modos fazem uso das antenas multiplas para oferecer robustez ao fluxo
de dados enviando a mesma informacao atraves de varias antenas — como e o caso
do TD (Transmit Diversity); outros aproveitam a capacidade de multiplexagem espacial
para enviar fluxos de informacao diferentes atraves de cada antena, aumentando o debito
binario total — por exemplo o CLSM (Closed Loop Spatial Multiplexing); e existem ainda
modos que utilizam o controlo cuidado dos sinais enviados para cada antena por forma a
CAPITULO 2. ESTADO DA ARTE 10
Figura 2.7: Ilustracao do funcionamento de alguns modos MIMO
Tabela 2.1: Parametros chave do LTE [13, 14]
Largura de Banda [MHz] 1.4, 3, 5, 10, 15, 20TTI2mınimo [ms] 1Modulacoes QPSK, 16-QAM, 64-QAMNumero de portos de antenas 1, 2, 4
criarem feixes direcionados aumentando o ganho do conjunto de antenas em determinada
direcao — os modos de Beamforming. Estes casos estao ilustrados na figura 2.7.
Alguns dos parametros chave do LTE estao resumidos na tabela 2.1.
2.2 Long Term Evolution – Advanced
O LTE-Advanced e a evolucao do LTE. Tem como objetivo aumentar os debitos binarios
conseguidos pelo seu predecessor, melhorar as eficiencias espectrais, aumentar o numero
de utilizadores ativos e melhorar o desempenho nos limites das celulas. Os debitos binarios
de pico atingidos por esta especificacao sao de 3 Gbps no downlink e 1.5 Gbps no uplink,
desta forma atingindo os requisitos impostos pelo IMT-A [1].
A principal funcionalidade introduzida pelo LTE-A e a capacidade de agregacao de por-
tadoras (carrier aggregation). Esta funcao permite atingir larguras de banda ate 100 MHz
(5 vezes superior ao maximo permitido pelo LTE). Cada portadora individual e referida
como uma “componente”, cada componente pode ter uma largura de banda das permiti-
das pela norma LTE (1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz) e um maximo de 5 componentes podem
ser agregadas (5 × 20 Mhz = 100 MHz). As componentes podem pertencer a mesma
banda (sendo adjacentes ou nao) ou ate serem de bandas de frequencia diferentes; podem
tambem ter larguras de banda diferentes entre elas (figura 2.8).
O LTE-A apresenta tambem esquemas MIMO de maior ordem (ate 8x8) e suporte para
Relay Nodes. Um RN (Relay Node) consiste numa estacao de base que se liga atraves de
uma interface radio a outra estacao de base chamada doadora que por sua vez estabelece
a ligacao a rede de nucleo. Estes permitem aumentar a cobertura do sinal de radio em
locais onde a instalacao de um cabo que interligue a estacao de base a rede de nucleo seria
2TTI (Transmission Time Interval)
CAPITULO 2. ESTADO DA ARTE 11
Figura 2.8: Componentes do LTE-A [9]
muito complicada.
2.3 Pico-celulas
Uma pico-celula e uma estacao de base cujo sinal cobre uma area reduzida. Ao diminuir
a area de cobertura, diminui-se a distancia entre o utilizador e a estacao de base, desta
forma aumentando o SINR (Signal to Interference and Noise Ratio) — indicando uma
melhoria da qualidade do sinal recebido.
A forma mais comum de aumentar o SINR e a colocacao de mais estacoes de base.
No entanto, a colocacao de macro-celulas e bastante dispendiosa devido ao custo do
equipamento, os custos de colocacao do equipamento (muitas vezes em lugares de difıcil
acesso ou alugado a terceiros) bem como custos de funcionamento e de manutencao (as
macro-celulas utilizam equipamentos complexos). Assim, surgiu o conceito de pico-celula,
uma estacao de base com menor cobertura de sinal (menor potencia de emissao) mas
menos dispendiosa de implementar.
As celulas pequenas podem ser utilizadas de varias formas:
1. No exterior (outdoor)
2. Em ambientes empresariais (indoor)
3. Dentro de casa dos clientes (indoor)
No primeiro caso, as celulas sao tipicamente colocadas pelo operador para cobrir zonas
onde e esperado um trafego intenso (Hotspots). Na perspetiva do operador, e preferıvel
colocar pico-celulas nestas zonas do que macro-celulas pois a area que se pretende cobrir
e pequena (logo nao se justifica utilizar celulas com coberturas muito grandes) mas o
numero de utilizadores e elevado.
Nos casos 2 e 3, o equipamento das celulas e vendido ao cliente para aumentar a
cobertura do sinal dentro de um espaco fechado — no caso 2 o edifıcio da empresa, no
caso 3 a casa do cliente. Nestes casos, o equipamento e instalado pelo cliente tornando a
CAPITULO 2. ESTADO DA ARTE 12
localizacao da nova celula desconhecida para o operador — o que pode levar a problemas
de gestao da interferencia. No caso em que a celula e colocada dentro de casa (indoor),
passa a ser denominada uma femto-celula ou Home eNodeB.
As femto-celulas sao instaladas pelo cliente e tem uma potencia de emissao mais baixa
que as pico-celulas. Podem tambem ter polıticas de acesso diferentes:
• Open Access
• Closed Access
Na situacao de open access (acesso aberto), a celula esta publicamente disponıvel
para todos os utilizadores, quer estes sejam os donos da celula ou nao (por exemplo um
utilizador que esteja a passar a porta de casa de um cliente que comprou a femto-celula).
Na situacao de closed access (acesso fechado), a femto-celula esta apenas disponıvel para
um grupo de utilizadores restrito gerido pelo cliente que comprou a celula.
No caso das pico-celulas, estas utilizam usualmente uma polıtica de acesso aberto (open
access) pois sao colocadas pelo operador em zonas de hotspot e pretende-se aumentar a
qualidade do servico nessa area para todos os utilizadores.
Como o objetivo das pico-celulas e o offload de parte do trafego da macro-celula, foi
ainda introduzida a ideia de um valor de bias que influenciasse a escolha por parte de um
UE sobre qual a celula a que se deve ligar. A esta tecnica deu-se o nome de CRE (Cell
Range Extension) [10] e e aplicada da forma descrita na equacao (2.1).
CellIDserving = arg maxi{RSRPi + biasi} (2.1)
onde:
• CellIDserving e o identificador da celula que vai servir o UE em questao;
• RSRPi (Reference Signal Receiving Power) e a potencia de emissao medida pelo
UE atraves dos sinais de referencia do LTE para cada celula i;
• biasi e o valor de bias atribuıdo a celula i.
Atribuindo um valor de bias as pico-celulas e possıvel aumentar a sua cobertura sem
aumentar a sua potencia de emissao. Desta forma, ha um maior offload das macro-celulas
sem a introducao de mais pico-celulas.
Como o espectro eletromagnetico e um recurso limitado, todas as estacoes de base da
rede funcionam sobre a mesma frequencia central. As varias estacoes de base (pico, femto
ou macro) vao criar interferencia umas com as outras e por isso, a colocacao das celulas
pequenas introduzidas na rede ja existente deve ser estudada para reduzir este efeito.
Neste trabalho, por questoes de simplicidade de implementacao do simulador, optou-se
por utilizar apenas a variante de pico-celula com a polıtica de acesso aberta.
Capıtulo 3
Modelos do Sistema e Simulador
3.1 Simulador
Os cenarios estudados neste trabalho foram simulados atraves do simulador “LTE Down-
link System Level Simulator” (v1.6r885) [11] desenvolvido pela Vienna University of Te-
chnology. Este simulador baseia-se no software MATLAB [12] e esta orientado para a
simulacao ao nıvel da ligacao e do sistema LTE. Assim, e possıvel simular cenarios cujo
objetivo seja refletir os efeitos do planeamento de celulas, scheduling ou interferencia. O
funcionamento do simulador e resumido no fluxograma da figura 3.1.
Os blocos representados na figura 3.1 a azul sao os blocos onde nao foram efetuadas
alteracoes. Os blocos a laranja sofreram modificacoes e os blocos a verde foram acrescen-
tados.
O simulador comeca por receber do utilizador todos os parametros que definem o
cenario que se pretende simular. Depois desta inicializacao foi introduzido um novo con-
junto de operacoes que consiste em preparar as variaveis que vao receber os valores dos
resultados medios do cenario ou conjunto de cenarios testados.
Entramos agora no primeiro ciclo da simulacao. Este ciclo foi introduzido para permitir
simular varias vezes o mesmo tipo de cenario com o objetivo de obter um resultado medio
apos varias simulacoes.
Este ciclo comeca pelo calculo dos valores que vao permanecer constantes durante cada
simulacao. Para tal comeca-se pela criacao dos objetos dos eNodeBs, os mapas para o
pathloss macroscopico (sem fading) e do shadow fading (de variacao lenta), depois criam-
se os objetos dos utilizadores e dos schedulers e por fim e gerado o mapa do fast fading
(de variacao rapida). A forma como o simulador efetua os calculos destes valores esta
especificada em maior pormenor nas seccoes 3.2, 3.3, 3.4 e 3.5.
