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Capítulo 4: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MÓVILES

En este capítulo se presenta una breve introducción a los sistemas de radiocomunicaciones móviles. Estos sistemas permiten explotar

en toda su extensión todas las potencialidades de los sistemas inalámbricos por la movilidad inherente al mismo. Son sistemas

zonales lo que implica una variación continua del trayecto radioeléctrico.

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ÍNDICE

• Introducción y generalidades.

• Clasificación de los sistemas de radiocomunicaciones móviles.

• Sistemas de concentración de enlaces (trunking).

• Dimensionamiento de la red celular.

• Propagación en canales móviles.

• Proyecto de sistemas móviles

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BIBLIOGRAFÍA

• Transmisión por radio. J.M. Hernando Rábano. Capítulo 7. 2ª Edición. Editorial Centro de Estudios Ramón Areces.

• Comunicaciones Móviles. J.M. Hernando Rábano. 1ª Edición. Editorial Centro de Estudios Ramón Areces.

• Comunicaciones móviles GSM. Coordinador J.M. Hernando Rábanos. Fundación Airtel.

• The Mobile Radio Propagation Channel . D.J. Parsons. Pentech Press 1992.

• F. Pérez Fontán y A. Seone. Seminario Internacional de Comunicaciones Móviles Dpto. de Tecnologías de las Comunicaciones, Universidad de Vigo.

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INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES (I)

• Definición: permiten el intercambio de información entre terminales móviles y/o terminales fijos con una calidad determinada.

• Se caracterizan por la movilidad por lo que son sistemas de cobertura zonal.• Se estudiará el sistema móvil terrestre privado (PMR) o público (TMA):

– PMR:• Origen: ámbitos restringidos como tareas de despacho, gestión de flotas,

mantenimiento de servicios públicos (policía, bomberos,…)• Características:

– Cobertura básicamente local.– No están conectados a la red telefónica pública conmutada (RTPC).– Tradicionalmente disponían de acceso FDMA– Problema cuando aumenta el número de terminales: tendencia a sistemas

trunking, de concentración de enlaces.– TMA (telefonía móvil automática):

• Sistemas de concentración de enlaces.• Interconexión entre redes móviles y la red telefónica pública conmutada (RTPC).• Utilización de técnicas digitales: acceso TDMA y CDMA• Transmisión de voz y datos.

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• Tipos de terminales:– Estaciones fijas (no prevista para su utilización en movimiento):

• Estación de base (EB-BS): se controla mediante una estación de control fija; puede suministrar equipos de TX/RX juntos o separados.

• Estaciones de control gobiernan automáticamente el funcionamiento de otra estación de radio en un emplazamiento fijo.

• Estaciones repetidoras: retransmiten las señales recibidas.– Estaciones móviles:

• Equipos portátiles o de mano;• Equipos portamóviles instalados temporalmente en vehículos.

– Equipos de control: dispositivos necesarios para el gobierno de EB.

• Nomenclatura de enlaces:– Enlace descendente (DL):

• Sentido de comunicación: EB a móvil. Distancia de cobertura: alcance.– Enlace ascendente (UL):

• Sentido de comunicación: móvil a EB. Distancia de cobertura: retroalcance. – Debe procurarse igualdad entre alcance y retroalcance (simetría de enlace).

INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES (II)

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• Generalmente el alcance es mayor que el retroalcance• Concepto de cobertura: debido a la variabilidad solo puede hablarse en sentido

estadístico. Se utilizan dos grados de cobertura/porcentaje:– Emplazamientos: tanto por ciento de lugares en donde se espera que haya enlace.

• Cobertura zonal: afecta a todo el área en torno a la estación base.• Cobertura perimetral: afecta a una zona anular situada en el perímetro.

– Tiempo: tanto por ciento de tiempo en que se espera que haya enlace.

• Radio de cobertura tiene una dependencia grande con la altura de la antena transmisora.

INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES (II):ESTRUCTURA BÁSICA DE UN SISTEMA PMR

Terminal fijo CONTROL PABX

Estación de base(EB)

E.M. BUSQ.E.P.

Malla de comunicaciones

Centralita telefónica privada

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CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (I).

• Por la modalidad de funcionamiento:– Sistemas de radiotelefonía: transmisión en ambos sentidos (EB-EM y EM-EB)– Sistemas de radio-búsqueda (paging): transmisión en un sentido EB-EM.

• Por el sector de aplicación:– Radiotelefonía móvil privada (PMR): acción local y no conectado a la RTPC– Radiotelefonía móvil pública (PMT):

• Cobertura desde una nación a continental y global.• Conexión a la RPTC.• Características de calidad similares a los del sistema público.

– Telefonía inalámbrica. (Cordless Telephony y Wireless Telecommunications- WLAN)

• Por la banda de frecuencias utilizada.– Banda VHF (30-300MHz; utilizada en sistemas PMR)

• Banda baja de 30 a 80 MHz• Banda alta de 140 a 170 MHz• Banda III de 223 a 235 MHz

– Banda UHF• Banda baja de 406 a 470 MHz (sistemas PMR)• Banda alta de 862 a 960 MHz (sistemas PMT)• Banda de 1800 a 1900 MHz (sistemas PMT)

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CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (II).

Característica

Banda

VHF baja VHF alta UHF baja UHF alta

Uso típico Rural Rural/urbano Urbano Urbano

Penetración Mínima Media Alta Alta

Pérdida vegetación Mínima Media Alta Alta

Multitrayecto Escaso Apreciable Pronunciado Alto

Inter. sobrealcance Máxima Media Baja Baja

Ruido ambiente Alto Medio Bajo Bajo

Disponibi. canales Casi nula Muy pequeña Pequeña Mediana

Tamaño antenas Grande Medio Pequeño Pequeño

Ganancia anten. Mínima Media Alta Alta

Canalización (KHz) 25 12.5 12.5 25/200

Alcance típico (base-móvi; h=30 m, P=20w)

30 km 20 km 10 km 4 km

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• Por la técnica de acceso múltiple.– FDMA: suelen ser de un solo canal por portadora (SCPC). Cada usuario utiliza

frecuencias diferentes.– TDMA: únicamente viable con transmisión digital; diferentes usuarios pueden

compartir la misma frecuencia en intervalos diferentes.– CDMA: se superpone a la información digital de cada usuario un código que les es

propio: secuencia directa (DS), por salto de frecuencias (FH) o por técnicas híbridas

• Por la modulación y canalización.– Sistemas móviles analógicos (FDMA):

• Modulación en frecuencia (FM) con algún tipo de preacentuación o deacentuación• Canalización normal (Δf 25 KHz; fd= 5 KHz (PMR) o 9KHz (PMT)) o estrecha (Δf

12.5 KHz; fd= 1.5 KHz). – Sistemas móviles digitales (TDMA):

• Modulación digital con desplazamiento mínimo y prefiltrado gaussiano (GMSK)• Canalización: múltiplo de 25 KHz (GSM: 200KHz)

– Sistemas móviles digitales (CDMA):• Modulación de fase coherente PSK• Canalización de banda ancha del orden de 1.5 MHz

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (III).

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• Por el modo de explotación: símplex, semidúplex, dúplex.• Modo símplex

– A una frecuencia:• Ventaja: sencillez, además un móvil cuyo retroalcance no le permita llegar a la

EB puede hacerlo a través de otro móvil• Inconveniente: captura de una comunicación por otra; captura por parte de una

estación base de la comunicación de un móvil con otra estación base– Para solucionar lo último se acude a separación en frecuencia (4-5 MHz)– Cuando hay varios equipos no hay reducción en el espectro utilizado.

– A dos frecuencias: soluciona el anterior problema al precio de que los móviles no pueden hablar entre sí.

