Optimizacin de algoritmos de traspaso con continuidad en el sistema UMTS de tercera generacinJos Miguel Garca Rubia Universidad de Jan jmgrubia@ujaen.es Jos Manuel Riera Sals Universidad Politcnica de Madrid riera@grc.ssr.upm.es Nicols Ruiz Reyes Universidad de Jan nicolas@ujaen.es Damin Martnez Muoz Universidad de Jan damian@ujaen.es

Abstract- Handover is in charge of end-user mobility in mobile network: warrants the continuity of wireless services when mobile user moves through cell frontiers. In 1st and 2nd generation mobile networks, the hard handover was employed; now in the 3rd generation networks, which are based predominantly on CDMA technology, the concept of soft handover is introduced. In this paper, a study in deep is done about the effects in soft handover algorithms performance with different radio parameters and sceneries for a mobile user, showing a way to optimize the soft handover. The optimization of soft handover is important in network planning. For this reason the soft handover algorithms parameters are analyzed under 3GPP specification for UMTS. I. INTRODUCCIN

inter-RAT (Radio Access Technology, p.e. GSM, UMTS) duro. La decisin de qu tipo de traspaso se necesita realizar, depende de un nmero de condiciones y parmetros que definen estos traspasos. En general el traspaso suave/massuave tiene una prioridad mas alta que el traspaso duro interfrecuencia e inter-RAT, que solo ocurren en el borde de las celdas radio que tienen celdas vecinas con interfrecuencia o inter-RAT configuradas convenientemente. Por ello nos vamos a centrar en el estudio del traspaso suave intrafrecuencia, siendo el traspaso mas-suave intrafrecuencia un caso especial del suave. Las tres causas diferentes del traspaso son: (i) traspaso debido la baja calidad del radio enlace, (ii) traspaso debido a una sobrecarga de la interfaz aire, y (iii) traspaso forzado por el operador. Vamos a cubrir para el traspaso suave intrafrecuencia el debido a la primera causa, por baja calidad del radio enlace. III. CONTROL DE MEDIDAS A. Descripcin del algoritmo El algoritmo de traspaso tambin controla el envo de medidas realizado por el UE en el estado conectado para propsitos del traspaso. El mensaje de MEASUREMENT CONTROL se usa para establecer y modificar la forma en la que las medidas se toman por el UE. Los contenidos y la frecuencia de los mensajes MEASUREMENT REPORT desde el UE dependen del tipo de medida, el estado del UE y su capacidad de la medida. La lista de celdas que el UE debe monitorizar esta dividida en tres categoras diferentes: Conjunto activo: Grupo de celdas radio con las cuales el UE ha establecido un radio enlace. El conjunto activo contiene solo celdas radio que operan a la misma frecuencia UMTS. Conjunto monitorizado: Las celdas que no estn en el conjunto activo, pero que el UE esta monitorizando para el traspaso de acuerdo a la lista de celdas vecinas definida. Este conjunto puede contener celdas UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) o GSM y las celdas UTRAN pueden estar a diferentes frecuencias UMTS. Conjunto detectado: Celdas que no estas incluidas en la lista de celdas vecinas para monitorizar pero son detectadas por el UE por si mismo. El UE solo reporta las

El traspaso (en ingls handover) se ocupa de la movilidad del usuario final en una red mvil: garantiza la continuidad de los servicios inalmbricos cuando el usuario mvil se mueve a travs de las fronteras celulares. En las redes mviles de primera y segunda generacin, se empleaba el traspaso duro (hard handover); ahora en las redes de tercera generacin, las cuales predominantemente estn basadas en tecnologa CDMA, se introduce el concepto de traspaso con continuidad o suave (soft handover). Comparado con el convencional traspaso duro, el traspaso suave tiene las ventajas de una transmisin ms suave y menores efectos del tipo ping-pong. Tambin dirigido a la continuidad de los servicios mviles, ofrece una ganancia de macrodiversidad al sistema. Sin embargo, el traspaso suave tiene las desventajas de la complejidad y el consumo de recursos extra. Por lo tanto, la optimizacin es crucial para garantizar el rendimiento del traspaso suave.