De seguida inicia-se o ciclo principal de simulacao. Este ciclo e executado ate o numero
de TTIs simulados atingir o valor especificado (TTIfinal). Dentro deste ciclo, os utiliza-
1UE (User Equipment), MCS (Modulation and Coding Scheme), BLER (Block Error Rate), CQI(Channel Quality Indicator), ACK (Acknowledgement)
13
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 14
Figura 3.1: Fluxograma de funcionamento do simulador 1
dores sao movimentados de acordo com a sua posicao atual e a direcao e velocidade a que
se deslocam, os eNodeBs recebem os dados de feedback dos utilizadores e e feito o novo
escalonamento dos UEs para utilizacao no proximo TTI simulado. Depois e utilizado um
modelo de qualidade da ligacao que a partir do estado do canal calcula o SINR, seguido
por um modelo de desempenho da ligacao que a partir do SINR calculado anteriormente
obtem o novo CQI (Channel Quality Indicator) — uma medida da qualidade do canal
enviada em feedback para o eNodeB no proximo TTI. Calcula tambem o esquema de
modulacao e codificacao (MCS) — dado pelo scheduler e diretamente obtido a partir do
CQI de feedback — e partindo destes valores obtem uma aproximacao do valor de BLER
(Block Error Rate). Este valor e indicativo da qualidade da ligacao. Para terminar o ciclo
e enviado o feedback para os eNodeBs com o valor de CQI calculado anteriormente.
Quando o numero de TTIs simulados atinge o valor final pretendido (TTIfinal), os
resultados obtidos da simulacao sao juntos aos obtidos em simulacoes anteriores para
calculo de resultados medios (bloco a verde). A media dos resultados obtidos oferece uma
maior certeza da veracidade do resultado do que o resultado obtido a partir de apenas
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 15
uma simulacao. Este valor medio tem tendencia a convergir num valor final com cada
nova simulacao efetuada. Desta forma, sao definidas a partida tolerancias para os valores
pertinentes dos resultados — nos casos simulados: o debito medio por UE, o debito
medio por UE de pico-celula e o debito medio do percentil 5 dos UEs (cell edge). Estas
tolerancias sao utilizadas como fator de decisao para parar a simulacao.
As equacoes (3.1) e (3.2) representam este fator de decisao. Ri representa o valor
medio dos resultados r das i simulacoes ja efetuadas. εR representa a tolerancia dada ao
valor em teste. Quando os valores de ∆R,i calculados para a nova simulacao i e para todos
os resultados que se pretendem incluir nesta decisao se tornam inferiores as tolerancias
escolhidas para cada um deles, entao termina-se este conjunto de simulacoes e passa-se
ao cenario seguinte.
Ri =
∑ij=1 rj
i(3.1)
∆R,i =∣∣Ri −R(i−1)
∣∣ < εR (3.2)
Como os resultados tendem para um valor final fixo a medida que o numero de si-
mulacoes aumenta, entao pode-se dizer que o erro do resultado medido e inferior a to-
lerancia escolhida. Assim escolheram-se os resultados do debito binario medio por uti-
lizador, debito binario medio por utilizador das pico-celulas e debito binario medio do
percentil 5 como fatores determinantes para terminar as simulacoes do cenario corrente.
As tolerancias escolhidas sao de 0.1 Mb/s para todos os valores referidos.
Alem de proporcionar um fator de decisao dependente do erro obtido, a introducao
deste bloco de calculo dos resultados medios representa um aumento do desempenho do
simulador. Da forma como o simulador esta programado, quando este acaba um ciclo de
TTIs, ele guarda todos os dados calculados num ficheiro e apaga-os da memoria RAM
do computador. Ao por estes calculos dentro do primeiro ciclo da simulacao, podemos
realiza-los assim que o simulador acaba o segundo ciclo da simulacao antes de os eliminar
da memoria. Caso contrario, seria necessario realizar todas as simulacoes primeiro e depois
carregar os ficheiros de resultados para a memoria RAM um a um para extrair os valores
que se pretende utilizar e depois voltar a eliminar os dados da memoria. Esta operacao
e muito pesada computacionalmente pois as leituras do disco rıgido sao lentas e a forma
como o MATLAB elimina dados da memoria e tambem muito lenta.
3.2 eNodeBs
Os eNodeBs sao caracterizados pelo simulador atraves de um objeto com as seguintes
propriedades: tipo de eNodeB, tipo de antena, potencia maxima de emissao, ganho de
antena maximo e posicao. A tabela 3.1 descreve os parametros utilizados para este objeto
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 16
quando se trata de um eNodeB do tipo macro ou do tipo pico.
Tabela 3.1: Propriedades do objeto eNodeB
Tipo de eNodeB Macro PicoTipo de antena TR 36.942 OmnidirecionalPotencia maxima de emissao 49 dBm 30 dBmGanho maximo da antena 15 dBi 5 dBi
A este objeto foi adicionada outra propriedade chamada bias de CRE que assume
os valores da tabela 3.2. Este parametro tem varios valores possıveis para o caso dos
pico-eNodeBs que serao posteriormente testados.
Tabela 3.2: Nova propriedade do objeto eNodeB
Tipo de eNodeB Macro PicoBias de CRE 0 dB 0, 8, 16 dB
Figura 3.2: Posicoes dos macro-eNodeBs
Os objetos dos eNodeBs sao gerados pelo codigo do simulador e as suas posicoes sao
calculadas para formar o cenario de aneis concentricos no caso dos macro-eNodeBs (figura
3.2), ou sao aleatoria e homogeneamente distribuıdos no caso dos pico-eNodeBs. Para
haver controlo sobre o posicionamento dos pico-eNodeBs, alterou-se o simulador para que
este aceite uma lista de posicoes pre-calculadas para as pico-celulas como exemplificado
em (3.3).
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 17
x1 y1
x2 y2...
...
xn yn
(3.3)
Onde xi, yi representa a posicao do pico-eNodeB i dentro da regiao de interesse —
ROI (Region of Interest). Estas posicoes podem ser totalmente aleatorias, aleatorias mas
condicionadas ou mesmo pre-planeadas como se verificara nas simulacoes realizadas no
capıtulo 4.
O diagrama de radiacao das antenas de cada sector das macro-celulas e o descrito na
recomendacao da 3GPP TR 36.942 [15]. Definido na equacao (3.4).
A (θ) = −min
[12
(θ
θ3dB
)2
, Am
], −180◦ ≤ θ ≤ 180◦ (3.4)
onde:
• θ3db = 65◦ e a largura do feixe a 3 dB
• Am = 20 dB e a atenuacao maxima
Figura 3.3: Diagrama de radiacao para um sector de uma macro-celula ([15])
O diagrama de radiacao resultante e o da figura 3.3. O ganho maximo da antena
e G = 15 dBi que e agora somado a atenuacao calculada anteriormente. Este diagrama
aplica-se aos casos em que cada macro-celula da rede esta dividida em 3 sectores diferentes,
cada um com a sua antena e um diagrama de radiacao com aproximadamente 120◦ de
abertura.
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 18
No caso das pico-celulas, e utilizado um diagrama de radiacao omnidirecional (A(θ) =
0 dB) e com ganho de antena G = 5 dBi, existindo apenas um sector por pico-celula.
3.3 Perdas de propagacao (Pathloss)
O modelo utilizado no calculo das perdas de propagacao macroscopicas e o sugerido pela
3GPP no documento TR 36.942 [15]. Este modelo consiste de dois cenarios diferentes:
urbano e rural. No caso presente utiliza-se o modelo urbano.
Este modelo rege-se atraves de um valor de MCL (Minimum Coupling Loss) e uma
expressao para as perdas de propagacao dadas por (3.5) e (3.6) para o caso urbano.
MCL = 70 dB (3.5)
L = 40(1− 4 · 10−3 ·Dhb
)log10 (R)− 18 log10 (Dhb) + 21 log10 (f) + 80 [dB] (3.6)
onde:
• R e a distancia em km entre a estacao de base e o utilizador
• f e a frequencia da portadora em MHz
• Dhb e a altura da antena da estacao de base em metros, medida a partir da altura
media dos telhados
Utilizando uma frequencia de portadora de f = 2000 MHz e uma altura da antena
Dhb = 15 m, obtem-se a relacao:
PLdB = 128.1 + 37.6 log10 (R) [dB] (3.7)
O simulador comeca por definir a sua ROI: uma area grande o suficiente para incluir
todos os eNodeBs especificados, tendo em conta a ISD (Inter Site Distance) especificada
(500 metros nos cenarios aqui testados). Esta area e representada por uma matriz em que
cada ponto da matriz representa uma pequena area do mapa especificada pela resolucao
que o utilizador pretende.
Apos obter este conjunto de pontos uniformemente distribuıdos pela regiao de inte-
resse, da-se inıcio ao calculo do mapa das perdas de propagacao. Assim, utilizando as
expressoes de (3.5) e (3.6), para cada ponto (x, y) e para cada sector, isec, de cada eNodeB
o simulador vai calcular as perdas de propagacao PLdB,x,y,isec obtendo uma matriz de duas
dimensoes para cada sector analisado. Este calculo tem em atencao o diagrama de antena
de cada sector de celula analisado.
Partindo deste resultado, calcula-se a potencia de rececao para cada ponto (x, y) da
ROI e para cada sector isec como se descreve na equacao (3.8).
