Avaliação do Impacto Económico da Utilização de Repetidores Fixos numa Rede LTE André Martins1,2 1 Instituto de Telecomunicações (IT) Instituto Superior Técnico (IST) Lisboa, Portugal [email protected] 2 Resumo—As redes de nova geração possibilitam a utilização de novas técnicas, às quais estão associados benefícios para operadores e utilizadores. Uma das técnicas a ser considerada será a técnica de Relaying. Para além de ganhos na capacidade e cobertura da rede, a utilização de repetidores minimiza consideravelmente os custos associados a este tipo de redes: custos de instalação (Capital Expenditure (CapEx)) e custos de operação e manutenção (Operating Expense (OpEx)). Neste artigo é feita uma comparação, do ponto de vista económico, de um cenário onde uma rede Long Term Evolution (LTE) é apenas constituída por Nós B evoluídos (eNB), com outros cenários onde são utilizados Repetidores Fixos (RF). O artigo tem como objetivo concluir em que condições um eNB poderá ser substituído por um conjunto de RF e quais os ganhos para o operador, numa perspetiva económica, associados a esta alteração. Index Terms—Comunicações Móveis, LTE, Repetidor Fixo, CapEx, OpEx, TCO. I. I NTRODUÇÃO No passado recente, o tráfego de dados gerado em redes móveis aumentou pelo quarto ano consecutivo, tendo sido 2.3 vezes superior em 2011 que o verificado em 2010 [1]. Este aumento deve-se sobretudo ao maior número de smartphones a operar que, apesar de representarem apenas 12% do total dos dispositivos móveis, são responsáveis por 82% do tráfego total gerado. Estas alterações no volume e/ou tipo do tráfego de dados gerados em redes móveis, provocaram uma alteração no paradigma deste tipo de redes. Cada vez mais, assistese à coexistência de redes de 2a Geração (2G), 3a Geração (3G) e 4a Geração (4G). Com a instalação das redes LTE de nova geração, tem-se verificado um aumento de tráfego, devido ao aparecimento de novos serviços potencializadores das características deste tipo de redes. Atualmente, apesar das ligações 4G representarem apenas 0.2% do total das ligações móveis, já são a fonte de 6% de todo o tráfego de dados gerado nas redes móveis. A introdução de redes 4G tem associada a si novas tecnologias e técnicas para melhorar o desempenho da rede, das quais se destacam o Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), Cooperative MIMO (CO-MIMO) e a Agregação de Portadoras. Este artigo concentra a sua investigação na técnica de Relaying, uma variante da técnica CO-MIMO. O objetivo deste artigo é concluir em que condições um eNB poderá ser substituído por um conjunto de RF sem que António Rodrigues1,2 , Pedro Vieira1,3 3 Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ISEL), Área Departamental de Engenharia de Eletrónica e Telecomunicações e de Computadores (ADEETC) Lisboa, Portugal [email protected], [email protected] o desempenho da rede seja afetado. Posteriormente, será feita uma análise económica de modo a quantificar a redução de custos que um operador pode obter, caso opte pela instalação de nós de repetição. O artigo encontra-se organizado da seguinte forma: na Secção II é feita uma introdução à técnica de Relaying, seguindo-se a metodologia adotada na Secção III. A Secção IV é composta pelos resultados e respetiva análise. Por último, na Secção V, são apresentadas as conclusões. II. R ELAYING Segundo [2], os sistemas classificados de CO-MIMO dividem-se em três categorias diferentes: Coordinated Multipoint Transmission (CoMP), Fixed-Relay e Mobile-Relay. A técnica Fixed-Relay utiliza RF, que têm como função receber informação proveniente de um eNB e reencaminhála para um User Equipment (UE), ou vice-versa. De salientar que, o papel de bridge (ponte) entre o eNB e o UE poderá ser desempenhado por uma cadeia de RF. A utilização de RF é uma solução de baixo custo para os operadores, quando comparados com os