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Análise de Cobertura com Propagation Delay - PD e Timing Advance - TA (GSM-WCDMA-LTE)

Postado por leopedrini segunda-feira, 5 de agosto de 2013 09:31:00 Categories: Curso
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Um dos maiores desafios no Planejamento, Projeto e até Otimização de Redes Móveis é conseguir identificar onde os usuários da mesma estão localizados, ou como os mesmos estão distribuídos.

Embora essa informação seja essencial, ela não é simples de ser obtida. Mas se conhecermos ou soubermos como utilizar alguns contadores relacionados à esse tipo de análise, tudo fica mais fácil.

No GSM, já vimos que podemos ter uma boa idéia da localização (distribuição) dos usuários através das medidas do TA (Timing Advance), conforme já detalhamos em um tutorial sobre esse assunto.

 

 

Hoje vamos um pouco mais além, e conhecer os parâmetros equivalentes em outras tecnologias, como WCDMA (e LTE).

 

Objetivo

Conhecer os Indicadores de Performance relacionados à distribuição de usuários em uma rede móvel multi-tecnologia, e também como utilizar esses Indicadores em conjunto nas análises.

 

TA no 2G (GSM)

Já falamos sobre o TA no GSM em outro tutorial, então vamos apenas recordar o conceito mais importante.

O TA (Timing Advance) nos permite identificar a distribuição dos usuários 2G (GSM) em relação à sua célula servidora, baseado no Atraso de Propagação do sinal entre o mesmo e a BTS. O móvel GSM (vamos aqui também chamar de UE) recebe dados da BTS, e 3 time slots depois envia os seus dados. Isso é suficiente se o móvel estiver próximo da mesma, porém, quando o móvel está longe, ele deve levar em conta o atraso que o sinal vai ter ao percorrer o caminho rádio.

Assim: o UE envia o TA junto com as suas medidas para que sejam feitos os ajustes de tempo necessários.

Dessa forma, conseguimos ‘indiretamente’ obter um mapeamento da distribuição dos usuários, ou a provável área de localização, correspondendo à região da área de cobertura da célula, com um raio mínimo e máximo. A figura a seguir nos mostra isso mais claramente, para uma antena de aproximadamente 65 graus abertura horizontal, e raios máximo (1) e mínimo (2).

 

E no 3G e 4G (WCDMA, LTE) também temos TA?

A pergunta esperada aqui é: temos o parâmetro TA no 3G e/ou 4G? A resposta é sim, só que no WCDMA o nome é outro, é chamado de Propagation Delay. (No LTE, temos os dois parâmetros).

Então, vamos conhecer um pouco sobre ele.

 

Propagation Delay no 3G (WCDMA)

No 3G, o parâmetro correspondente ao TA no 2G (GSM) é o Propagation Delay. Com esse parâmetro, conseguimos estimar a distância entre o UE e a célula servidora, da mesma forma como fazemos no GSM.

Mas no 3G o  tem algumas características diferentes. Para começar, no 3G as medidas são feitas pela RNC, e não pelo UE.

No tutorial sobre RRC e RAB já vimos de forma simples como uma conexão RRC é estabelecida, onde o UE envia uma mensagem ‘RRC CONNECTION MESSAGE’. Quando a RNC recebe essa mensagem, ela envia uma outra mensagem de volta para o NodeB, solicitando então a configuração de um Radio Link (‘RADIO LINK SETUP REQUEST’) (1). Essa mensagem já contém o elemento de informação com o Propagation Delay, ou seja, o atraso que já foi verificado e ajustado para permitir a sincronização das transmissões e recepções.

 

Como já mencionamos, a informação não vem do UE como no GSM, mas é a informação que a RNC já possui para tornar possível a comunicação: a informação desse atraso, o Propagation Delay Information Element (IE) é enviado a cada 3 chips.

Então, vamos fazer algumas contas simples.

  • Sabemos que o UMTS tem uma taxa constante de chip igual a 3.84 Mcp/s.
  • Também sabemos (podemos considerar) que a velocidade da luz é de 300.000 km/s.

Se em 1 segundo eu tenho 3.84M chips, em quantos segundos eu tenho 3 chips? Resposta: 0.26 ps (pico seconds).

Como vimos que a informação é enviada a cada 3 chips, o total é de 3 x 0.26 ps = 0.78 ps, que é a granularidade de tempo do Propagation Delay.

