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Optimización de PRB en una red LTE con dos portadoras

Uno de los grandes retos en despliegues de overlay en LTE es asegurar el balance de cargas («uso de PRB») entre portadoras para maximizar el desempeño de la red. En EKSPRESA hemos apoyado a operadores móviles desarrollado servicios de consultoría donde la «optimización de PRB» es una tarea clave. En este artículo mostramos los aspectos más relevantes de este proceso desde la perspectiva de nuestro equipo de RF.

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Cuando un operador detecta que la utilización de recursos de radio de una celda excede determinado umbral, es común iniciar un proceso de expansión de portadoras con el objetivo de asegurar la calidad del servicio para los usuarios. Sin embargo, la puesta en servicio de la nueva portadora por sí sola no garantiza que la experiencia del usuario sea óptima, en especial cuando la cobertura de la nueva portadora no es similar a la existente (por ejemplo, un overlay de 1900 MHz sobre una red de 700 MHz existente).

La expansión de red LTE con una banda de frecuencia adicional, en este caso de 1900 MHz, es un buen ejemplo de cómo el análisis después de la expansión, seguimiento y optimización son claves para que los recursos que se están instalando se ocupen.    

El fascinante mundo de Radio Frecuencia nos trae retos adicionales, porque este comportamiento varía completamente de sitio a sitio. Lo que ya se probó y ajustó en una estación no necesariamente se replicará de igual manera en otra estación.  Y es aquí cuando la optimización es necesaria para ajustar que el funcionamiento de la red sea el esperado y el uso de recursos sea eficiente.

Antes de profundizar sobre el tema, entendamos a qué nos referimos con «PRB» en el contexto de una red LTE.

¿Qué es un PRB?

El PRB (Physical Resource Block) es la unidad mínima de recursos de radio que se le puede asignar a un usuario. En la grilla OFDM, un PRB está compuesto por 12 subportadoras consecutivas en una ranura de 0,5 ms, como se observa en la Figura 1.

Durante 1 ms, el eNodeB asigna capacidad de carga o descarga a un dispositivo móvil en unidades de PRB. Un bloque de transporte es una combinación de datos de control y de usuario, además de la corrección de errores de reenvío para un solo dispositivo, y se asigna a una serie de PRB para su transmisión. El algoritmo del scheduler (planificador) en el eNodeB se encarga de la asignación de estos recursos tomando en cuenta la capacidad disponible, demanda de datos y condiciones de radio de cada uno de los usuarios conectados.

Definición de Bloque físico de recurso (PRB) en LTE
Fig. 1 Definición de PRB en LTE

La capacidad de PRB de una portadora LTE está relacionada directamente con el ancho de banda de la misma, como se aprecia en la Figura 2.

Cantidad de PRB por ancho de banda de portadora
Fig. 2 Cantidad de recursos por diferentes anchos de banda

En líneas generales, a mayor asignación de PRB mayor es la velocidad de datos que puede alcanzar un usuario. La Figura 3 muestra, para un drive test ejecutado por el equipo de EKSPRESA, la relación entre velocidad de descarga (Throughput) y la cantidad de PRB asignados por el scheduler durante un recorrido. Esta medición se realizó en una red con una portadora de 15 MHz.

Throughput vs asignación de PRB
Fig. 3 Throughput vs asignación de PRB desde el punto de vista de un usuario

La gráfica anterior muestra la perspectiva del usuario. Desde la perspectiva de las estadísticas de la red móvil (obtenidas en el OSS), es posible monitorear la utilización promedio de PRB a nivel de celda (la «suma» de todos los usuarios). Este indicador nos ofrece una idea clara de la carga de la interfaz de aire.

Dado que ningún indicador se mira de forma aislada, el uso del PRB debe analizarse en conjunto con otros KPI como la cantidad de usuarios conectados, velocidad de descarga, el volumen de tráfico e indicadores de cobertura.

Ahora que entendemos un poco mejor qué es un PRB, miremos por qué es recomendable asegurar el balance del uso de este recurso entre diferentes portadoras.

Importancia del balance de uso de PRB en escenarios multi-portadora

La optimización de las redes de comunicaciones móviles es una tarea constante, y ejecutarla de forma apropiada garantiza un mejor uso de los recursos y de la operatividad de la red. Sin embargo, es amplia la variedad de ajustes que pueden configurarse para lograr la mejor experiencia del usuario y que la utilización de los recursos sea eficiente.

Además, siempre se debe pensar en la escalabilidad al momento de implementar cualquier proyecto de ingeniería. Todos los que trabajamos en el área nos hemos enfrentado con la consideración de múltiples escenarios y aspectos en el diseño, pero luego, cuando ya está en producción la solución final, ésta no se comporta como esperábamos. Esto es parte del proceso de ingeniería y optimización de cualquier proyecto. ¿Cuántos proyectos de despliegue ha enfrentado? ¿Cuántas expansiones? ¿Salieron completamente como se esperaba?