custos associados a um eNB. Para além de possuírem custos de instalação (CapEx) e de operação e manutenção (OpEx) bastante inferiores, a instalação de repetidores não exige uma fase de planeamento tão rigorosa como a que é necessária para a instalação de eNB. Esta técnica é utilizada principalmente para criar hotspots, aumentando consideravelmente a Quality of Service (QoS), e também para aumentar a cobertura da célula. Uma das principais vantagens desta técnica é conseguir tirar partido do ganho associado à multiplexagem espacial, pois o sinal poderá ser proveniente do eNB ou do RF. A principal desvantagem desta técnica está relacionada com o atraso introduzido pelos nós de repetição, resultante dos processos de recepção, descodificação e reencaminhamento da informação recebida. III. M ETODOLOGIA A DOTADA Esta secção apresenta a metodologia adotada no processo de substituição de um eNB por um conjunto de RF. O algoritmo de decisão para a escolha do planeamento mais adequado segue os seguintes passos: 1) Substituição de um eNB por um conjunto de RF A substituição de um eNB por um determinado número de RF, é baseada nos resultados apresentados em [3], [4] e [5]. A Tabela I mostra o número de RF a instalar, de acordo com a sua potência de emissão, para se substituir um eNB a operar com uma potência de emissão de 46 dBm, numa célula com uma Inter-Site Distance (ISD) de 500 m. Para cada uma das configurações, a Tabela apresenta também o valor da ISD, calculado recorrendo ao algoritmo presente em [5]. O valor da ISD é calculado tendo por base o número de RF utilizados e sua potência de emissão. O valor de ISD máximo para os cenários com RF é aquele que garante um desempenho na fronteira da célula semelhante ao do cenário inicial, i.e., a operar com eNB. Tabela I PARÂMETROS PARA SUBSTITUIÇÃO DE E NB POR RF [3]. Núm. de RF 29 12 9 Pot. Emissão do RF [dBm] ISD [m] 24 33 38 750 1000 707 A título de exemplo, considerando um RF com uma potência de emissão de 24 dBm, são necessários 29 RF para substituir um eNB, com a ISD a aumentar de 500 m para 750 m. De salientar que terá que existir um Nó Central (NC) nas topologias com RF. 2) Cálculo do Total Cost of Ownership (TCO) do sistema Uma vez que se procura o sistema mais vantajoso a nível económico, o primeiro critério de decisão para a escolha do sistema está relacionado com a métrica TCO. Para calcular este valor, foi utilizado [3]: T CO = 55%OpEx + 45%CapEx (1) Segundo [4], os custos associados à variável OpEx, i.e., os custos periódicos de operação e manutenção, podem ser distribuídos da seguinte forma: OpEx = 5%P + 10%O&M + 85%A (2) , onde P representa os gastos associados à potência consumida pelos eNB/RF, O&M os custos inerentes ao funcionamento e manutenção dos nós, e A os custos derivados do aluguer da gama de frequências utilizada e valores de arrendamento do local onde são instaladas as infra-estruturas. Por sua vez, o valor do CapEx (custos de periodicidade única) é composto por: CapEx = P &I + C + E (3) , onde a variável P &I representa os custos de planeamento e implementação da rede, C os custos para aquisição do local para instalação das estações base, e a variável E diz respeito às despesas com equipamento. A Tabela II apresenta os custos considerados para o cálculo do OpEx. De salientar que os valores apresentados são expressos em percentagem, traduzindo a comparação entre o equipamento e o custo médio de um eNB. Tabela II C USTOS PARA OS VÁRIOS NÓS (OpEx) [3]. Nó Pot. Emissão [dBm] P [%] O&M [%] A [%] NC RF RF RF 46 38 33 24 100 1 1 1 100 16 13 9 125 6 6 6 A Tabela III assemelha-se à Tabela II, apresentando os valores para o CapEx. Tabela III C USTOS PARA OS VÁRIOS NÓS (CapEx) [3]. Nó Pot. Emissão [dBm] CapEx [%] NC RF RF RF 46 38 33 24 100 3.8 3.2 1.8 IV. R ESULTADOS E A NÁLISE Nesta seção, é criado um cenário composto por 4 eNB, o qual será