• Modo semidúplex– Supera el problema de los símplex a dos frecuencias comunicándose los móviles (son

símplex) entre sí a través de la estación base (dúplex).

• Modo dúplex– Tanto móviles como EB disponen de duplexores. Se requiere un radiocanal diferente

para enlazar cada móvil con la base.– La comunicación entre móviles sólo puede hacerse a través de la estación base.

CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (IV)

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CALIDAD DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES

• Calidad de cobertura:– Extensión: tamaño de la zona de cobertura.

– Escenario: describe el entorno (calles y carreteras, interior de vehículos, edificios o túneles)

– Grado de cobertura (perimetral o zonal)

• Calidad de terminal (el alcance iguala al retroalcance)

• Calidad en cuanto a disponibilidad: se cuantifica mediante la prob. de bloqueo o congestión mediante la que se rechaza una tentativa de comunicación.

• Calidad en cuanto a fiabilidad: porcentaje máximo admisible de interrupciones.

• Calidad en cuanto a fidelidad: grado de inteligibilidad o número de errores con que se recibe una comunicación.– Analógicos: mediante la relación SINAD (Signal to Noise and Distortion Ratio)

– Digitales mediante la BER

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EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES

• Sistemas de PMR– En la actualidad ya se ha llegado a sistemas de concentración digitales (TETRA)

• Sistemas de PMT– Mediados de los 60: sistema IMTS (Improved Mobile Telephone System) en USA.

EB’s de gran cobertura, con pequeña dotación de canales saturados con facilidad.

– Concepto de estructura celular (1947) y desarrollado 30 años después: disposición de una banda de frecuencias importante y sistemas de señalización.

• En USA se desarrolla AMPS (Advanced Mobile Phone Service) en 800 MHz

• En los países nórdicos NMT450 primero y NMT900 después

• En Gran Bretaña se desarrolla TACS a 900 MHz

– En Europa GSM (Groupe Special Mobile): reservar una banda de frecuencia y elección de multiacceso TDMA. Se desarrollan sistemas en USA y Japón paralelos.

– GSM se universaliza (Global System for Mobile Communications)

– DCS-1800 similar al GSM pero en la banda de 1800 MHz

– Sistemas de tercera generación: sistemas IMT2000 en USA y UMTS en Europa (inclusión de multimedia y servicios de banda ancha; disponibilidad de terminales muy ligeros)

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• Sistemas de telefonía inalámbrica– Origen: teléfono sin hilos. Estación base conectada a la red analógica con un terminal

portátil. Doble frecuencia en VHF baja 46-48 MHz (CT0)

– Segunda generación (CT2): varios usuarios con acceso FDMA en 864-868 MHz.

– Sistema DECT proporciona centralitas automáticas.

• Sistemas de radiobúsqueda– Origen: equipos sencillos que transmiten mensajes alfanuméricos.

– Estándar europeo ERMES: radiobúsqueda internacional.

• Redes de área local inalámbricas– Utilización del recurso radio en las redes de área local (LAN)

– Ventajas: flexibilidad. Inconveniente: Sensibilidad a interferencias y necesidad de definición de una técnica de acceso.

– Origen: USA: banda ISM, estándar IEEE 802.11, velocidades 2 Mbit/s

– Europa: HIPERLAN, banda de trabajo 5.2 GHz; velocidades 20 MBit/s

EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES MÓVILES (II)

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PROPAGACIÓN POR CANALES MÓVILES

• Características generales de los canales móviles.– Cobertura zonal: necesidad de predicciones de propagación.

– Multiplicidad de trayectos entre transmisor y receptor.