Es probable que incluso en escenarios donde se han considerado diferentes situaciones, la ejecución resulte muy lejos de lo esperado; en el contexto de la integración de una nueva portadora en una red LTE para ampliar la disponibilidad de recursos a las que tienen acceso los usuarios, es posible encontrarnos con la circunstancia en donde los KPIs existentes se desmejoren en lugar de mejorar su desempeño, como ocurrió en caso de estudio que se desarrolla en este artículo, en donde luego de realizar la integración de una nueva red LTE 1900 MHz, KPIs como throughput, % CSFB, y uso de PRB se vieron desmejorados.

Incluso en una situación en donde los KPIs previos a la integración no se ven afectados, es importante buscar el mejor aprovechamiento de los recursos instalados, de forma de garantizar al usuario final la mejor experiencia posible.

En un servicio de optimización desarrollado recientemente por el equipo de RF de Ekspresa, se logró no solo optimizar el balanceo de recursos entre ambas bandas, sino que también ayudó a mejorar la red del operador en los siguientes puntos:

  1. Equilibrio entre el uso de los recursos físicos de red y el uso de bandas.
  2. Mejorar la experiencia del usuario.
  3. Maximizar el uso de la inversión realizada en la red.
  4. Optimizar el proceso de handover dentro de bandas, y dentro de celdas.
  5. Albergar mayor cantidad de usuarios sin desmejora de los indicadores de calidad

Caso de estudio: Optimización de balance de carga en una red LTE 700 con overlay 1900

En una red existente LTE FDD 700 MHz se implementó la expansión a través de LTE 1900 MHz con el propósito de moderar la carga en la banda existente, en el siguiente gráfico podemos observar el comportamiento del porcentaje de uso de PRB en uno de los sectores del nodo luego de la activación de la nueva portadora:

Fig. 4 Uso de PRB luego de integración de LTE 1900 MHz

Una vez instalada la capacidad física, los recursos no son ocupados de manera eficiente o quedan sin uso, como se observa en la figura 2, en donde se muestra que el uso de los recursos físicos de bloque luego de la integración de LTE 1900 MHz (Línea naranja) supera por mucho los de la red existente LTE 700 MHz (línea azul).

 Y es allí donde inicia la intervención del Ingeniero de Radio Frecuencia de EKSPRESA en conjunto con el equipo de campo de Drive Test. Con base a los datos colectados, estadísticas y experiencia en la optimización de otras redes se procede a revisar los algoritmos que intervienen en el manejo de tráfico y asignación de canales.

Del mismo modo también se procuró alinear las expectativas del cliente con base a la nueva expansión instalada, se conversó sobre los siguientes puntos:

El proceso para lograr dicha optimización fue generar algoritmos de movilidad entre bandas, tanto en modo idle y modo conectado, y algoritmos de balanceo de carga de PRB.

Se configuraron distintos umbrales a nivel de celda, ajustados en un lazo cerrado de implementación, donde se evaluaban y se implementaban cambios nuevamente. A nivel de celda se confirmaba la optimización luego de 2 semanas de integración y a nivel de cluster un mes una vez que todas las expansiones estuviesen completadas.

Fue un reto, ya que esto ocurría en paralelo a las expansiones, por lo que la optimización “acompañaba” a la integración, casi de forma inmediata. Sin embargo, EKSPRESA logró adaptarse a las propuestas del cliente, incluso llegando más allá de lo que se esperaba del proyecto, asegurando el mejor uso posible a los recursos instalados.

Datos luego de optimización de PRB en red LTE con dos portadoras

Como se muestra en la Figura 5, luego de la implementación de los algoritmos de optimización, se logró equilibrar el uso en ambas bandas y, por ende, el mejor aprovechamiento posible de los recursos físicos de LTE 700 MHz (línea azul) y LTE 1900 MHz (línea naranja).

Gráfica de comparación de uso de recursos entre LTE 1900 MHz y LTE 700 MHz luego de la optimización
                      Fig. 5 Optimización de uso de recursos de red entre LTE 1900 MHz y LTE 700 MHz

La particularidad de este tipo de optimización fue precisamente realizarlo casi en tiempo real con las integraciones, en una red de gran dimensión y cantidad de usuarios, sin afectar su experiencia, además tomando en cuenta que no necesariamente la optimización de PRB (punto de vista de red) es paralela a la de throughput (punto de vista del usuario) muchas veces cuando se intenta optimizar una, se perjudica la otra. El secreto estuvo en encontrar el punto de equilibrio que permita ambas cosas a la vez, tal y como se muestra en la siguiente gráfica:

Optimización de uso de recursos de red y throughput entre LTE 1900 MHz y LTE 700 MHz
       Fig. 6 Optimización de uso de recursos de red y throughput entre LTE 1900 MHz y LTE 700 MHz

Se concluye que la implementación de los algoritmos estudiados por EKSPRESA, es posible optimizar la capacidad instalada asegurando el máximo aprovechamiento de recursos, obteniendo resultados satisfactorios en el área financiera, la experiencia del usuario, la movilidad y en la capacidad de la red.

Referencias