comparado com as três soluções apresentadas na Secção III. A análise é composta por três fases. Inicialmente, é feita uma comparação exclusivamente a nível económico das quatro configurações. Posteriormente, recorrendo a uma ferramenta de simulação adaptada para o efeito, procede-se à análise do desempenho da rede para as várias topologias. Por último, e porque as quatro configurações têm áreas de cobertura distintas, torna-se indispensável normalizar os custos, tendo por base a área de cobertura, o TCO e os níveis de débito, pois só assim é possível retirar conclusões credíveis. O objetivo é passar de um cenário composto por 4 eNB, para uma só célula com um NC e um conjunto de RF. Assim, os 4 eNB serão substituídos por um nó central e por 3 conjuntos de RF, tendo sido testadas as três configurações possíveis: 29, 12, e 9 RF por cada eNB. De salientar que os RF são distribuídos uniformemente ao longo da fronteira da célula, uma vez que, de acordo com os resultados obtidos anteriormente [6], a posição ideal para os nós de repetição se situa próximo da fronteira da célula. A Figura 1 apresenta o valor do CapEx para os quatro cenários. De salientar que todos os resultados presentes nesta secção se encontram normalizados ao custo da rede base, i.e., ao custo da rede a operar com 4 eNB. Verifica-se que o valor inicialmente gasto pelo operador é sempre menor se optar por utilizar RF, mesmo na solução com maior número de equipamentos: 88 (NC e 3 conjuntos de 29 RF). O valor de investimento inicial será tanto menor quanto menor for o número de RF a instalar. Este resultado é de extrema importância para um operador que esteja na sua fase inicial, onde se pretende que o esforço financeiro seja minimizado. 120,00% 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% 120,00% 20,00% 100,00% 0,00% 80,00% 4 eNB Nó central + 3*29 Nó central + 3*12 Nó central + 3*9 60,00% 40,00% 1. Figura Valores de CapEx para o cenário inicial e cenários com RF. 140,00% 20,00% 120,00% 0,00% Nó central + 3*29 NC Nó central Na 100,00% solução4 eNB mais económica, ++ 3*12 3 × 9Nó central RF, + o3*9valor do CapEx 80,00% é metade do valor do CapEx verificado para o OPEX cenário base, o60,00% que representa uma poupança no investimentoCAPEX inicial 140,00% 40,00% bastante considerável. Conclui-se que a poupança no valor do 120,00% 20,00% CapEx deverá situar-se entre os 35% e 50% comparativamente 100,00% 0,00% base. ao cenário 4 eNB Nó central + 3*29 Nó central + 3*12 Nó central + 3*9 80,00% Observa-se que o CapEx não depende significativamente do OPEX 60,00% CAPEX número de equipamentos, uma vez que instalar 4 eNB é mais 40,00% dispendioso financeiramente que instalar 3 conjuntos de 29, 140,00% 12 ou20,00% 9 RF e ainda um NC. Esta diferença está relacionada 120,00% 0,00% com a100,00% disparidade existente nos custos de instalação de um 4 eNB Nó central + 3*29 Nó central + 3*12 Nó central + 3*9 eNB e80,00% de um RF. Para além de toda a cablagem e custo de mão-de-obra serem diferentes (muito superiores OPEX no caso 60,00% CAPEX de um eNB), o local onde as estações são instaladas têm 140,00% 40,00% características muito diferentes. Por um lado, os RF podem ser 120,00% 20,00% instalados 100,00% 0,00% em postes de iluminação, sem grande necessidade eNB Nó central 29 12 9 de outros 80,00% equipamentos indispensáveis ao seu funcionamento. OPEX Já um eNB, depende de um conjunto de equipamentos em seu 60,00% CAPEX redor40,00% para o seu devido funcionamento, sendo instalado, geralmente, em telhados de prédios no caso de ambientes urbanos. 180,00% 20,00% 160,00% A instalação nestes locais obriga à celebração de contratos 0,00% 140,00% eNB Nó central 12 9 caraterizados por valores de 29 arrendamento superiores. O valor 120,00% do OpEx está representado na Figura 2. 