– Variabilidad de los trayectos debido al desplazamiento de los móviles lo que supone variación con la distancia y el tiempo de las condiciones de propagación

• Requisitos en la planificación de sistemas móviles:– Caracterización del canal en banda estrecha: determinación de la pérdida básica de

propagación entre transmisor y múltiples puntos situados en la zona de cobertura:

• Lb es la pérdida básica de propagación

• Lbf pérdida básica de propagación en condiciones de espacio libre

• Lex es la pérdida por exceso debido a efectos del terreno

• Lent pérdidas del entorno inmediato al receptor

– Caracterización del móvil en banda ancha: análisis de los efectos del multitrayecto, sobre todo en zonas montañosas y urbanas.

– Desarrollo de modelos de simulación lógicos (software) y físicos (hardware)

– Realización de medidas radioeléctricas para validar los anteriores puntos.

entexbfb LLLL

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CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LA PROPAGACIÓN POR MÓVILES (I)

• Variabilidad: potencia transmitida es fija mientras que la recibida es una variable aleatoria.

• Pérdida básica de propagación: – k depende del tipo de terreno

– n es función del medio de propagación y de la altura de la antena

• Las leyes anteriores de propagación proporcionan valores medianos.

dnLdLdldkdl bnn

b log1000

Entorno Factor de exponente n

Espacio libre 2

Urbano 2.7-3.5

Urbano con grandes edificios 3-5

Interior de edificios 1.6-1.8

Interior de edifcios con sombras 2-3

Entorno suburbano 2-3

Zonas industriales 2.2

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CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LA PROPAGACIÓN POR MÓVILES (II)

yxGdLdLyxgdlyxgdkdl bn

b ,,,

3

2

1

d

dd

• El entorno entre T y R varía: atenuación variable, desvanecimiento lento

– G(x,y) variable aleatoria de media 0 y desviación típica σ dB

• El entorno inmediato al móvil en un radio de 100 λ es donde se producen las interacciones de ondas con estructuras próximas al RX: desvanecimiento rápido

– La función R(t,f) depende de la distancia

y de la frecuencia y es una función Rayleigh

de media 0

ftRyxGdLdLftryxgdlyxgdkdl bn

b ,,,,,

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Señalrecibida (dBu)

tiempo

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LA PROPAGACIÓN POR MÓVILES (III)

Patrón de ondas estacionarias

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MÉTODOS DE PREDICCIÓN BASADOS EN MEDIDAS: OKUMURA-HATA (I, Okumura)

• El modelo de Okumura es uno de los más usados en el mundo para la predicción en áreas urbanas.

• Comenzó en base a una amplia campaña de medidas en Tokio para las bandas de 150, 450 y 900 MHz con antenas casi omnidireccionales en TX y RX.

• Se sacaron curvas de distribución y se extrajo el valor medio• Se aplica de 150MHz a 1920MHz pero también se usa fuera de ese rango.• En distancia se cubre un rango de 1 a 100 Km• Se puede usar con estaciones base de altura de 30 m a1000 m.• No tienen en cuenta la ondulación del terreno• Se diseñó en Tokio lo cual es importante por la ciudad de la que parten.• El modelo se expresa como

– L50 son las pérdidas en el percentil – LF pérdidas en espacio libre– G(hte) factor de la antena transmisora– G(hre) factor de la antena receptora y GAREA ganancia del entorno

AREAreteMUF GhGhGdfALdBL )()(),()(50

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OKUMURA GRÁFICA DE ATENUACIÓN

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OKUMURA GRÁFICA DE CAMPO

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MODELO DE OKUMURA-HATA

• Modelo de Okumura– Basado en medidas con correcciones hechas gráficamente.

• Modelo de Hata– Hata mejoró el modelo mediante la sistemización y formulación obtenida a partir de los

gráficos de Okumura

– Este término representa el valor de 10n– a(hRX) corrección por altura de antena receptora.