E agora vamos traduzir esse valor mínimo em Distância: Se eu percorro 300.000 km em 1 segundo, quanto eu percorro em 0.78 ps? Resposta: 234 meters.

 

Ou seja, tenho o Propagation Delay com granularidade de 234 metros!

Nota: é importante saber que essa informação de distância é disponível para o sistema não apenas no estabelecimento da chamada, mas também durante toda a existência da mesma.

 

Round Trip Delay - Round Trip Time (RTT)

Quando falamos de Atraso de Propagação, um outro conceito muito importante, relacionado com o assunto e usado em diversas outras áreas que envolvem a comunicação entre dois pontos: o Round Trip Delay & Time.

Vamos entender o que é isso com exemplo. Imagine uma simples comunicação entre duas pessoas, onde a primeira fala ‘Oi’, e a segunda também responde ‘Oi’.

 

Num mundo ideal, a fala da primeira pessoa viaja até a segunda, levando um certo tempo (t1), e a fala da segunda pessoa retorna em um tempo (t2). Assim, temos um tempo total decorrido desde quando a primeira pessoa falou até o momento em que ela recebeu a resposta. Esse tempo é o ‘Round Trip Time’, ou o tempo em que um sinal percorre um percurso até que a resposta seja recebida de volta na origem.

Trazendo essa analogia para um UE e uma NodeB, temos a figura abaixo.

:: RTT = t1 + t2

 

Na verdade, a aproximação acima é bem próxima do real. Só que temos que considerar também o tempo em que o receptor demora para ‘processar’ a informação, ou o tempo que ele leva para responder após ter recebido a informação.

Considerando então esse tempo de ‘latência’ (TL), o RTT fica então como:

:: RTT = (t1 + t2) + TL

 

Certo, entendemos então o que é RTT. Mas como eu uso isso?

Essa informação é muito importante para o sistema, e pode ser usada com diversas finalidades. Uma delas por exemplo, pode ser também a de localização. Nosso objetivo hoje é conhecer todos os meios de encontrar a informação de localização do UE não é mesmo?

Pois bem, esse é um outro método (além dos contadores, como veremos logo mais). Quando o NodeB envia uma mensagem para o UE ele sabe exatamente qual é esse horário. E depois, quando recebe uma resposta do UE ele também sabe exatamente esse outro horário!

Assim, basta que ele faça a subtração dos tempos para encontrar o RTT, conseguindo calcular a Distância! Nota: o tempo utilizado para o cálculo é metade do RTT, já que o RTT corresponde ao caminho de ida e volta. Nesse caso, o tempo de latência no receptor é ‘desprezado’.

De posse dessa distância podemos traçar um círculo com a provável área onde o UE se encontra. E se o mesmo estiver sendo atendido por várias células, a interseção dos círculos de cada uma delas nos dá um posicionamento mais preciso (é o que chamamos de ‘Triangulação’). E esses cálculos ficam ainda mais precisos quando outras informações são usadas em conjunto no cálculo, como ‘Cellid’, MCC, RNC, LAC e logs das chamadas (CHR), com informações bem mais detalhadas.

 

Mas vamos voltar ao caso onde usamos apenas a informação do Propagation Delay - que é o nosso foco hoje - e que já nos dá subsídio suficiente para diversas análises muito interessantes.

 

Contadores de TA e PD (Propagation Delay)

As informações de Propagation Delay estão disponíveis também na forma simples de Contadores de Performance.

Esses tipos de contadores são divididos em ranges pré-definidos de acordo com o vendor. Os ranges variam de 1 Propagation Delay até vários Propagation Delay agrupados.

Por exemplo na Huawei temos alguns ranges para TA no GSM, e outros ranges de PD no WCDMA (Nota: a Huawei chama esses contadores de TP). Num cenário ‘Ideal’, teríamos contadores para cada Propagation Delay.

 

Na verdade, não é isso que ocorre, pois como falamos, os mesmos podem estar agrupados em ranges. Nota: A razão para isso não vem ao caso, mas realmente ranges demais podem até atrapalhar/dificultar a análise.

O TP (Propagation Delay WCDMA na Huawei) tem 12 ranges.

 

Na figura acima temos portanto PDTA de 0 a 11.