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 19
PR,x,y,isec =PT,isec
10PLdB,x,y,isec/10 × Lshadow fading
, ∀(x,y)∈ROI∀isec (3.8)
onde PT,isec e a potencia de emissao de cada eNodeB pertencente ao sector isec, PLdB,x,y,isec
sao as perdas de percurso (pathloss) em cada ponto (x, y) para o eNodeB isec e Lshadow fading
sao as perdas devido ao shadow fading.
O shadow fading (variacao lenta) e modelado utilizando o modelo de Claussen [16].
Este modelo cria um mapa de duas dimensoes com uma distribuicao log-normal em que
cada ponto do espaco esta correlacionado com 4 ou 8 dos seus vizinhos (8 nos casos aqui
demonstrados).
De seguida calculam-se os valores de SNR e SINR para cada ponto do mapa e para
cada sector:
SNRx,y,isec =PR,x,y,isec
NT
(3.9)
SINRx,y,isec =PR,x,y,isec
NT +∑
jsecPR,x,y,jsec − PR,x,y,isec
(3.10)
SNRdB,x,y,isec = 10 log10 (SNRx,y,isec) (3.11)
SINRdB,x,y,isec = 10 log10 (SINRx,y,isec) +biasdB,isec (3.12)
onde NT representa o ruıdo termico do equipamento de rececao e o parametro biasdB,isec
foi adicionado ao simulador original e representa o valor de bias utilizado na tecnica CRE
para cada eNodeB isec. Aqui, atribui-se um valor de bias de 0 dB para os sectores de
celulas macroscopicas e um valor superior para as pico-celulas. Este valor e introduzido
para afetar a escolha do sector a que cada ponto pertence e e posteriormente removido
para nao afetar o valor final do SINR.
De seguida calculam-se os valores de SNR e SINR para cada ponto do mapa sem
dependencia do sector, isto e, obtem-se apenas os valores associados ao sector isec que for-
nece melhor cobertura. Isto e concretizado escolhendo, para cada ponto da ROI, o sector
isec que oferece um maior valor de SNR ou SINR. Obtem-se ainda qual o identificador de
sector (isec) que da cobertura a cada ponto do mapa (Sector).
SNRdB,x,y = maxisec{SNRdB,x,y,isec} (3.13)
Sectorx,y = arg maxisec{SINRdB,x,y,isec} (3.14)
SINRdB,x,y = maxisec{SINRdB,x,y,isec}−biasdB,jsec , jsec = Sectorx,y (3.15)
O calculo a azul na equacao (3.15) representa a subtracao do valor de bias correspon-
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 20
dente ao sector a que o ponto (x, y) a ser calculado pertence. Desta forma, a introducao
do parametro biasdB,isec foi utilizada na decisao sobre a que sector determinado ponto
pertence (aumentando a area coberta pelos sectores com um bias maior — pico-celulas)
mas foi depois retirado aquando do calculo final do SINR na equacao (3.15), nao alterando
este valor.
Neste ponto da simulacao, temos varias matrizes com os valores de SNR, SINR, e o
Sector correspondentes a todos os pontos (x, y) da ROI.
3.4 Fast Fading
O modelo que o simulador utiliza para o calculo do fast fading e o modelo WINNER II
[17]. Este projeto inclui modelos de propagacao e modelos de Cluster Delay Line que
podem usados para descrever tanto o shadow fading como o fast fading. No entanto,
utiliza-se apenas a parte do modelo que descreve o fast fading. O projeto WINNER
suporta larguras de banda superiores a 20 MHz, bandas de frequencia entre os 2-6 GHz
bem como cenarios indoor e outdoor-indoor (de fora do edifıcio para dentro).
O WINNER e composto por varios cenarios descritos na tabela 3.3
Tabela 3.3: Cenarios de propagacao do modelo WINNER II (adaptado de [17])
Cenario DefinicaoA1 Indoor office / residentialA2 Indoor to outdoorB1 Typical urban micro-cellB2 Bad urban micro-cellB3 Large indoor hallB4 Outdoor to indoor micro-cellB5a LOS stat. feeder, rooftop to rooftopB5b LOS stat. feeder, street-level to street-levelB5c LOS stat. feeder, below-rooftop to street-levelB5d NLOS stat. feeder, above rooftop to street-levelB5f Feeder link BS → FRS. Approximately RT to RT levelC1 SuburbanC2 Typical urban macro-cellC3 Bad urban macro-cellC4 Outdoor to indoor macro-cellD1 Rural macro-cell
D2a) Moving networks: BS – MRS, ruralb) Moving networks: MRS – MS, rural
Dos cenarios descritos, os que tem um maior interesse para os cenarios simulados sao:
B1, B2, C2 e C3; pois sao os relacionados com pico e macro-celulas em ambiente urbano.
Como o simulador utilizado aplica o mesmo modelo a todos os eNodeBs igualmente (sejam
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 21
pico ou macro eNodeBs), entao optou-se por escolher o cenario C3 – Bad urban macro-cell
(este e tambem o cenario utilizado por defeito pelo simulador).
O modelo C3 descreve cenarios urbanos com edifıcios de alturas variadas nao ho-
mogeneas. Tem um atraso de propagacao e dispersao angular altos e condicoes sem linha
de vista — NLOS (Non-Line Of Sight).
3.5 UEs e Schedulers
Os equipamentos de utilizador (UEs) sao caracterizados pelo simulador atraves dos parametros
da tabela 3.4.
Tabela 3.4: Parametros do UE
Fator de ruıdo 9 dBDensidade de ruıdo termico -174 dBm/HzVelocidade do equipamento 3 km/h
Estes valores descrevem o equipamento recetor individualmente, no entanto existem
ainda varias formas de distribuir os UEs pela ROI. Originalmente o simulador apenas
dispunha de uma distribuicao com um numero constante de UEs por celula. Esta distri-
buicao nao diferencia entre o tipo de celula em que o UE se encontra (pico ou macro) e
portanto nao e adequada para esse tipo de cenario. Assim foram introduzidas duas novas
distribuicoes para posterior utilizacao:
• Distribuicao 3GPP TR 36.814, tabela A.2.1.1.2-4 4a (Hotspot capacity enhance-
ment) [18]
• UEs distribuıdos de forma aleatoria e uniforme pelas celulas centrais
3.5.1 Distribuicao 3GPP Hotspot capacity enhancement
Esta distribuicao de UEs e a distribuicao 4a apresentada na tabela A.2.1.1.2-4 da reco-
mendacao TR 36.814 da 3GPP [18]. Esta e utilizada para simulacoes de melhoramento
da capacidade das celulas em casos de hotspots, isto e, zonas com um grande numero de
utilizadores. O numero de UEs por regiao geografica de macro-celula e constante NUE
mas esta dividido entre a macro-celula (NUE,macro) e as pico-celulas que se encontram
dentro da macro-celula (NUE,pico). A 3GPP define NUE com um valor de 30 ou 60 em
cenarios com fading — escolheu-se NUE = 30 nos cenarios simulados.
O numero de pico-celulas colocadas dentro de cada area macro (Npico) e igual para
todas as macro-celulas e pode assumir valores de 1, 2, 4, 10 (um valor de Npico igual a 6
foi tambem utilizado).
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 22
Posteriormente da-se inıcio a colocacao dos UEs. O numero de UEs colocados em cada
pico-celula e dado por:
NUE,pico =
⌊NUE
15
⌋(3.16)
e o numero de UEs por cada macro-celula e o restante dos UEs totais:
NUE,macro = NUE −NUE,pico ×Npico (3.17)
O UEs sao distribuıdos uniformemente sobre a area da celula a que pertencem, seja
uma pico-celula ou uma macro-celula.
Para evitar que os UEs das celulas exteriores do mapa (que sofrem menos interferencia
das celulas adjacentes) interfiram com o resultado medio de todos os UEs, apenas sao
analisados os UEs nas celulas centrais do mapa, isto e, os sectores da macro-celula central
(a vermelho na figura 3.4) e todas as pico-celulas que se encontrem no interior desta
macro-celula. Como o simulador nao tem em conta a interferencia entre utilizadores
(pois e desprezavel face a interferencia entre celulas), a remocao destes UEs nao provoca
qualquer modificacao nos resultados e portanto os UEs sao apenas colocados nas celulas
referidas.
Figura 3.4: Macro-celulas simuladas
3.5.2 Distribuicao aleatoria uniforme
Nesta distribuicao pretende-se que o numero de UEs que estao conectados a um eNodeB
nao seja constante como no caso anterior. Sendo constante, e impossıvel testar tecnicas
de extensao dos sectores das pico-celulas como e o caso da tecnica CRE.
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 23
Assim, sao eleitos todos os pontos da ROI em que e possıvel inserir um UE. A se-
melhanca da distribuicao anterior, evita-se a colocacao de UEs nas zonas exteriores da
ROI para evitar que os seus valores interfiram com os resultados medios dos UEs que
se encontram no centro do mapa. Portanto, escolhem-se apenas os pontos pertencentes
a macro-celula central (a vermelho na figura 3.4) e a todas as pico-celulas que tenham
sido inseridas no seu interior. A partir desta lista de coordenadas (x, y) escolhe-se ale-
atoriamente um ponto para cada UE que se pretende simular ate atingir o numero de
UEs pretendido — nos casos simulados com esta distribuicao, utilizou-se NUE = 30. Os
UEs sao colocados em cada celula de modo aleatorio, tendo maior probabilidade de se-
rem introduzidos numa celula com uma area maior (e portanto mais pontos da ROI) do
que numa celula com area menor, sendo portanto possıvel testar os efeitos de tecnicas de
extensao de celulas.