100,00% 80,00% 60,00% 180,00% 40,00% 160,00% 20,00% 140,00% 0,00% 120,00% 100,00% 4 eNB Nó central + 3*29 Nó central + 3*12 Nó central + 3*9 80,00% 60,00% 40,00% 20,00% 0,00% 4 eNB Nó central + 3*29 Nó central + 3*12 equipamentos, uma vez que se trata de um custo de operação e manutenção. Assim, caso o operador opte pela solução de 29 RF por eNB, por ter um custo inicial menor, terá que ter em consideração que o valor de operação do seu sistema será cerca de 60% mais dispendioso do que se optar por um sistema tradicional composto apenas por eNB. Este resultado deverá ser tomado em consideração, podendo mesmo ser determinante na escolha da configuração a adotar. Isto porque, ao contrário do CapEx que se trata de um custo único, o OpEx é um valor de operação e manuntenção, o qual o operador terá que considerar periodicamente. A Figura 3 analisa com maior detalhe as várias componentes do OpEx. 160,00% 140,00% 120,00% 4 eNB 100,00% 80,00% NC + 3*29 60,00% NC + 3*12 40,00% NC + 3*9 20,00% 0,00% R O&M Figura 3. P Componentes do OpEx. Fazendo uma análise aos custos inerentes aos contratos de arrendamento para instalação dos equipamentos (A), verificase que são bastante superiores (quando comparados com os custos do cenário inicial) na solução NC + 3 × 29 RF, devido ao elevado número de equipamentos. Ambas as soluções de 12 e 9 RF apresentam custos inferiores aos verificados para o cenário inicial: 13% e 25% menores, respetivamente. Relativamente aos custos de operação e manutenção (O&M ), qualquer umas das configurações com RF apresenta um custo superior, pois trata-se de um custo altamente depen120,00% dente do número de equipamentos. Assim, quanto maior for 100,00% o número de RF, maiores serão os encargos para o operador. 80,00% Por último, observa-se que o custo relacionado com a potência 60,00% consumida (P ) pelos RF é reduzido, para qualquer uma das 40,00% configurações. Esta é uma das principais características deste tipo de equipamentos, uma vez que a sua potência de 20,00% emissão é bastante inferior à das estações base convencionais. 0,00% Por último, é4 eNB analisado o +valor docentral TCO 4 cenários, na Nó central 3*29 Nó + 3*12 dos Nó central + 3*9 Figura 4. Nó central + 3*9 140,00% Figura 2. Valores de OpEx para o cenário inicial e cenários com RF. 120,00% 100,00% Através da Figura 2 conclui-se que as soluções de 9 e 12 RF por eNB têm custos de operação inferiores aos verificados para o cenário base: 25% e 12% para o caso da primeira e segunda configuração, respetivamente. Por outro lado, verifica-se que a solução de 1 NC e 3 conjuntos de 29 RF, apresenta um custo de operação e manutenção 60% superior ao do cenário inicial. A justificação é o valor do OpEx estar diretamente relacionado com o número de 80,00% OPEX 60,00% CAPEX 40,00% 20,00% 0,00% 4 eNB Figura 4. Nó central + 3*29 Nó central + 3*12 Nó central + 3*9 Valores de TCO para o cenário inicial e cenários com RF. 140,00% 120,00% 100,00% 80,00% 60,00% 40,00% OPEX CAPEX (b) 50 30 0 [m] [m] 40 −600 60 −400 50 −200 40 0 30 200 20 20 400 10 500 −500 0 [m] 10 600 500 −500 (c) 0 [m] 500 (d) 60 −500 50 0 30 [m] 40 20 500 −600 60 −400 50 −200 40 0 30 200 20 400 10 10 600 1000 −1000 −500 0 [m] 500 1000 Figura 5. 0 −500 0 [m] 500 SNIR distribution. A Figura 6 ilustra o débito da célula para três situações distintas: na fronteira da célula, o valor máximo e o valor médio. 90 4 eNB 29 RF 12 RF 9 RF 80 70 60 50 40 PARÂMETROS DE SIMULAÇÃO . 