  • Para TP_0 o UE está entre 0 e 234 metros da NodeB;
  • Para TP_1 o UE está entre 234 e 468 metros da NodeB;
  • ...
  • Para TP_36_55 o UE está entre 8.4 e 13.1 km da NodeB;
  • E para TP_56_MORE o UE está a mais de 13.1 km da NodeB.

No GSM (Huawei) temos o mesmo princípio.

 

Nota: Perceba porém que a quantidade de ranges aqui é muito maior, sendo que só começam a ser agrupados a partir do 30 (a partir de quase 17 km!).

Com os contadores organizados de forma tão diferentes, sejam agrupados por ranges diferentes, seja com granularidades de distância diferentes (550m para GSM e 234 m para WCDMA) fica muito difícil analisar as propagações, ou melhor, fica quase impossível compará-los...

E então o que fazer, já que precisamos analisar a distribuição dos UE's de forma genérica, sem nos importar se o mesmo estava utilizando 2G ou 3G?

A solução que criamos no telecomHall foi fazer uma ‘aproximação’, ou seja, uma forma de conseguirmos enxergar onde temos mais UE's concentrados, não importa se no momento ele esteja utilizando 2G ou 3G. Até mesmo porque, essa ‘distribuição’ entre Tecnologias e Portadoras depende de diversos fatores, como parâmetros de seleção, reseleção e handover, e também de ajustes físicos de sistema irradiante. Mas a ‘concentração’ de usuários não depende desses fatores: A quantidade total de usuários numa determinada área é sempre a mesma!

 

Para isso, o módulo ‘Hunter Propagation Analyzer’ utiliza uma metodologia e contadores próprios, permitindo essa essa aproximação: criamos um range próprio, chamado de PDTA. Como o 3G (na Huawei, que estamos usando como exemplo) tem menos ranges - apenas 12, fizemos a definição inicial do PDTA baseado nos mesmos. O resultado pode ser visto na tabela abaixo.

 

É claro que essa aproximação ou ‘metodologia’ não é perfeita, porém na prática o seu resultado é muito eficiente. Além disso, caso necessitemos de uma análise mais detalhada (por exemplo se precisarmos saber com mais exatidão do que a aproximação aqui apresentada) basta recorrermos à tabela original, que contém cada contador em sua granularidade de range padrão original.

Em outros vendors, os ranges podem ser diferentes, porém a metodologia é sempre a mesmo.

Na Ericsson por exemplo, o contador de Propagation Delay WCDMA é o ‘pmPropagationDelay’, e no sistema é coletado pela RNC da mesma forma que na Huawei.

Possui 41 bins, sendo o primeiro para indicar o máximo atraso em chips (Cell Range), e os demais (1 a 40) para informar o número de amostras no período, referente ao percentual do máximo Cell Range.

Quando o UE estiver tentando se conectar em um ponto maior que o Cell Range ele não conseguirá.

Em relação aos bins, a distribuição vai de 0 a 100%, conforme a regra abaixo:

  • bin1: amostras entre 0 e 1% do Cell Range (por exemplo, se o Cell Range for de 30 km, o bin1 tem as amostras entre 0 e 300 m da NodeB);
  • bin2: amostras entre 1% e 2% do Cell Range;
  • bin40: amostras entre 96% e 100% do Cell Range.

E o ‘ajuste’ de PDTA pode ser feito da mesma forma, dependendo da sua necessidade.

Conclusão: Diferentes vendors apresentam os contadores de propagação, e em diferentes formatos – porém as informações são as mesmas! Em todos os casos podemos fazer os cálculos que trazem a análise para o mesmo universo de comparação, com os benefícios que já ilustramos acima.

 

Distribuição de Radio Link Failure (GSM) e EcNo (WCDMA)

Tudo bem, já conhecemos hoje como verificar a distribuição de UE's numa rede 2G e/ou 3G com base nos seus contadores de propagação. Mas além disso, ainda conseguimos outras informações igualmente interessantes!

No GSM, além do PDTA, conseguimos a contagem de Radio Link Failure, ou seja, Falhas no Link de Rádio. E isso nos dá uma ótima oportunidade de cruzarmos essas informações com a quantidade de Quedas de Chamadas! A regra é simples: onde temos mais Radio Link Failures, ‘muito’ provavelmente temos mais Quedas de Chamadas! A relação é direta.