3.5.3 Schedulers
Tendo definidos os conjuntos de eNodeBs e de UEs, com as suas localizacoes e as celulas a
que cada UE esta ligado, o simulador inicializa agora os schedulers de cada eNodeB. Nos
cenarios simulados, o scheduler utilizado e o “round-robin” em que todos os utilizadores
sao tratados sem a existencia de prioridades, isto e, os recursos disponıveis sao distribuıdos
uniformemente.
3.6 Parametros de simulacao
Os parametros da tabela 3.5 sao os parametros de simulacao comuns. Nalguns cenarios,
alguns destes parametros nao sao utilizados e as modificacoes sao referidas na descricao
do cenario.
CAPITULO 3. MODELOS DO SISTEMA E SIMULADOR 24
Tabela 3.5: Parametros de simulacao
Parametro Valor(es)Frequencia central 2 GHzLargura de Banda 20 MHzNumero de antenas de emissao 4Numero de antenas de rececao 4ISD (Inter Site Distance) 500 mModo MIMO CLSMNumero de TTIs simulados 100Potencia de emissao da macro-celula 49 dBmPotencia de emissao da pico-celula 30 dBmFator de ruıdo do UE 9 dBDensidade de ruıdo termico do UE -174 dBm/HzScheduler round-robinNumero de pico-celulas por sector 2, 4, 6CRE bias 0, 8 ,16 dBDistancia mınima entre o pico-eNodeB e o macro-eNodeB 75 mDistancia mınima entre pico-eNodeBs 40 m
Capıtulo 4
Resultados
Neste capıtulo, os modelos e o simulador descritos no capıtulo 3 sao postos em funciona-
mento simulando diversos cenarios com pico-celulas.
4.1 Colocacao de uma pico-celula
Os primeiros cenarios a serem simulados sao compostos por uma grelha hexagonal com
distancia entre macro-eNodeBs igual a descrita na tabela 3.5 (500 metros) e apenas um
pico-eNodeB colocado no mapa. A posicao deste pico-eNodeB e variada de cenario para
cenario com o intuito de estudar os efeitos que a sua colocacao tem na qualidade do sinal
do sistema. Este pico-eNodeB tem um valor de bias de CRE igual a 0 dB.
Comecemos entao por analisar as posicoes onde vai ser colocada a pico-celula. As
macro-celulas em analise sao compostas por 3 sectores de 120o. Estes sectores vao impor
padroes de SINR radialmente simetricos dentro dos referidos 120o. Assim, ao analisar
um segmento de cırculo com 60o de abertura centrado na macro-celula central estamos
a analisar todas as posicoes diferentes que a pico-celula pode assumir dentro da macro-
celula, como se pode observar na figura 4.1.
As marcas na figura 4.1 assinalam as posicoes onde vai ser colocada a pico-celula para
simulacao. Estas posicoes variam num angulo entre 0 e 60o com passos de 5o medido a
partir da horizontal e distancias entre os 75 e 250 metros do centro da celula com passos
de 25 metros — 75 m e o limite mınimo imposto pela 3GPP [18], como foi referido na
tabela 3.5, e 250 m e o limite da orla exterior da macro-celula (ISD/2).
Para ajudar a identificacao de cada posicao, foram numeradas de acordo com a figura
4.2.
Ao analisar todas estas posicoes para a pico-celula, pretende-se obter uma percecao de
quais sao as melhores areas para colocar uma pico-celula no interior de uma macro-celula.
Esta simulacao e realizada sem haver interferencia de outras pico-celulas que pudessem
existir na proximidade da primeira.
25
CAPITULO 4. RESULTADOS 26
Figura 4.1: Posicoes da pico-celula dentro do sector da macro-celula
O resultado analisado nestas simulacoes e o SINR. Como o simulador gera um mapa
com uma dada resolucao e calcula o valor do SINR para cada ponto desse mapa, entao,
como forma de comparar os resultados dos varios cenarios testados, calcula-se o valor
medio do SINR de todos os pontos do mapa — obtendo-se uma medida da qualidade
geral do sinal — e o valor medio do SINR dos pontos pertencentes a pico-celula colocada
— medindo-se a qualidade do sinal nessa area.
Atraves destas medicoes, geraram-se os diagramas da figura 4.3, respetivamente do
SINR medio geral e do SINR medio da pico-celula.
Cada ponto do diagrama representa a posicao em que a pico-celula foi colocada para
o cenario simulado. O valor medio do SINR calculado em cada caso esta representado
atraves do sistema de cores utilizado para os pontos referidos. Neste caso, uma posicao da
pico-celula que de resultado a um SINR medio total baixo, por exemplo, dara origem a um
ponto no diagrama colocado na posicao da pico-celula referida e com uma cor fria (azul).
Por outro lado, uma colocacao que de origem a um SINR alto esta representada por uma
cor quente (vermelho). No caso da figura 4.3 b, existem ainda pontos representados a
preto que correspondem a posicoes da pico-celula cuja interferencia da macro-celula e tao
elevada que o sinal da pico-celula nao foi suficientemente forte para levar a criacao de um
novo sector, logo nao existe uma medida do SINR medio da nova celula.
Na tabela 4.1 estao apresentados os valores da diferenca entre o valor do SINR medio
de todas as celulas do cenario em causa (em dB) e o valor de SINR de um cenario composto
apenas por macro-celulas (em dB, tambem). A expressao (4.1) representa a medida aqui
descrita:
SINRcom pico (i,j),dB − SINRsem pico,dB [dB] (4.1)
Devido as grandes dimensoes do mapa simulado, as alteracoes provocadas pela in-
CAPITULO 4. RESULTADOS 27
Figura 4.2: Numeracao das posicoes para a colocacao da pico-celula
troducao do um novo sector da pico-celula sao muito reduzidas.
A tabela 4.1 demonstra que, para todas as posicoes da pico-celula simuladas, a in-
troducao de uma nova celula nao afeta significativamente o valor de SINR da rede. No
entanto, o facto de o SINR medio total se manter quase constante nao significa que o
debito binario total do sistema nao venha a sofrer alteracoes pois a nova celula estara a
retirar trafego a macro-celula distribuindo melhor os recursos da rede.
A tabela 4.2 e semelhante a tabela 4.1 exceto que o valor de SINR que esta a ser
comparado com o valor de referencia deixou de ser o SINR medio de todos os pontos do
mapa, para ser o SINR medio dos pontos pertencentes a pico-celula.
Analisando estes valores de SINR medio radialmente ao longo de cada angulo simulado
em busca de pontos de maximos locais, obtem-se os resultados ilustrados na figura 4.4.
Onde os pontos de maximo estao representados com a cor vermelha.
Na figura 4.4 a podemos observar que, para cada angulo, uma das posicoes associadas
a um maximo e a mais junta ao centro da macro-celula. Isto deve-se ao facto de nesta
situacao nao ser criado um novo sector para a pico-celula devido a uma forte interferencia
da macro-celula (como observado na figura 4.3 b). Para posicoes progressivamente mais
distantes do centro da macro-celula, a interferencia causada pelo sinal da pico-celula no
sinal da macro-celula torna-se cada vez mais significativa diminuindo o SINR, desta forma
criando um maximo local junto ao centro da macro-celula.
CAPITULO 4. RESULTADOS 28
( a) SINR medio total ( b) SINR medio da pico-celula
Figura 4.3: Diagramas de SINR medio total e da pico-celula dependendo da posicao dapico-celula
Tabela 4.1: Diferenca entre o SINR medio de todas as celulas do cenario com uma pico-celula no ponto (i, j) e o SINR medio de todas as celulas do cenario sem pico-celula[dB]
j 1 2 3 4 5 6 7 8i θ[o]\d[m] 75 100 125 150 175 200 225 250
1 0 -0.007 -0.009 -0.012 -0.013 -0.014 -0.014 -0.013 -0.0112 5 -0.007 -0.009 -0.012 -0.013 -0.014 -0.014 -0.013 -0.0103 10 -0.007 -0.009 -0.012 -0.013 -0.014 -0.014 -0.013 -0.0104 15 -0.007 -0.009 -0.011 -0.013 -0.014 -0.014 -0.012 -0.0095 20 -0.007 -0.009 -0.011 -0.013 -0.014 -0.013 -0.011 -0.0086 25 -0.006 -0.009 -0.011 -0.012 -0.013 -0.012 -0.009 -0.0067 30 -0.006 -0.009 -0.011 -0.012 -0.012 -0.011 -0.008 -0.0058 35 -0.006 -0.008 -0.010 -0.011 -0.011 -0.009 -0.007 -0.0059 40 -0.006 -0.008 -0.010 -0.010 -0.009 -0.008 -0.006 -0.00610 45 -0.006 -0.008 -0.009 -0.009 -0.008 -0.007 -0.006 -0.00711 50 -0.006 -0.008 -0.009 -0.008 -0.006 -0.006 -0.007 -0.00912 55 -0.006 -0.007 -0.008 -0.007 -0.006 -0.005 -0.007 -0.01013 60 -0.006 -0.007 -0.008 -0.007 -0.005 -0.005 -0.007 -0.011
A outra posicao associada a um maximo do SINR encontra-se junto a orla da celula.