• Para una ciudad pequeña:

• Para una ciudad grande

• Es fundamental fijar los límites de estabilidad

8.0log56.1)7.0log1.1()( MHzRXMHzRX fhfha

kmTXRXTXMHzdBUr dhhahfL log)log55.69.44()(log82.13log16.2655.69,

MHzfhha

MHzfhha

RXRX

RXRX

40097.475.11log2.3)(

2001.154.1log29.8)(2

)log55.69.44( TXh

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CARACTERIZACIÓN EN BANDA ANCHA DE LOS CANALES RADIOELÉCTRICOS

• La caracterización de un canal por medio de desvanecimiento no es válida en banda ancha: efectos multitrayecto, variabilidad del canal con el tiempo.– Efecto multitrayecto: dispersión temporal: exceso de retardo entre el primer eco y el i.

• En el dominio del tiempo: interferencia entre símbolos.

• En el dominio de la frecuencia: desvanecimiento selectivo en frecuencia (FSF).

– Ancho de banda de coherencia: grado de correlación entre dos componentes separadas Bc. Si Bt<<Bc desvanecimiento plano, si no, selectivo.

– Variabilidad del canal con el tiempo: patrón espacial se transforma en otro temporal;

• el desv. espacial se transforma en desvanecimiento selectivo en tiempo (TSF)

– la señal TDMA “ve” distintos canales: tiempo de coherencia, Tc, tiempo entre el cual los elementos de señal están correlados.

• Variaciones temporales de la amplitud recibida originan una dispersión de frecuencia o desplazamiento Doppler: variaciones de las frecuencias espectrales.

• En resumen, se necesitan cuatro parámetros:– Dispersión temporal: dispersión de retardo y ancho de banda de coherencia

– Dispersión de frecuencia: dispersión Doppler y tiempo de coherencia.

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CARACTERIZACIÓN EN BANDA ANCHA DE LOS CANALES RADIOELÉCTRICOS (II)

• En radioenlaces digitales los anteriores efectos provocan una degradación en la tasa de errores en los bits que llega a un valor umbral que no se reduce (I-BER).

• Compensación del multitrayecto:– Técnicas de diversidad

– Saltos de frecuencia (frecuency hopping)

– Ecualizadores digitales en el receptor.

• Receptores de gran resolución para separar los ecos (receptor RAKE) a partir de las características del canal.

• Utiliza sondeadores en banda estrecha y ancha para extraer la información del canal.

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MODELOS DE CANAL MULTITRAYECTO

• Por su naturaleza:– Modelos matemáticos basados en la representación de las ondas por rayos y su

interacción con fuentes dispersoras.

– Modelos físicos: materialización de los fenómenos mediante circuitos electrónicos

• Por su variabilidad:– Modelos estáticos, el receptor es fijo.

– Modelos dinámicos, el receptor es móvil.

• Por el tipo de tratamiento:– Modelo determinístico manejan estructuras de dispersores no aleatorias

– Modelo aleatorio caracterizan el canal como un proceso aleatorio multidimensional.

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MODELO DETERMINÍSTICO DE DISPERSORES

• Señal en receptor es la suma de N rayos que después de incidir en un dispersor alcanzan el receptor.

• Señal paso bajo equivalente supone que en un intervalo elemental la estructura de dispersores es invariante y la variación de la señal moduladora pequeña:

• Contribución del rayo i (dispersor i-ésimo)

• Aproximaciones:– Señal:

• Amplitud constante

• Función de retardo con variación lineal

• Intervalo temporal suficientemente pequeño

– Fase de la señal (una variación de π rad para 1800 Mhz equivale a un retardo de 0.556 ns)

• Contribución resultante del rayo i:

ttwjttxtAtr iciii expRe

twjtxts c expRe

tt iii .

xBWt 1.

iii txttx

.

ciii

ttwjtxtAtr iciiciii expRe

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• Expresión de la variación de la función de retardo:

• Desplazamiento Doppler:

• Señal resultante del rayo i:

• Señal total, suma de todas las contribuciones:

• Parámetros de dependencia:– Amplitud

– Frecuencia Doppler:

– Retardo:

– Desfasamiento:

MODELO DETERMINÍSTICO DE DISPERSORES (II)

icv cos.

diicici v .