II. CONTROL DE TRASPASO La funcin de traspaso en UMTS maneja la movilidad del UE (User Equipment o terminal del usuario) y la interfaz radio. Esta basado en medidas radio y la topologa de las celdas radio y se usa para mantener la calidad de servicio (Qos) requerida por el ncleo de red (Core Network) a pesar de la movilidad del UE. En UMTS tenemos los siguientes tipos de traspasos: intrafrecuencia suave, ms suave y duro (soft, softer, hard), traspaso interfrecuencia duro y traspaso

celdas UTRAN que estn bajo la misma frecuencia que el conjunto activo y solo cuando el UE este en el estado conectado. El propsito es proveer informacin al operador de red para manualmente actualizar la lista de celdas vecinas. B. Tipos de medidas El UE debe soportar un numero de medidas realizndose en paralelo (ver Ref. [1]). Tambin el UE debe soportar que cada medida sea controlada y reportada independientemente de otra medida. Hay diferentes tipos de medidas definidas en los estndares, siendo las siguientes las ms importantes: Medidas intrafrecuencia: medidas en los canales fsicos descendentes con la misma frecuencia como en el conjunto activo. Medidas interfrecuencia: medidas en los canales fsicos descendentes con frecuencias que difieren de la frecuencia del conjunto activo. Medidas inter-RAT: medidas en los canales fsicos descendentes pertenecientes a otro sistema radio, por ejemplo GSM. Medidas internas del UE: medidas de las diferencias temporales Rx/Tx en el UE para sincronizacin del radio enlace. Vamos a centrarnos en las medidas intrafrecuencia que sern las que se utilicen en el traspaso suave intrafrecuencia. C. Modos de reporte de medidas El modo de reporte de medidas asociado con una medida especfica indica cuando un mensaje de MEASUREMENT REPORT es enviado por el UE a la UTRAN (evento dirigido o peridico) y si el UE espera o no un reconocimiento (ACK). Para nuestro caso de traspaso intrafrecuencia, tenemos un reporte basado en lanzamientos de eventos donde se define un nmero de reportes para el evento y un intervalo de reporte. Esto es genrico para cualquier modo de reporte peridico. La cantidad de la medida especifica lo que el UE debe medir. Si la medida satisface el criterio del reporte, un mensaje MEASUREMENT REPORT ser enviado desde el UE a la UTRAN. Para nuestro caso de traspasos intrafrecuencia utilizaremos (ver Ref. [2]) para detalles) el ratio Ec/No del CPICH (Common Pilot Channel). Tras realizar la medida en el UE se filtran mediante una frmula recursiva, donde se puede dar un peso determinado a la anterior medida en el clculo de la presente. Los eventos que lanzan el reporte de las medidas intrafrecuencia son descritas en el siguiente apartado. El procesado de estos eventos en el RNC (Radio Network Controller) para realizar el traspaso suave es detallado en Ref. [1]. D. Eventos de reporte intra-frecuencia Los algoritmos de traspaso suave dependen de la configuracin de los eventos intra-frecuencia 1A a 1F para disparar los mensajes MEASUREMENT REPORT en el UE.