E no WCDMA, além do PDTA, temos o valor médio de EcNo, que nos indica na média como está a Qualidade de determinada célula/região!

Nota: Na Huawei, para obter o valor médio de Ec/No em cada TP, pegue o valor do contador e utilize a fórmula: EcNo = (value-49)/2.

 

TA no 4G (LTE)

Assim como no 2G e 3G, também conseguimos obter as informação distribuição dos UE's no LTE. Os conceitos aplicados são os mesmos já vistos anteriormente, apenas podemos destacar que no LTE temos a aplicação dos conceitos de TA e também de PD.

Como o tutorial de hoje já está bastante extenso, vamos concluir essa parte por aqui, mas com a certeza de que se você assimilou o que foi apresentado, certamente conseguirá sem maiores problemas obter extender essas informações para o seu cenário específico.

 

Análises Práticas

Após termos visto – até com um pouco de detalhes a mais – os conceitos de propagação (incluindo Falhas no GSM e EcNo no WCDMA), vamos ver algumas possibilidades de análises na prática.

Já dissemos que o profissional que tem domínio sobre esse tipo de análise consegue melhorar bastante os Índices da Rede como Acessibilidade e Retenção das Chamadas. Mas como ele consegue fazer isso?

Simples: com a análise da propagação, é possível identificarmos células que estejam com a sua cobertura muito maior do que o planejado/esperado – ‘overshooting cells’, principalmente se estão chegando em locais onde temos outras células atendendo!

 

Nesse caso, teremos poluição de piloto, interferência e elevada potência de transmissão. Consequentemente, aumento de Falhas no Estabelecimento e Quedas de Chamadas, tanto na célula overshooting, quanto nas demais onde ela está interferindo.

Além disso, podemos descobrir células que tenham a sua área de cobertura na mesma direção (setor), mas que estejam com a concentração muito diferentes (por exemplo no caso de 3 portadoras WCDMA, onde uma Portadora pode estar com a maior concentração de usuários mais próxima da célula, e outra com essa concentração mais longe – não se preocupe, veremos exemplos a seguir e ficará mais fácil de entender).

Essa diferença de distribuição/concentração pode ser vista também entre as multi-tecnologias do setor, por exemplo, se a cobertura GSM está muito menor que a WCDMA e vice-versa. Nesse caso, serve como ótimo indicativo para ajustes de tilts e azimutes entre nas antenas desse setor.

 

 

Análises Práticas – Planilhas e Gráficos

Utilizando os dados dos contadores simples, já temos excelentes formas de análise como tabelas e gráficos. Por exemplo, a seguir temos uma visão completa de um determinado setor de nossa rede (todas as células de todas as tecnologias e todas portadoras). Perceba que a simples distribuição temática obtida com a Formatação Condicional do Excel já nos dá uma visão bem clara do cenário desse setor.

 

Filtrando apenas pela contribuição (‘PDTA_P’) de cada célula, notamos claramente que um setor (Hxxx21) está com a sua cobertura além do esperado (1).

 

Além disso, conseguimos fazer a correspondência (1) das Falhas (agora filtrando por ‘ECNORLFAIL_P’), mostrando a imediata necessidade de ações nesse setor.

 

Análises Práticas – Mapas

Além das análises simples em tabelas e gráficos, podemos utilizar os mesmos georeferenciados, com uma relação direta com a área atendida. Para demonstração, criamos alguns dados fictícios de PDTA em nossa rede. Nota: Uma rede tem muito mais células, mas com esses poucos dados de exemplo já conseguimos demonstrar os principais pontos de análise.

Continuando, vamos então ver os dados de PDTA de 4 sites de exemplos plotados.

Para analisar a distribuição PDTA no Google Earth, usamos um relatório gerado pelo pelo módulo ‘Hunter GE Propagation Analyzer’*, e então precisamos saber os critérios que estamos usando: Nesse relatório, as alturas (1) de cada região (PDTA de 0 a 11) representam o percentual de amostras naquela região. E as cores (2) representam a qualidade, sendo EcNo para UMTS, e Radio Link Failure % para GSM. * Nota: Você mesmo pode construir os seus relatórios no Google Earth e/ou Mapinfo, basta seguir e aplicar os conceitos apresentados aqui às suas próprias ferramentas/macros.