30 Parâmetro Valor 20 Largura de banda Frequência Modelo de Canal Background Noise Modo de transmissão CQI Altura dos telhados Altura Nó central Altura dos RF Altura dos UE Configuração dos esquemas MIMO 20 M Hz 2.6 GHz WINNER II (B1 Los/NLoS [8]) −174 dBm/Hz Transmit Diversity [1:15] 15 m 25 m 15 m 1.5 m 4 × 2 (eNB-RF) e 2 × 2 (RF-UE) 10 O valor da Signal-to-Noise plus Interference (SNIR) na célula para o cenário inicial, topologias NC + 3 × 29, 12 e 9 RF, está representado nas Figuras 5(a), 5(b), 5(c) e 5(d), respetivamente. Analisando a Figura 5(a), observa-se que o valor da SNIR atinge o seu valor máximo no centro das células, onde estão localizados os eNB. Por outro lado, na fronteira da célula, o valor da SNIR é mínimo. Nos cenários com RF (ver Figuras 5(b), 5(c) e 5(d)) constata-se que na fronteira da célula o valor da SNIR é superior ao presente entre a área que separa os RF dos eNB. Comparando as Figuras 5(b) a 5(d), conclui-se que o valor na fronteira da célula varia, devido às diferentes potências de emissão utilizadas nas topologias. 0 −1000 [Mbps] Tabela IV (a) −500 [m] A primeira conclusão a retirar é que o TCO apresenta uma maior dependência do OpEx do que do CapEx, em parte explicado pelo modelo apresentado na Secção III. Observa-se também que as soluções 12 e 9 RF por eNB, são vantajosas em termos económicos para o operador, o que não acontece com a solução composta por um nó central e 3 conjuntos de 29 RF. Este resultado suporta o que foi mencionado anteriormente: apesar da solução apresentar um custo inicial menor, o número elevado de equipamentos pelo qual é composto faz com que os custos de operação e manutenção aumentem consideravelmente, tornando-a numa solução pouco atrativa. Os resultados aqui apresentados comprovam a grande utilidade que os RF podem ter para diminuir os gastos dos operadores. Neste cenário, o operador teria uma poupança nos seus gastos totais de aproximadamente 30% e 35% caso optasse pela solução de 12 ou 9 RF por eNB, respetivamente. Uma vez concluída a avaliação económica de cada um dos cenários, é feita uma avaliação ao desempenho da rede, considerando as várias topologias de rede sugeridas. Para tal, é utilizado o simulador Link Level Simulator [7]. Na sua versão original, esta ferramenta apenas suporta ligações do tipo eNB– UE, tendo, por isso, sido alvo de diversas alterações para suportar a existência de RF na rede. Assim, foi desenvolvido um módulo RF, o qual suporta funções de adaptação de Channel Quality Indicator (CQI), mecanismo Hybrid Automatic Repeat Request (HARQ), bem como processos de recepção, descodificação, codificação e envio da informação recebida para o nó seguinte. Na Tabela IV estão presentes os parâmetros de simulação utilizados. Fronteira da célula Figura 6. Débito máximo Débito médio Débito da célula. Através da Figura 6 verifica-se que as soluções que utilizam RF têm um desempenho superior ao cenário inicial, em todos os parâmetros avaliados. Relativamente ao débito na fronteira da célula, observase que as três configurações com RF apresentam o mesmo desempenho, sendo este consideravelmente superior ao verificado para o cenário base. Este resultado vai ao encontro com literatura recente e a justificação para tal prende-se com a instalação de RF neste local da célula, aumentando assim o valor da SNIR consideravelmente. Analisando o débito máximo possível de obter na célula, constata-se que para os cenários onde são utilizados RF, o débito máximo conseguido é superior ao do cenário inicial. A explicação para tal facto deve-se aos resultados alcançados com a ferramenta de simulação. Recorrendo ao simulador, o débito da ligação RF–UE, onde é utilizado um esquema MIMO 2 × 2, é superior ao débito da ligação eNB–RF, caraterizada por um esquema 4 × 2. 0 Outra das diferença entre os cenários está relacionada com o débito médio da célula, onde as soluções com RF conseguem alcançar resultados bastante superiores. De entre as três soluções testadas, a solução de 9 RF por cada eNB apresenta-se como sendo a mais vantajosa, caraterizada por um débito médio de 67 M bps. As soluções de NC + 3 × 12 e 29 RF apresentam um débito de 57 M bps e 55 M bps, respetivamente. Já o cenário inicial, é aquele que tem um débito médio mais baixo, estando o seu valor situado nos 51 M bps. A causa desta diferença entre as configurações com RF está