;cos

iicdiciii tjtxtAtr expRe

i

iicdiciii tjtxtAtr expRe

i

di

ii di(0)

di(Δt)

v(Δt)

αi

αi

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CARACTERIZACIÓN DE CANALES MULTITRAYECTO (I): FUNCIONES DEL SISTEMA

• Canales variables multitrayecto (caracterización clasica): función de transferencia y respuesta impulsiva.

• Fenómenos a considerar: variación temporal y desplazamiento Doppler:– Manejo de cuatro variables: tiempo, frecuencia, dispersión temporal y desplazamiento

Doppler

• Funciones básicas de Bello:– Función de respuesta impulsiva variable con el tiempo IDSF (Input Delay Spread Function):

– Función de transferencia variable con el tiempo TVTF (Time Variable Transfer Function):

– Función desplazamiento Doppler-retardo DDSF (Doppler Delay Spread Function):

– Función de transferencia de frecuencia-desplazamiento Doppler ODSF (Output D.S.F):

,S ,fH

,th

tfT ,

Dispersióntemporal

Desvanecimientoselectivo en frec. f

Variabilidadtemporal t

Dispersiónfrecuencia

Dominio (f, )

Dominio (, t)

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FUNCIONES DEL SISTEMA (II)

,S

,fH

tfT ,

,thDFTt DFT

DFTtDFT

IFTf

IFTfIFT

IFT

Relación entre las funciones de Bello

Problema: imposibilidad de disponer de la función densidad multidimensionalSolución: trabajo con las funciones de correlación suponiendo procesos gaussianos de media nula

2121 ,,, ttRhDFTt DFT

DFTtDFT

IFTf

IFTfIFT

IFT

2121 ,,, ffttRT

2121 ,,, ffRH

2121 ,,, SR

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CARACTERIZACIÓN DE CANALES PRÁCTICOS (I)

• Para recorridos pequeños de los terminales t1 y t2 difieren poco y los procesos y H(t,f) son estacionarios en sentido amplio (WSS) por lo que sus funciones de correlación dependen únicamente de la diferencia de tiempos.

• La propiedad WSS implica incorrelación Doppler

• Las variables t,f y τ, θ son duales por lo que las propiedades de WSS y US se trasladan.

• Los canales móviles reales, en una buena aproximación, son WSS en la variable t y US en τ por lo que también son WSS en f y US en θ. Si definimos la variable u=t2-t1 y v=f2-f1 las nuevas funciones quedan:

,th

;,;,:

;,:

,:

;;:

122121

2121

2121

SS

HH

T

hh

PRDDSF

vPvRODSF

uvRTVTF

uPuRIDSF

,uPhDFTu DFT

DFTuDFT

IFT

v

IFT

v

IFT

IFT

uvRT ,

,vPH

,SP

RCM -4- 30

• Descripción de las funciones anteriores:– Función Ph(u,τ), WSS en u y US en τ; u=0, Ph(0,τ)= Ph(τ)=PDP, perfil retardo potencia.

– Función de correlación en f (WSS) y en u (US) de aquí se deduce el ancho de coherencia (en el caso u=0) o el tiempo de coherencia (v=0) (RT(u,v))

– Función de correlación en v (WSS) y de dispersión Doppler (US) (PH(v, θ))

– Función densidad de potencia en la variable dispersión (PS(τ, θ)). Para τ=0, PS(θ) constituye el perfil de potencia Doppler. Esta función se ha tomado como base para el desarrollo de muchos software.

• Características del Perfil de Retardo potencia (PDP):– Proporciona una información primaria sobre los valores del desplazamiento Doppler.

– Parámetros: retardo máximo último valor de τ con cruce por el nivel de ruido

– Dispersión de retardo D (trasnp.31)

– Retardo medio: (transp31)

– Los mismos parámetros se pueden definir respecto a la dispersión Doppler con la función perfil de potencia Doppler.