 

Os dados são reunidos em ‘Folders’, com o primeiro nível sendo o setor (1) (uma direção/azimute específico de todas as células de todas tecnologias e portadoras). No segundo nível, temos os ranges (2) de percentual de PDTA (quantas amostras do total da célula temos em cada região). E no terceiro nível as células/PDTA (3) correspondentes.

 

Também igualmente importante é a definição do range utilizado na geração dos dados, e consequentemente na Legenda correspondente. Veja que utilizamos uma mesma escala para colorir EcNo e Radio Link Failure. Assim, não importa se a cobertura é GSM ou UMTS – por exemplo se a região é vermelha, sabemos que é ruim! (Ou Ecno WCDMA pior que -16 db, ou Radio Link Failure GSM maior que 50%!).

 

Conhecendo esses detalhes, podemos fazer algumas demonstrações. Dando um zoom numa área mais extensa, vemos que temos várias células com cobertura em locais onde não deveriam estar atendendo. Naturalmente, estes pontos tem poucas amostras, porém com qualidade bastante degradada, como vemos na região mostrada abaixo (1) - ranges em sua maioria Rosa, Vermelho e Laranja.

 

Analisando células específicas, por exemplo ‘AAN’. Vemos que a área de cobertura da mesma está muito maior do que deveria (overshooting cell), tanto o GSM (1) quanto o UMTS (2) estão a mais de 3 km da célula servidora.

 

Nesse caso, temos outro ponto interessante, visto também a seguir: grande parte dos usuários na região (1) abaixo são atendidas quase exclusivamente pelo GSM. Já na região (2) quase todos os usuários usam o WCDMA. Esse é um outro ponto de otimização: essas as coberturas devem ser, na medida do possível, ‘proporcionais’.

 

Um outro exemplo de estudo: o site ‘ABU’ é um caso típico de necessidade de atuação imediata, por exemplo aumentando os tilt’s dos setores overshooting. Muitas amostras a mais de 4 km, e com qualidade ruim. Como estas são células de um centro urbano, e além disso temos outras células atendendo os locais distantes, recomenda-se a aplicação de tilt, e posteriormente a realização de uma nova análise.

 

O contrário do que vimos acima também é possível: podemos identificar células que estão com uma área de cobertura muito boa (neste caso, uma área mais contida), e com excelente níveis de qualidade (Verde e Azul).

 

Poderíamos continuar demonstrando diversas outras análises que são possíveis a partir dos dados apresentados aqui hoje. Entretanto, a melhor forma é que você utilize esses incríveis recurso em suas análises, pois sem dúvida representa um diferencial.

Muitas pessoas tentam otimizar a rede baseado em alterações de parâmetros apenas. Porém vimos como em alguns casos acima, podemos ter situações onde o mais recomendado é mesmo a intervenção física (ajustes de Antenas, Alturas, Tilts e Azimutes).

Sem dúvida nenhuma as análises apresentadas nesse tutorial são essenciais para a melhoria de qualquer rede móvel, e se até hoje você ainda não utilizou, é um bom momento para começar.

 

Conclusão

Conhecemos hoje um importante conceito utilizado em diversas áreas de redes móveis 2G, 3G e 4G: o o Atraso de Propagação, utilizado como ferramenta para avaliação da distribuição geográfica dos usuários.

As medidas são o Timing Advance, que no GSM é medido pelo UE, e Propagation Delay, que no UMTS é é calculado pela RNC. Ambos permitem estimar a distância do UE até a célula servidora, consequentemente permitindo diversos tipos de análises, exemplificadas acima.

O TA no GSM tem uma granularidade de 550 metros, e o Propagation Delay no WCDMA tem granularidade de 234 metros. Utilizando estas medidas, podemos ‘enxergar’ exatamente onde estão distribuídos os usuários da rede a nível de célula/portadora/tecnologia em cada região.

Além disso, temos outras medidas, igualmente mapeadas por região: EcNo para WCDMA e Radio Link Failure para GSM.

Todas essas medidas em conjunto com demais informações da rede (Sistemas Irradiantes, Azimutes, Tilts, etc...) dão um enorme subsídio ao profissional para a realização de análises e disparo de ações com resultados muito expressivos para a Melhoria da Qualidade de toda a Rede.

Esperamos que tenham gostado. Até nosso próximo encontro!