Aqui, o sinal proveniente da macro-celula e suficientemente fraco para que o sinal da
nova celula colocada (pico-celula) seja o predominante, dando origem a um novo sector.
Quanto mais afastado do centro da macro-celula este novo sector estiver, mais fraca
sera a interferencia causada pela mesma e portanto maior sera o SINR. Nos angulos mais
elevados (mais ıngremes na figura 4.4 a), a posicao de maximo nao se encontra no extremo
da macro-celula porque a interferencia causada pelo sector da macro-celula vizinha mais
proxima nessa direcao se torna muito elevada (figura 4.1).
No caso do SINR da pico-celula, a figura 4.4 b demonstra que as melhores posicoes
para maximizar o SINR da pico-celula se encontram tambem na orla da macro-celula.
Analisando conjuntamente as figuras 4.3 e 4.4 podemos concluir que as melhores loca-
lizacoes para a colocacao de uma pico-celula no sistema sao no exterior da macro-celula e
CAPITULO 4. RESULTADOS 29
Tabela 4.2: Diferenca entre o SINR medio da pico-celula no ponto (i, j) e o SINR mediode todas as celulas do cenario sem pico-celula [dB]
j 1 2 3 4 5 6 7 8i θ[o]\d[m] 75 100 125 150 175 200 225 250
1 0 — — — — — -6.04 -5.55 -5.482 5 — — — — — -6.08 -5.59 -5.483 10 — — — — — -5.92 -5.61 -5.514 15 — — — — — -5.95 -5.76 -5.505 20 — — — — -6.37 -5.95 -5.55 -5.406 25 — — — — -6.22 -5.92 -5.76 -5.327 30 — — — -6.40 -6.13 -5.89 -5.56 -5.208 35 — — — -6.08 -6.18 -5.78 -5.41 -5.199 40 — — -7.24 -6.54 -5.97 -5.66 -5.23 -5.2810 45 — — -7.17 -6.53 -5.86 -5.46 -5.21 -5.3011 50 — -8.10 -7.17 -6.28 -5.74 -5.42 -5.27 -5.4512 55 — -7.96 -7.02 -6.18 -5.57 -5.16 -5.32 -5.4713 60 — -7.79 -6.95 -6.25 -5.44 -5.23 -5.22 -5.50
( a) Maximos do SINR medio total ( b) Maximos do SINR medio da pico-celula
Figura 4.4: Diagramas dos maximos do SINR medio total e da pico-celula dependendoda posicao da pico-celula
tambem fora do feixe principal do sector da macro-celula (na figura 4.3 a, os pontos que
se encontram junto ao feixe tem cores mais frias).
4.2 Cenario com duas pico-celulas proximas
Apos a simulacao dos cenarios com uma pico-celula na seccao 4.1, pretende-se agora
inquirir sobre os efeitos da colocacao de duas pico-celulas muito proximas uma da outra
em varias posicoes do mapa, a semelhanca da seccao 4.1. Assim, para cada posicao
assinalada na figura 4.2 foi colocada uma pico-celula 20 metros a um lado e uma pico-
celula 20 metros para o outro lado, como exemplificado na figura 4.5.
Tomando como referencia uma das posicoes representadas na figura 4.2 (representada
na figura 4.5 pela cruz preta), as posicoes reais para cada uma das pico-celulas colocadas
estao agora representadas pelos pontos azuis. A sua colocacao e feita 20 metros na per-
CAPITULO 4. RESULTADOS 30
Figura 4.5: Exemplo da colocacao das duas pico-celulas em referencia a uma posicaocentral
pendicular a linha entre a posicao de referencia e o centro da macro-celula (representada
pelo tracejado preto). Ao afastar as pico-celulas 20 metros para cada lado, estas acabam
com uma distancia entre elas de 40 metros (o mınimo recomendado pela 3GPP, tabela
3.5).
Recorre-se novamente ao SINR medio de todo o mapa e ao SINR medio dos sectores
correspondentes as pico-celulas como medidas da qualidade do sinal para cada cenario
simulado. Assim, a semelhanca da seccao 4.1, obtem-se os diagramas da figura 4.6 que
utilizam o mesmo sistema de cores para representar o valor do SINR para cada cenario. A
estes diagramas correspondem os valores das tabelas 4.3 e 4.4 expressos tambem segundo
a expressao (4.1) em dB.
( a) SINR medio total ( b) SINR medio das pico-celulas
Figura 4.6: Diagramas de SINR medio total e das pico-celulas dependendo da posicao daspico-celulas
Analisando os diagramas da figura 4.6 e os valores das tabelas 4.3 e 4.4 podemos
verificar que as melhores posicoes para a colocacao de um par de pico-celulas muito
CAPITULO 4. RESULTADOS 31
Tabela 4.3: Diferenca entre o SINR medio de todas as celulas do cenario com duas pico-celulas centradas no ponto (i, j) e o SINR medio de todas as celulas do cenario sempico-celula [dB]
j 1 2 3 4 5 6 7 8i θ[o]\d[m] 75 100 125 150 175 200 225 250
1 0 -0.013 -0.017 -0.020 -0.023 -0.024 -0.024 -0.023 -0.0192 5 -0.013 -0.017 -0.020 -0.023 -0.024 -0.024 -0.022 -0.0183 10 -0.013 -0.017 -0.020 -0.023 -0.024 -0.024 -0.022 -0.0184 15 -0.013 -0.017 -0.020 -0.022 -0.024 -0.023 -0.021 -0.0165 20 -0.013 -0.017 -0.020 -0.022 -0.023 -0.022 -0.019 -0.0156 25 -0.012 -0.016 -0.019 -0.021 -0.022 -0.020 -0.017 -0.0137 30 -0.012 -0.016 -0.019 -0.021 -0.020 -0.019 -0.016 -0.0128 35 -0.012 -0.016 -0.018 -0.019 -0.019 -0.017 -0.015 -0.0139 40 -0.012 -0.015 -0.017 -0.018 -0.017 -0.015 -0.014 -0.01310 45 -0.012 -0.015 -0.017 -0.017 -0.015 -0.014 -0.014 -0.01511 50 -0.012 -0.015 -0.016 -0.016 -0.014 -0.013 -0.014 -0.01712 55 -0.012 -0.015 -0.016 -0.015 -0.013 -0.012 -0.014 -0.01813 60 -0.012 -0.015 -0.016 -0.015 -0.013 -0.012 -0.014 -0.018
Tabela 4.4: Diferenca entre o SINR medio das pico-celulas centradas no ponto (i, j) e oSINR medio de todas as celulas do cenario sem pico-celula [dB]
j 1 2 3 4 5 6 7 8i θ[o]\d[m] 75 100 125 150 175 200 225 250
1 0 — — — — — -6.96 -6.85 -6.842 5 — — — — — -6.87 -6.81 -6.743 10 — — — — — -6.83 -6.85 -6.774 15 — — — — -6.66 -6.90 -6.86 -6.735 20 — — — — -6.61 -6.89 -6.90 -6.656 25 — — — -6.76 -6.78 -6.93 -6.86 -6.607 30 — — -7.71 -6.76 -7.06 -6.92 -6.84 -6.528 35 — -8.27 -7.46 -7.22 -7.09 -6.91 -6.70 -6.509 40 — -8.40 -7.43 -7.15 -6.97 -6.86 -6.66 -6.5210 45 — -8.06 -7.52 -7.30 -6.93 -6.76 -6.57 -6.6811 50 — -8.32 -7.87 -7.29 -6.88 -6.66 -6.61 -6.7312 55 — -8.92 -8.02 -7.45 -6.90 -6.54 -6.62 -6.6713 60 — -9.40 -8.32 -7.45 -6.92 -6.55 -6.56 -6.78
proximas uma da outra continua a ser na orla da macro-celula (onde estao representadas
as cores mais quentes do esquema de cores — vermelho). Existem novamente pontos com
alto SINR medio junto ao centro da macro-celula (figura 4.6 a) no entanto, estes pontos
correspondem a situacoes onde a interferencia causada pela macro-celula levou a que pelo
menos uma das pico-celulas nao criasse um novo sector (pontos a preto na figura 4.6 b).
Os maximos locais para cada angulo simulado encontram-se representados na figura
4.7 a vermelho para os casos do SINR medio total e dos sectores das pico-celulas.
Confirmam-se assim que as melhores localizacoes para a colocacao das pico-celulas sao
no exterior da macro-celula pois e la que se encontra a maioria dos maximos locais para
ambos os diagramas da figura 4.7 (excetuando-se um ponto esporadico presente no centro
do diagrama da figura 4.7 b).
CAPITULO 4. RESULTADOS 32
( a) Maximos SINR medio total( b) Maximos do SINR medio das pico-celulas
Figura 4.7: Diagramas de SINR medio total e das pico-celulas dependendo da posicao daspico-celulas
Comparam-se agora estes resultados com os resultados obtidos na seccao 4.1 com o
fim de determinar se a adicao de uma nova pico-celula muito proxima da primeira afeta
gravemente a qualidade do sinal tanto para o caso geral como para o caso dos utilizadores
das pico-celulas. Assim, geraram-se os valores das tabelas 4.5 e 4.6, segundo a expressao
(4.2).