En esta seccin vamos a describir los parmetros del traspaso suave ms relevantes como tipo de evento (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f), pero antes veamos algunos conceptos como: La histresis retarda el reporte hasta una nueva celda es mejor que una celda activa en un valor mnimo asignado al parmetro de histresis. La condicin de disparo es H/2 alrededor del umbral nominal. Tiempo de disparo, retarda el reporte hasta que la nueva celda se ha mantenido en el rango de reporte durante una cantidad dada de tiempo. El valor de histresis y el retardo del tiempo de disparo, juntos con el criterio de disparo, define las condiciones bajo las cuales, los reportes de medidas para un evento dado son enviados. Los parmetros de histresis y tiempo de disparo son usados en todos los tipos de eventos. Consecuentemente, los criterios de disparo son diferentes para cada tipo de evento, as como los parmetros asociados. Los eventos 1E y 1F controlan la adicin y eliminacin de los pilotos para el conjunto activo de acuerdo a su potencia absoluta. Los reportes de medidas son generados cuando la calidad estimada de los canales pilotos primarios (CPICH) esta por encima (o debajo) de un umbral dado y las condiciones de histresis y tiempo de disparo son cumplidas. El evento 1C ocurre cuando uno de los pilotos no activo sobrepasa un piloto del conjunto activo, a pesar de su potencia absoluta. Los parmetros de histresis y tiempo de disparo descritos antes controlan este mecanismo de reemplazamiento de celda. Adems existe un parmetro llamado umbral de activacin de reemplazamiento, que nos da el mnimo tamao del conjunto activo requerido para que este evento sea disparado. Los eventos 1A y 1B habilitan, respectivamente, la adicin y eliminacin de celdas para el conjunto activo de acuerdo al criterio relativo dinmico dado en la especificacin 3GPP (ver Ref. [1]). El criterio para la adicin de celda (evento 1A) es cumplido cuando la potencia de la seal (Ec/No) de una nueva celda es lo suficientemente buena comparada con la mejor celda (en general para todas las celdas en el conjunto activo). De una manera similar, el evento 1B es disparado cuando la celda abandona el rango de reporte donde se cumple una condicin anloga basada en la distancia relativa a la celda mejor y el resto de las celdas del conjunto activo. El evento 1D es usado para mantener el seguimiento de la mejor celda en todo momento. La condicin de disparo para este evento esta completamente definida por los parmetros de histresis y el tiempo de disparo. IV. MODELADO La plataforma de simulacin elegida para la implementacin de la herramienta es OPNET, pues ofrece un entorno de desarrollo muy adecuado para el modelado y evaluacin de prestaciones de redes de comunicaciones y sistemas distribuidos.

A. Usuarios de voz AMR El modelado de los usuarios de voz AMR se ha realizado considerando la interferencia que genera la poblacin los usuarios de AMR. El usuario de voz es modelado como una entidad que se mueve a lo largo de una red y realiza un algoritmo de control de potencia directo en el enlace descendiente en la poblacin de Nodos B en el conjunto activo de celdas de cada usuario de voz o UE, calibrando las potencias de las celdas usando un objetivo de SIR requerido. En el enlace ascendiente, el usuario grada la potencia transmitida considerando el SIR objetivo dentro de los Nodos B. B. Condiciones dinmicas radio Vamos a enunciar las condiciones radio que utilizamos para la simulacin. Configuracin de red (network layout) Movilidad Sombras (Shadowing) Modelo del canal radio. desvanecimiento rpido Multitrayecto y

V. RESULTADOS Vamos a realizar los siguientes estudios basados en las simulaciones y los diferentes escenarios: [1]. Anlisis de sensibilidad de diferentes parmetros del algoritmo de traspaso suave [2]. eventos Anlisis comparativo de diferentes modos de