CARACTERIZACIÓN DE CANALES PRÁCTICOS (II)

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CARACTERIZACIÓN DE CANALES PRÁCTICOS (III)

Dispersión de retardo

2

1

2

max

min

max

min

dP

dPD

D

max

min

max

min

dP

dP

D

Retardo medio

2

1

2

d

d

d

d

f

f

S

f

f

S

dP

dP

D

d

d

d

d

f

f

S

f

f

S

dP

dP

Valor medio de la dispersión DopplerDispersión Doppler

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ANCHURA DE BANDA DE COHERENCIA Y TIEMPO DE COHERENCIA

• Anchura de banda de coherencia del canal Bc, para el nivel de correlación ρ, es el intervalo comprendido entre 0 y f1 para la que RT(f1)= ρ. Para determinar dicho intervalo suele tomarse ρ=0.5.

• Para un perfil de retardo potencia exponencial con parámetro D dispersión de retardo, el ancho de banda de coherencia es

• Que se ve que es inversamente proporcional a la dispersión de retardo.

• Tiempo de coherencia Tc, para el nivel de correlación ρ, es el valor de u para el que R(u)= ρ; suele tomarse ρ=0.5.– Si la duración de un elemento de señal es T>Tc el canal es selectivo en el tiempo

– Si la duración de un elemento de señal es T<Tc el canal no es selectivo en el tiempo

• Para un perfil de potencia Doppler

D

BDD

P c

21

;exp1

d

c

dd

s fT

ff

f

fP169

12

12

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SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN DE ENLACES

• Fundamento teórico:– Tráfico generado por un sistema de móviles se entrega a un conjunto de

radiocanales.– La asignación no es rígida sino flexible– Pregunta: ¿Qué es más eficiente, entregar a un sistema radioeléctrico con N

radiocanales o a N sistemas radioeléctricos con un radiocanal cada uno?– Modelado del tráfico como una función Erlang B

• Opción A: • Opción B:

– AN>A1 para N>1– Se cursa más tráfico cuando se ofrece a un número mayor de radiocanales

• Regímenes de funcionamiento de sistemas de telecomunicación:– Sistemas privados: cuando el sistema se congestiona la llamada se pone en espera.

Se modelan como una Erlang C– Sistemas públicos: cuando el sistema se congestiona las llamadas se pierden. Se

modelan como una Erlang B

• Método de gestión de canales: protocolo MPT1327

1,

,1

1

1

pBNA

NpBAN

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RECORDATORIO DE LA FUNCIÓN ERLANG-B

• Si se disponen de N canales con un tráfico de A Erlangs, la probabilidad de bloqueo es:

• Para un N dado, conforme crece A, así también lo hace la probabilidad de bloqueo.

QoS

kA

NA

pbloqueoPN

k

k

N

r

0 !

!][

Canales Tráfico para una calidad de servicio (QoS); probabilidad de

rechazo

=0.01 = 0.005 = 0.002 = 0.001

2 0.153 0.105 0.065 0.046

4 0.869 0.701 0.535 0.439

5 1.36 1.13 0.900 0.762

10 4.46 3.39 3.43 3.09

20 12.0 11.1 10.1 9.41

24 15.3 14.2 13.0 12.2

40 29.0 27.3 25.7 24.5

70 55.1 53.7 51.0 49.2

100 84.1 80.9 77.4 75.2

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• En función de las previsiones de tráfico y grado de calidad se determina :– El número de radiocanales por celda

– La dimensión de la agrupación.

– El radio celular.

SISTEMAS DE TELEFONÍA PÚBLICA CELULAR (I)

12 34 5

12 34 5

12 34 5

12 34 5

D

D

DR

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SISTEMAS DE TELEFONÍA PÚBLICA CELULAR (II)

• Objetivos: – Gran capacidad de abonados; calidad telefónica similar al servicio convencional;

utilización eficaz del espectro; conmutación automática de radiocanales.