SINR 2 pico (i,j) − SINR 1 pico (i,j) (4.2)
Tabela 4.5: Diferenca entre o SINR medio das celulas todas dos casos com duas pico-celulas versus os casos com uma pico-celula [dB]
j 1 2 3 4 5 6 7 8i θ[o]\d[m] 75 100 125 150 175 200 225 250
1 0 -0.006 -0.007 -0.008 -0.009 -0.009 -0.010 -0.009 -0.0072 5 -0.006 -0.007 -0.008 -0.009 -0.009 -0.009 -0.009 -0.0073 10 -0.006 -0.007 -0.008 -0.009 -0.009 -0.009 -0.008 -0.0074 15 -0.006 -0.007 -0.008 -0.009 -0.009 -0.009 -0.008 -0.0075 20 -0.006 -0.007 -0.008 -0.009 -0.009 -0.008 -0.008 -0.0076 25 -0.006 -0.007 -0.008 -0.009 -0.008 -0.008 -0.007 -0.0077 30 -0.006 -0.007 -0.008 -0.008 -0.008 -0.007 -0.007 -0.0078 35 -0.006 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.0079 40 -0.006 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.00710 45 -0.006 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.00711 50 -0.006 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007 -0.00712 55 -0.006 -0.007 -0.008 -0.008 -0.007 -0.007 -0.007 -0.00713 60 -0.006 -0.007 -0.008 -0.008 -0.007 -0.007 -0.007 -0.007
Analisando os resultados obtidos na tabela 4.5, podemos verificar que para a qualidade
geral do sinal, o SINR medio do mapa inteiro foi ligeiramente diminuıdo quando foi
introduzida uma nova pico-celula. A tabela 4.6, indica tambem que a introducao de mais
CAPITULO 4. RESULTADOS 33
Tabela 4.6: Diferenca entre o SINR medio das pico-celulas dos casos com duas pico-celulasversus os casos com uma pico-celula [dB]
j 1 2 3 4 5 6 7 8i θ[o]\d[m] 75 100 125 150 175 200 225 250
1 0 — — — — — -0.91 -1.29 -1.362 5 — — — — — -0.79 -1.21 -1.263 10 — — — — — -0.91 -1.24 -1.264 15 — — — — — -0.94 -1.09 -1.225 20 — — — — -0.24 -0.94 -1.34 -1.246 25 — — — — -0.55 -1.00 -1.09 -1.287 30 — — — -0.36 -0.93 -1.03 -1.27 -1.318 35 — — — -1.14 -0.90 -1.12 -1.29 -1.309 40 — — -0.18 -0.61 -1.00 -1.20 -1.42 -1.2410 45 — — -0.35 -0.77 -1.07 -1.30 -1.36 -1.3811 50 — -0.21 -0.69 -1.00 -1.13 -1.24 -1.34 -1.2812 55 — -0.95 -1.00 -1.27 -1.32 -1.37 -1.29 -1.2013 60 — -1.61 -1.37 -1.19 -1.47 -1.32 -1.34 -1.28
que uma pico-celula diminui o SINR do conjunto das pico-celulas. No entanto, ao serem
colocadas mais celulas no sistema, os recursos da rede sao melhor distribuıdos por todos
os seus utilizadores.
4.3 Cenarios com varias pico-celulas utilizando a dis-
tribuicao 3GPP Hotspot Capacity Enhancement
Nesta seccao pretende-se analisar cenarios mais complexos com a introducao de varias
pico-celulas. Entre os varios cenarios, variam-se as distancias das pico-celulas ao centro da
macro-celula, o numero de pico-celulas por sector e ainda o valor de bias para a tecnica de
CRE descrita na seccao 2.3. Este conjunto de simulacoes utiliza os parametros definidos
na seccao 3.6 (descritos na sua maioria na tabela 3.5) e a distribuicao de utilizadores
descrita na subseccao 3.5.1 — 3GPP Hotspot capacity enhancement — em que se utiliza
um valor de NUE de 30, isto e, existem 30 UEs por cada sector de macro-celula que sao
distribuıdos entre as pico-celulas e a macro-celula como descrito na subseccao 3.5.1.
Em primeiro lugar analisamos a razao entre o numero de sectores de pico-celulas
simulados e o numero de pico-celulas introduzidas no sistema. Existe uma diferenca entre
estes numeros porque algumas pico-celulas estao sujeitas a uma grande interferencia do
sinal da macro-celula e portanto os utilizadores que se encontrem nessas zonas conectam-
se a macro-celula. A figura 4.8 representa estes valores que nos dao uma ideia inicial para
os melhores casos para a colocacao das pico-celulas. E utilizado um valor fixo para o
numero de pico-celulas por sector, Npico = 6.
Partindo dos resultados descritos na figura 4.8, podemos desde ja verificar que a
distancia ao centro da macro-celula, d, e um fator importante para o funcionamento
CAPITULO 4. RESULTADOS 34
Figura 4.8: Percentagem de pico-celulas simuladas
do sistema. Analisando o caso com biasCRE = 0 dB — isto e, sem a utilizacao da tecnica
CRE — podemos verificar que quando as pico-celulas se encontram proximas do centro
da macro-celula (barras a azul na figura 4.8) apenas 25% das mesmas tiveram condicoes
de interferencia suficientemente boas para o seu funcionamento. No entanto, no caso em
que as pico-celulas foram colocadas no exterior da macro-celula (barras a vermelho na
figura 4.8), temos que 88% das pico-celulas sao viaveis e portanto tem o potencial para
melhorar o desempenho do sistema.
Analisando agora o efeito da tecnica de CRE, verificamos que esta pode representar
um papel importante no sistema. Com o aumento do valor de biasCRE aumenta tambem
o numero de pico-celulas viaveis passando de 25%, no caso de biasCRE = 0 dB e d baixo,
ate 95% quando se altera para biasCRE = 16 dB
Vamos agora excluir a tecnica de CRE (colocando o valor biasCRE = 0 dB) e analisar
os efeitos da distancia ao centro da macro-celula, d, e do numero de pico-celulas por
sector, Npico, sobre o sistema. Comecemos pela analise do SINR. A figura 4.9 descreve a
forma como o valor do SINR medio da regiao simulada varia de acordo com o numero de
pico-celulas por sector e a sua distancia ao centro da macro-celula.
Podemos verificar que a introducao de pico-celulas no sistema levou ao aumento da
interferencia inter-celulas dando origem a valores de SINR mais baixos. Quando o numero
de pico-celulas introduzidas aumenta, o SINR diminui. Verifica-se ainda que a colocacao
das pico-celulas nas zonas mais exteriores da macro-celula diminuem tambem o SINR
ligeiramente. Estes fenomenos ocorrem porque as pico-celulas causam interferencia no
sinal mais forte pertencente a macro-celula mas nao introduzem um sinal forte o suficiente
para aumentar o SINR. Ao colocar as pico-celulas no exterior da macro-celula o sinal da
macro-celula e mais fraco e portanto os sectores das pico-celulas sao maiores que no caso
em que estao mais proximas do centro da macro-celula. Como os sectores sao maiores
CAPITULO 4. RESULTADOS 35
Figura 4.9: Variacao do SINR medio (Sem CRE)
mas mantem um sinal fraco, o SINR medio e afetado negativamente.
Apesar de o SINR diminuir, nao significa que a introducao de pico-celulas piore o
desempenho do sistema pois as novas celulas vao reduzir a carga da macro-celula e servir
um numero mais reduzido de utilizadores.
Na figura 4.10 representa-se o debito binario medio por utilizador do sistema. Ana-
lisando o grafico, podemos observar que o debito sobe com o aumento do numero de
pico-celulas por sector, significando que a sua introducao no sistema e uma melhoria face
ao caso com apenas macro-celulas. Colocar as pico-celulas em zonas mais distantes da
macro-celula garante tambem melhores resultados que coloca-las proximas, em especial
para casos com um maior numero de pico-celulas por sector.
Figura 4.10: Debito binario medio por utilizador (Sem CRE)
Do ponto de vista da operadora de telecomunicacoes, o debito binario medio por
CAPITULO 4. RESULTADOS 36
utilizador e o valor que se pretende maximizar, pois os utilizadores pagam por unidade
de trafego. Assim, para a operadora, o melhor cenario sera a colocacao de muitas pico-
celulas por sector (6 nos casos simulados) e coloca-las preferencialmente nas zonas mais
exteriores da macro-celula.
Figura 4.11: Debito binario medio por utilizador das pico-celulas (Sem CRE)
O debito binario medio por utilizador das pico-celulas esta representado na figura
4.11. Estes valores sao muito superiores ao valor obtido no caso com apenas macro-
celulas (linha a preto na figura) e tambem sao superiores aos valores medios de todos os
utilizadores (figura 4.10), logo a colocacao de pico-celulas representa uma grande melhoria
da qualidade do servico para os utilizadores que sao servidos pelas mesmas. A colocacao
das pico-celulas nas zonas mais afastadas do centro da macro-celula e uma mais valia
tanto para os utilizadores das pico-celulas (figura 4.11) como para o resultado geral do
sistema (figura 4.10).