ANALISIS DE SENSIBILIDAD DEL ALGORITMO DE TRASPASO SUAVE Adems de los estudios previos de simulacin, hemos realizado un anlisis de sensibilidad del algoritmo de traspaso suave, para trfico de voz, en virtud de investigar el efecto de variacin de un nmero de parmetros en el rendimiento del sistema (por ejemplo analizando los valores extrados de BLER en el enlace descendiente y ascendente). El nfasis del anlisis esta en los parmetros de los eventos 1A y 1B, pero tambin algunos factores del entorno radio han sido variados. A continuacin vamos a ver algunas conclusiones. A. Rango de reporte del evento 1A y 1B La variacin del rango de reporte del evento 1A (R1a) y el evento 1B (R1b), junto con el valor de histresis, efectivamente cambia el tamao de la ventana del traspaso, por ejemplo la diferencia entre el nivel de Ec/Io al cual una celda es aadida al conjunto activo y cuando la celda es borrada del conjunto activo. Para un valor de R1b fijo, la carga de sealizacin se incrementa con R1a, ambos en trminos de reportes de medidas y actualizaciones del conjunto activo. Usando R1a=3 dB se hace muy difcil para una celda aadirse al conjunto activo, lo cual se traduce en una mayor interferencia inter-celda y un mayor nmero de UEs alcanzando la potencia mxima por cdigo en el enlace descendiente. Por otra parte, para R1a=7 dB se hace demasiado facil que una celda se aada al conjunto activo, lo que se traduce en una mayor carga de sealizacin y un mayor tamao del conjunto activo (mayor nmero de radio enlaces desde el UE a los Nodos B). Por lo tanto el valor de R1a=5 dB es un a compromiso entre la carga de sealizacin, un tamao del conjunto activo y consumo de recursos medio. Cuando R1a es fijo, el tamao medio del conjunto activo se incrementa con R1b. Esto es debido al hecho de que una celda permanece mas tiempo en el conjunto activo, incluso cuando si Ec/Io se degrada. Por lo que R1b=5 dB es preferido a R1b=7 dB desde que este conduce a una utilizacin menor de recursos, a pesar de una mayor sealizacin RRC. Es importante resear que el efecto del parmetro de R1b esta compuesto por los parmetros del evento 1c, el cual puede ser responsable de quitar celdas del conjunto activo que estaran all de otra manera para R1b=7 dB. Esta es la razn por la que un nivel mas alto de interferencia no aparece cuando R1b= 7dB.

Seleccin de celda en modo desconectado (idle) Interferencia, Eb/No y calculo de SIR Rendimiento de la capa 1 y calculo del BLER

C. Algoritmos de traspaso suave En siguiente lista se presentan los diferentes estados usados para los algoritmos de traspaso suave. Validacin de estado Procesado de barajado Determinacin de conjunto monitorizado Procesado de mejor celda

D. Escenarios de simulacin Los diferentes escenarios de simulacin los podemos ver a continuacin. Los podemos agrupar por tipos de eventos habilitados en el UE para reportar al RNC y su posterior procesado. Los agrupamos por modos: Modo ABCDEF: se habilitan los eventos 1A, 1B, 1C, 1D, 1E y 1F. Modo CDEF: se habilitan los eventos 1C, 1D, 1E y 1F. Este modo basado en umbrales absolutos es parecido al utilizado en el sistema IS-95A. Modo ABCD: se habilitan los eventos 1A, 1B, 1C y 1D. En este deshabilitamos los eventos basados en umbrales absolutos. Cada unos de estos grupos se divide segn el tipo de canal radio empleado Peatn A y Vehicular A. Cada uno de estos es modificado con las diferentes velocidades del UE utilizadas 10 y 60 km/h; y por el modelo de sobras empleado para distancias de decorrelacion de 50 y 200 m

B. Tiempo de disparo del evento 1A y evento 1B Las simulaciones de diferentes valores del parmetro tiempo de disparo para el evento 1A (T1a) y el evento 1B (T1b) en el rango de 0 seg hasta 1280 mseg, han mostrado una baja sensibilidad en numero medio de celdas en el conjunto activo tanto como en la calidad de la llamada (BLER medio). Respecto la carga de sealizacin, para un T1b dado, conforme T1a se incrementa, el nmero de reportes de medidas disparados por el evento 1A decrece. Tambin decrece el nmero de los reportes de medidas disparados por otros eventos (1B y 1C) desde que el tamao medio del conjunto activo decrece tambin. Para un valor de T1a dado, conforme T1b se incrementa, el nmero de reportes de medida por el evento 1B decrece pero aquellos disparados por el evento 1C se incrementan ya que el evento 1C es disparado antes que el 1B en esta situacin. Tambin, desde que el evento 1C es apropiado para dirigir el intercambio de celdas en el conjunto activo, esto reduce el nmero de eventos 1A. Los resultados de los valores de tiempo de disparo no son concluyentes, parcialmente porque las estadsticas no son las apropiadas, y parcialmente porque no se prev que los parmetros del evento 1C influyan en los resultados. Por esto un valor de 640 mseg es inicialmente elegido para ambos eventos 1A y 1B, como un compromiso entre carga de sealizacin y velocidad del traspaso. C. Potencia del CPICH La variacin de la potencia de 1W a 2W, tiene un claro impacto en el nivel de interferencia como la potencia mnima de transmisin en el enlace descendente para cada celda se incrementa. Sin embargo, no tiene impacto en la carga de sealizacin o el nmero de celdas en el conjunto activo. Esto es consistente con el hecho de que son eventos basados en niveles relativos de Ec/Io. Adems, la calidad de la llamada de voz era idntica (BLER medio percibido). Esto significa que el sistema esta dimensionado para 1W de CPICH y que no hay ninguna ventaja para la cobertura en incrementar la potencia del CPICH. D. Modelo del canal radio Adems de los parmetros del algoritmo de traspaso suave, el rendimiento del sistema tambin depende de las caractersticas del entorno radio. En las simulaciones, se han usado dos modelos radio bien conocidos, el peatn tipo A y el vehicular tipo A. El canal del peatn A no es muy dispersivo. Al menos dos caminos contribuyen significativamente al nivel de la seal recibida y uno de ellos esta 10 dB por debajo del otro en media. Por el contrario, el modelo vehicular A es mucho mas dispersivo, con cuatro caminos contribuyendo a la seal dentro de un rango de 10 dB en media. Los resultados muestran que la carga de sealizacin (anlogo a nmero total de reportes de medida) no es afectada por el modelo de canal considerado. Esto es