relacionada com a ISD. Na configuração 9 RF por eNB, a ISD é igual a 700 m, enquanto que na solução de 12 RF por eNB a ISD é de 1000 m. Como a ISD é menor, os RF e o NC estão mais próximos, fazendo com que a distância que separa um utilizador de um dos nós seja, em média, menor e, por isso, o valor médio de SNIR superior, permitindo valores de débito também superiores. Dando por concluídas as duas primeiras fases da análise, a etapa seguinte relaciona-se com a normalização dos resultados. O facto das várias topologias terem áreas de cobertura diferentes, faz com que tenha que ser criada uma medida de comparação, a qual tem em conta o valor do TCO, a área de cobertura e o débito médio na célula. Assim, CN (custo normalizado) é expresso em custos/M bps/m2 e dado por: CN = T CO[%] × T hCI [M bps] ACI [m2 ] × 2 ARF [m ] T hRF [M bps] (4) , onde T CO é o valor do TCO (ver Figura 4), ACI a área de cobertura do cenário inicial, ARS a área coberta pela topologia com RF, e T HCI e T HRS representam o valor médio do débito obtido para o cenário inicial e cenário com RF, respetivamente. Na Figura 7 está ilustrado o valor do CN para as quatro configurações. [Custos/Mbps/m2] 200 150 100 50 Figura 7. V. C ONCLUSÕES Neste artigo foram estudados os benefícios económicos que o operador pode obter, caso opte pela utilização de RF numa rede LTE de 4G. Para tal, foram comparados diversos cenários com RF a desempenharem o papel que era anteriormente cumprido pelos eNB. Para além de uma análise económica, foi ainda estudado o desempenho das várias configurações apresentadas. As soluções mais vantajosas são as soluções de 12 e 9 RF por eNB. Apesar de ambas apresentarem um desempenho consideravelmente superior ao do cenário inicial, a primeira revela-se mais vantajosa em termos económicos. Caso o operador tenha como principal objetivo melhorar o desempenho da rede, mantendo o mesmo orçamento, deverá optar pela solução NC + 3 × 9. Os resultados apresentados mostram que, para um cenário constituído por 4 eNB, é possível melhorar o mesmo desempenho na fronteira da célula e aumentar o nível máximo e médio de débito da célula, com a utilização de 3 conjuntos de 12 RF e 1 nó central. Para além disso, a esta alteração está associada uma poupança na ordem dos 40% no custo total da rede. R EFERÊNCIAS 250 0 na fronteira da célula é superior aproximadamente 50 M bps e o débito médio 14 M bps ao do cenário inicial. Contrariamente às duas configurações anteriores, a topologia de NC + 3 × 29 RF não deverá ser adotada. Apesar de ter um desempenho melhor ao do cenário inicial, o seu TCO é 20% superior, sendo a sua ISD apenas 200 m maior. É possível concluir que o operador deverá optar pela solução 12 RF por eNB caso a sua prioridade seja minimizar os custos da rede, conseguindo, ainda assim, melhorar consideravelmente o desempenho da rede. Caso o objetivo do operador seja melhorar o desempenho e capacidade da rede mantendo o mesmo orçamento, deverá optar pela solução NC + 3 × 9. 4 eNB CN + 3*29 RF CN + 3*12 RF CN + 3*9 RF Custo normalizado para os quatro cenários. Através da Figura 7, conclui-se que a solução NC + 3 × 12 RF é a solução mais vantajosa. Com a adoção desta topologia, é possível aumentar o débito médio e na fronteira da célula, com uma poupança associada na ordem dos 40%. Por outro lado, conclui-se que optando pela solução NC + 3 × 9 RF, o operador consegue, com o mesmo orçamento, melhorar o desempenho da rede consideravelmente, uma vez que o débito [1] Cisco, “Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, 2011-2016,” Cisco, Tech. Rep., February 2012. [2] C.-X. Wang, X. Hong, X. Ge, X. Cheng, G. Zhang, and J. Thompson, “Cooperative MIMO Channel Models: A survey,” Communications Magazine, IEEE, vol. 48, no. 2, pp. 80–87, 2010. [3] C. Khirallah, J. S. Thompson, and H. 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