As figuras 4.10 e 4.11 dao-nos uma medida da qualidade do servico apos a colocacao
das pico-celulas, no entanto sao compostas por valores medios que podem ser influenciados
por utilizadores com muito alto debito enquanto outros tem um servico muito mau. Na
figura 4.12 representa-se o debito binario do percentil 5 de cada cenario testado. Esta
medida representa os 5% piores resultados dos debitos dos utilizadores e e considerada
por representar os utilizadores que se encontram na orla da celula (cell edge). Podemos
observar que a introducao das pico-celulas e uma melhoria face ao caso da macro-celula e
que o valor do debito binario do percentil 5 aumenta com o aumento do numero de pico-
celulas por sector. No entanto esta medida e pouco afetada pela distancia das pico-celulas
ao centro da macro-celula.
Voltemos agora a considerar a tecnica de CRE. Esta tecnica utiliza um valor de bias
que influencia a escolha do equipamento terminal acerca de qual a celula a que este se deve
ligar. Desta forma aumenta-se o tamanho dos sectores das pico-celulas sem aumentar a
CAPITULO 4. RESULTADOS 37
Figura 4.12: Debito binario do percentil 5 dos utilizadores (Sem CRE)
potencia do sinal transmitido. As figuras 4.13, 4.14 e 4.15 descrevem a variacao do debito
binario medio por utilizador, debito binario medio por utilizador das pico-celulas e debito
binario do percentil 5 em funcao do valor de biasCRE para o caso com 6 pico-celulas por
sector.
Figura 4.13: Debito binario medio por utilizador (Npico = 6)
Analisando todas estas figuras, verificamos que nas zonas distantes o valor de biasCRE
afeta muito pouco os resultados e para as zonas mais proximas do centro da macro-celula,
a utilizacao de CRE piora os resultados. O aumento dos sectores das pico-celulas nao se
revelou vantajoso pois o numero de UEs a elas conectados nao aumentou devido a distri-
buicao de UEs utilizada. Adicionalmente, estes UEs tem uma relacao sinal interferencia
(SINR) muito baixa devido ao fraco sinal da pico-celula que os serve — piorado pela
introducao do valor de bias —, sem existir o offload da macro-celula pretendido. Esta
CAPITULO 4. RESULTADOS 38
Figura 4.14: Debito binario medio por utilizador das pico-celulas (Npico = 6)
Figura 4.15: Debito binario do percentil 5 dos utilizadores (Npico = 6)
tecnica e melhor analisada atraves da utilizacao de distribuicoes de UEs semelhantes a
usada na seccao 4.4 e explicada na subseccao 3.5.2 em que os UEs sao distribuıdos alea-
toriamente e portanto tem uma maior probabilidade de serem colocados numa pico-celula
caso o seu sector seja maior.
4.4 Cenarios com varias pico-celulas utilizando a dis-
tribuicao de UEs aleatoria
Nesta seccao sao efetuadas simulacoes semelhantes as da seccao 4.3 mas desta vez uti-
lizando a distribuicao de UEs aleatoria descrita na subseccao 3.5.2. Nesta distribuicao,
os UEs sao distribuıdos pela ROI sem serem diretamente atribuıdos a uma determinada
CAPITULO 4. RESULTADOS 39
celula. Desta forma, a area de cobertura de uma celula torna-se um fator importante
para determinar quantos UEs se ligam a mesma. Isto torna possıvel testar tecnicas como
a tecnica de CRE referida anteriormente.
Comecemos por comparar esta distribuicao a anterior nos casos em que foi bem su-
cedida. Desta forma, analisam-se os cenarios em que nao e utilizada a tecnica de CRE
(biasCRE = 0 dB).
A figura 4.16 representa a variacao do SINR medio da ROI para os varios valores
do numero de pico-celulas por sector macro, Npico. Estes valores nao sao afetados pela
distribuicao de UEs utilizada e portanto ambas as figuras 4.16 e 4.9 sao quase identicas.
Figura 4.16: Variacao do SINR medio (Sem CRE)
Passando a analise dos valores dos debitos binarios dos UEs, a figura 4.17 representa
a variacao do debito binario medio por utilizador dependendo do numero de pico-celulas
por sector macro e a distancia destas pico-celulas ao centro da macro-celula.
Comparando as figuras 4.10 e 4.17 podemos observar que, apesar dos valores obtidos
serem diferentes, o debito binario sobe com o aumento do numero de pico-celulas e que o
caso em que as pico-celulas se encontram longe do macro-eNodeB e melhor em ambas as
figuras. Os valores obtidos diferem pois na distribuicao testada na seccao 4.3 o numero
de UEs por pico-celula e constante enquanto que na distribuicao agora utilizada pode
variar levando a que nalguns casos existam mais UEs associados a pico-celulas do que
anteriormente.
A figura 4.18 representa o debito binario por utilizador de pico-celula. Comparada
com a figura 4.11, podemos observar novamente que, apesar dos valores diferentes em
ambos os casos, as figuras apresentam semelhancas. Parece existir um ponto otimo para
o numero de pico-celulas por sector em Npico = 4 para o caso em que sao colocadas na
zona distante, e um mınimo para o mesmo valor de Npico no caso em que sao colocadas
na zona proxima. Este comportamento pode dever-se ao facto de na zona proxima as
CAPITULO 4. RESULTADOS 40
Figura 4.17: Debito binario medio por utilizador (Sem CRE)
pico-celulas oferecem muita interferencia aos utilizadores da macro-celula sem fazerem o
offload pretendido enquanto que no caso da zona distante ja existe offload bem comom
interferencias inferiores.
Figura 4.18: Debito binario medio por utilizador das pico-celulas (Sem CRE)
Por fim, temos tambem os valores do debito binario do percentil 5 dos utilizadores que
representam os utilizadores na orla das celulas (cell edge) na figura 4.19. Comparada com
a figura 4.12, verificamos que existem semelhancas entre as duas pois o valor do debito
aumenta a medida que o numero de pico-celulas por sector aumenta. No entanto existem
algumas diferencas, em especial para Npico igual a 6. Estas diferencas devem-se ao facto
de o numero de UEs associado as pico-celulas variar de um caso para o outro o que leva
a que existam mais UEs a serem servidos pela macro-celula no caso da figura 4.12.
A semelhanca entre as figuras 4.10 e 4.17 leva-nos a crer que ambas as distribuicoes
CAPITULO 4. RESULTADOS 41
Figura 4.19: Debito binario do percentil 5 dos utilizadores (Sem CRE)
sao boas aproximacoes ao caso real e que os resultados obtidos sao pertinentes.
Passemos agora aos casos em que e utilizada a tecnica de CRE atraves da inclusao de
um valor de bias na decisao do UE sobre qual a celula a que este se deve ligar. Estes
casos nao sao passıveis de serem simulados utilizando a distribuicao usada na seccao
4.3 pois esta utiliza um numero de UEs constante por pico-celula, eliminando assim as
vantagens obtidas atraves da extensao dos sectores das pico-celulas. Desta forma, fixou-se
o numero de pico-celulas por sector em Npico = 6 e simulou-se para valores de biasCRE =
(0, 8, 16) dB.
A figura 4.20 descreve o debito binario medio por utilizador do sistema nas condicoes
descritas anteriormente.
Figura 4.20: Debito binario medio por utilizador (Npico = 6)
Contrariamente ao observado na figura 4.13, verificamos que a utilizacao da tecnica de
CAPITULO 4. RESULTADOS 42
CRE tem um efeito positivo no sistema. Podemos verificar que o aumento do valor de bias
leva ao aumento do debito por utilizador. Este e um bom resultado do ponto de vista da
operadora de telecomunicacoes pois aumenta o trafego total da rede, que e posteriormente
cobrado aos utilizadores. E de notar tambem que existe uma grande disparidade entre os
valores das zonas proxima e distante.
Do ponto de vista do utilizador, interessa-lhe que o seu debito seja o mais alto possıvel,
em especial nas zonas onde esta colocada a pico-celula (zonas de trafego intenso onde a
operadora escolheu colocar uma pico-celula para melhorar a qualidade de servico). Assim
analisa-se o debito binario medio por utilizador de pico-celula em funcao do biasCRE
utilizado (figura 4.21).
Figura 4.21: Debito binario medio por utilizador das pico-celulas (Npico = 6)
Atraves da analise da figura, e possıvel observar que do ponto de vista dos utilizadores
das pico-celulas e preferıvel a aplicacao das pico-celulas sem a utilizacao da tecnica de
CRE, pois o debito diminui bastante quando o valor de biasCRE aumenta. Para o caso em
que a tecnica de CRE nao e utilizada (biasCRE = 0 dB) os utilizadores das pico-celulas
tem um debito binario muito superior a media do sistema (figura 4.20). Este valor diminui
com o aumento do bias utilizado tornando-se muito proximo ou mesmo inferior a media
do sistema para biasCRE = 16 dB tornando-se pouco vantajoso para os utilizadores das
pico-celulas. E de notar ainda que para biasCRE = 0 dB existe uma diferenca desprezavel
entre os casos da zona distante ou proxima do macro-eNodeB. Esta diferenca aumenta
com o aumento do valor de bias utilizado o que significa que com a utilizacao da tecnica
de CRE, os UEs das pico-celulas se tornam mais suscetıveis a interferencia proveniente
da macro-celula.