claramente una ventaja para usar eventos de traspaso suave basados en umbrales relativos, lo que no es el caso de los eventos 1E y 1F que estan basados en umbrales absolutos. Tambin, hay un incremento de potencia de transmisin descendiente y un incremento de ruido en el enlace ascendiente para el canal vehicular A, como era de esperar debido al mayor numero de caminos en la propagacin de este modelo. E. Movilidad del UE Como escenario de prueba, se ha utilizado diferentes velocidades para la movilidad del UE. Los resultados muestran un incremento del ratio de reportes de medida y las actualizaciones del conjunto activo, relativo al aumento de velocidad del UE. ANALISIS COMPARATIVO PARA DIFERENTES MODOS Se ha comparado el comportamiento del algoritmo de traspaso suave para diferentes modos, en nuestro caso el modo ABCDEF, modo CDEF y modo ABCD. Podemos ver claramente que el modo mas completo, el modo ABCDEF, que contempla todos los eventos que podemos activar, es el mejor en todos los sentidos, tanto en calidad del servicio (BLER en el enlace descendente y ascendente) y en el volumen de sealizacin que incluye toda la mensajera que utilizamos para lanzar eventos y para actualizar el conjunto activo del UE. Comparando los modos CDEF y ABCD nos permite apreciar que tiene una gran dependencia del tipo de escenario que utilizamos. Para el modo CDEF, el BLER promedio es muy dependiente del escenario, es bastante sensible al modelo de shadowing, curiosamente al aumentar la distancia de decorrelacion de 50 a 200 m, empeora el BLER (escenarios 9, 10, 11 y 12) aunque baja el volumen de sealizacin que es lo razonable al disminuir las variaciones del canal. VI. CONCLUSIONES La optimizacin de algoritmos radio supone un objetivo principal para mejorar el rendimiento end-to-end de una infraestructura de red de 3 generacin. Para ello se ha analizado estadsticas globales que nos dan la eficiencia del algoritmo de traspaso suave en UMTS. Se ha comprobado la sensibilidad de estos parmetros del algoritmo y el efecto que tienen las diferentes condiciones radio sobre el comportamiento del algoritmo, adems de un estudio comparativo entre diferentes modos de traspaso suave.

REFERENCIAS[1] [2] [3] [4] RRC protocol specification, 3GPP TS25.331, v 3.7.0, Release 99, June 2001 Physical layer; Measurements (FDD), 3GPP TS25.215, v 3.7.0, Release 99, June 2001 UTRAN Functions, Examples on Signaling Procedures, 3GPP TR 25931, Release 99, June 2001 Radio Interface Protocol Architecture, 06/2000, 3GPP TS 25.301, Release 99, June 2001