Visto que a introducao da tecnica de CRE tem como objetivo facilitar o offload da
macro-celula para as pico-celulas, faz sentido analisar tambem a variacao do debito dos
utilizadores da macro-celula dependendo do bias utilizado. Esta analise esta descrita na
CAPITULO 4. RESULTADOS 43
figura 4.22.
Podemos observar que a tecnica de CRE foi bem sucedida no offload das macro-
celulas pois com o aumento do valor de biasCRE aumenta tambem o debito binario medio
dos utilizadores das macro-celulas. Isto deve-se ao facto de existirem mais utilizadores
associados as pico-celulas devido a extensao do seu sector proveniente da utilizacao da
tecnica CRE. Ao se ligarem as pico-celulas, estes utilizadores obtem maiores debitos
binarios (como se pode observar na figura 4.21) para si mesmos e ao aliviarem a carga
da macro-celula disponibilizam mais recursos para os utilizadores que ainda se encontram
ligados a esta celula consequentemente aumentando o seu debito binario.
Figura 4.22: Debito binario medio por utilizador das macro-celulas (Npico = 6)
Como foi referido anteriormente, para biasCRE = 16 dB, o valor do debito binario para
os utilizadores das macro-celulas aproxima-se muito do debito binario para os utilizadores
das pico-celulas e maximiza o debito geral da rede. No caso em que as pico-celulas sao
colocadas pela operadora de telecomunicacoes este e o valor ideal a utilizar por maximizar
o debito total do sistema. No entanto, se as pico-celulas sao colocadas com o objetivo de
melhor a qualidade do servico na area em que sao colocadas comparativamente ao resto
da rede, devem ser utilizados valores de biasCRE mais baixos com o fim de aumentar os
debitos das pico-celulas.
Para assegurar que todos os utilizadores da rede sao servidos igualmente, e necessario
analisar o debito binario do percentil 5 dos utilizadores — isto e, dos 5% dos utilizadores
com piores debitos. Este valor descreve os utilizadores que se encontram no extremo das
celulas (cell edge) e esta representado na figura 4.23.
Analisando a figura, podemos observar que a introducao da tecnica de CRE prejudica
a igualdade dos utilizadores da rede pois o debito do percentil 5 diminui com o aumento
de biasCRE. Isto significa que tem de existir um balanco (tradeoff ) entre:
• desempenho maximo da rede — onde utilizar o maior valor de biasCRE e otimo;
CAPITULO 4. RESULTADOS 44
Figura 4.23: Debito binario do percentil 5 dos utilizadores (Npico = 6)
• desempenho das pico-celulas — onde o valor maximo de biasCRE torna o seu de-
sempenho igual ao das macro-celulas;
• igualdade entre os utilizadores da rede e garantia da qualidade do servico indepen-
dentemente da localizacao do utilizador — onde a tecnica de CRE e prejudicial.
E de notar ainda que existe uma grande diferenca entre os valores para as zonas
proxima e distante do centro da macro-celula na maioria dos graficos apresentados ante-
riormente. Esta diferenca vem do facto de existir menor interferencia da macro-celula nas
zonas exteriores e de existirem tambem maiores distancias entre as pico-celulas colocadas
diminuindo a interferencia causada entre si.
Capıtulo 5
Conclusao e Trabalho Futuro
Neste capıtulo pretende-se sumarizar e analisar os resultados obtidos no capıtulo 4. O
objetivo deste trabalho e o de analisar a colocacao de pico-celulas em cenarios ja existentes
com redes compostas por macro-celulas. A introducao de pico-celulas e utilizada para
aumentar a capacidade do sistema em alternativa a tecnica atual de introduzir mais
macro-celulas.
Pretende-se entao estudar os efeitos que a localizacao das pico-celulas, o numero de
pico-celulas colocadas e a tecnica de extensao de sectores chamada CRE tem sobre o
sistema.
Inicialmente estudou-se os efeitos da introducao de uma pico-celula no sistema vari-
ando a sua localizacao. Como seria de esperar, a pico-celula tem uma influencia mais
positiva no sistema quando e colocada em areas com um sinal do macro-eNodeB mais
fraco. Assim, a colocacao da pico-celula fora do feixe principal do macro-eNodeB e nas
zonas mais exteriores da macro-celula da origem a valores medios de SINR superiores,
sugerindo um melhor desempenho do sistema.
De seguida procurou-se aferir sobre a introducao de duas pico-celulas muito proximas.
A colocacao das celulas segue regras semelhantes as do caso anterior sendo preferıvel que
a sua posicao seja fora do feixe principal do macro-eNodeB e nas zonas exteriores da
macro-celula desta forma evitando grandes interferencias por parte do macro-eNodeB.
Comparando este caso com o caso com apenas uma pico-celula, conclui-se que no aspeto
geral de todo o mapa simulado (ROI) o SINR geral diminui.
Apos a analise aos casos com uma e duas pico-celulas colocadas, procedeu-se a si-
mulacao de cenarios mais complexos em que se varia o numero de pico-celulas por sector
de macro-celula, a distancia da colocacao das pico-celulas em relacao ao centro da macro-
celula em que sao colocadas e o valor de bias da tecnica de CRE (Cell Range Extension)
utilizado. Concluiu-se que a medida que mais pico-celulas sao introduzidas no sistema,
melhores sao os resultados obtidos pois ha um maior offload da rede de macro-celulas ja
existente obtendo-se melhores debitos binarios tanto para a totalidade dos utilizadores
como para os utilizadores das pico-celulas. A distancia ao centro da macro-celula afeta
45
CAPITULO 5. CONCLUSAO E TRABALHO FUTURO 46
o sistema da mesma maneira que os casos anteriores (com uma ou duas pico-celulas)
— quanto mais longe do centro da macro-celula forem colocadas, melhor o desempenho
do sistema devido a reducao da interferencia da macro-celula sobre as pico-celulas e ao
aumento da distancia entre as pico-celulas por se tratar de uma area maior. Quanto a
tecnica de CRE, nao foram visıveis melhorias quando esta e utilizada em conjunto com a
distribuicao de UEs proposta pela 3GPP [18] (ver seccao 3.5.1). A introducao de um valor
de bias aumenta a area das pico-celulas para que hajam mais utilizadores a serem servidos
pelas mesmas a custa de uma diminuicao do SINR destas celulas. Devido a distribuicao
utilizada (recomendada pela 3GPP), o numero de utilizadores por pico-celula e constante
e portanto esta tecnica nao surte um efeito positivo.
Procedeu-se entao a analise de casos semelhantes utilizando uma distribuicao de UEs
aleatoria e uniforme. Esta distribuicao permite a simulacao de tecnicas de extensao dos
sectores pois os UEs nao sao diretamente associados a determinadas celulas, sao apenas
distribuıdos pelo mapa da simulacao e ligam-se a celula que esta no momento a cobrir o
ponto onde se encontram. Inicialmente simularam-se os cenarios em que a distribuicao
anterior foi bem sucedida com o objetivo de validar os resultados obtidos caso estes fossem
semelhantes, o que se verificou. Passou-se depois a simulacao de cenarios onde se utiliza
a tecnica de CRE descrita anteriormente. Concluiu-se que esta tecnica oferece um bom
offload da macro-celula por parte das pico-celulas, no entanto e necessario haver um
equilıbrio. Este equilıbrio (tradeoff ) e entre o desempenho total do sistema (vantajoso
para a operadora), o desempenho das pico-celulas (caso se pretenda que estas tenham
um melhor servico que as macro-celulas) e a igualdade entre os utilizadores da rede e
garantia da qualidade de servico. O valor de bias utilizado e o fator decisivo para regular
o equilıbrio entre as grandezas mencionadas.
Podemos entao dizer que a utilizacao de pico-celulas e benefica para o sistema. A sua
introducao melhora os debitos binarios do conjunto total dos utilizadores, sendo assim
uma mais valia para o operador da rede movel, e melhora significativamente o debito
binario dos utilizadores servidos pelas pico-celulas. A tecnica de CRE cumpre o seu
objetivo de offload da macro-celula. A colocacao das pico-celulas nas zonas de menor
interferencia e um fator importante que nao deve ser desprezado. Nas simulacoes mais
complexas verificou-se que o desempenho do sistema melhora bastante quando as pico-
celulas sao colocadas nas zonas distantes do centro da macro-celula. Conjugando este
resultado com os resultados obtidos quando foi simulada a colocacao de apenas uma pico-
celula, conclui-se que a colocacao cuidada das pico-celulas em areas de baixa interferencia
da macro-celula (orlas da celula e fora do feixe principal da antena do sector) e mantendo
maiores distancias entre as pico-celulas origina resultados muito positivos.
De futuro dever-se-ia estudar os efeitos da introducao de femto-celulas em vez de
pico-celulas. Femto-celulas sao celulas pequenas colocadas em casa dos clientes ou nos es-
critorios das empresas (indoor). Esta abordagem traz outra dificuldade na implementacao
CAPITULO 5. CONCLUSAO E TRABALHO FUTURO 47
devido a necessidade de introduzir perdas de insercao (Penetration Loss) devidas a perda
de potencia do sinal eletromagnetico quando atravessa as paredes do edifıcio. Uma sim-
plificacao inicial seria a de incluir toda a femto-celula no interior do edifıcio, assumindo
que todos os UEs que estejam fora do edifıcio se conectam a macro-celula e todos os que
estao no interior a femto-celula.
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