• Sistemas celulares: – La zona de cobertura se divide en zonas más pequeñas llamadas celdas, cada una con

un número de radiocanales.– En un conjunto de celdas separadas una distancia cocanal o de reutilización D, se

pueden reutilizar las frecuencias.– Son sistemas limitados por interferencia y la calidad de servicio depende de la relación

portadora/interferencia.

– Si se reduce el radio de la celda se puede disminuir la distancia de reutilización y por lo tanto reutilizar las frecuencias más veces.

– Así un conjunto de frecuencias suelen dividirse en juegos de frecuencias asignados a un cierto número de celdas constituyendo un cluster de forma que se cubre toda la zona formando un enlosado de celdas

nn

nt

nt

nb R

DR

RDic

RDk

Pi

Rk

Pc

dkdl

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DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA TMA

• Se dimensionan como sistemas de llamadas perdidas: p=B(N,A)– p: probabilidad de pérdida– N: número de canales de tráfico disponibles en la celda.– A: tráfico ofrecido por los móviles

• Determinación del número de radiocanales (por cluster):C=W/Δf – W: recurso espectral; Δf: separación de radiocanales

• Número de radiocanales por célula: N=C/J (con J el número de celdas)• Tráfico total ofrecido: A=MLH/3600(Erlang) (para un móvil a=HL/3600)

– M: número de móviles; L: número llamadas por móvil en hora cargada; H duración (s)

• Intensidad de tráfico en la celda: A=B-1(N-1,p) (N-1 canales de datos)• Número de móviles en la célula: m=A/a.• Densidad de tráfico admisible en la célula: ρa=A/Sc (Sc superficie celular)• Superficie de un cluster o agrupación de celdas: Sr =JSc

• Número total de agrupaciones en la superficie de cobertura (S): Q=E(S/ Sr)+1– Q también representa el índice de reutilización del sistema– Oferta total de canales de tráfico: QJ(N-1)~C*(S/(J*Sc))– El número de canales es tan grande como se quiera si reducimos J o la superficie de celda– J está acotado por la relación de protección, sólo se puede reducir la superficie de la celda

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EJEMPLO DE DIMENSIONAMIENTO

• Número total de móviles a los que se puede dar servicio: M=QJm

• EJEMPLO

Supóngase un sistema celular con celdas circulares de radio 2 km y agrupaciones de J= 7 celdas. Se dispone de 280 canales. La probabilidad de bloqueo es del 10% y el tráfico por móvil es 25 mE. La superficie de cobertura es 400 km2

• Número de radiocanales por celda: N=280/7=40 (uno para señalización y 39 datos).

• Intensidad de tráfico en la celda: A=B-1(39,0.1)=37.715E

• Número de móviles por celda: m=1508

• Densidad de tráfico: ρa=37.715/π(2)2=3E/km2

• Índice de reutilización: Q=E(400/(7*12.57))+1=5

• Oferta total de canales de tráfico: 5*39*7=1365

• Número total de móviles: 5*7*1508=52780

RCM -4- 39

GEOMETRÍA CELULAR (I)

u

v

60º

• Forma geométrica más conveniente. Estudio supone TX idénticos Terreno homogéneo Antenas omnidireccionales Esto supone cobertura circular Problema: solape o recubrimiento parcial

• Estructura geométrica de la agrupación Coberturas poligonales Polígonos: triángulo, cuadrado, hexágono

• Análisis de interferencia Hexágono tiene mayor relación área/radio Mínimo número de celdas necesario

• Ubicación de estaciones base Sistema de coordenadas oblicuas u-v. Cada vértice del triángulo es un nodo Las estaciones base se colocan en los nodos

RCM -4- 40

GEOMETRÍA CELULAR (II)

222

2121212

212

2

2121212

212

212 120cos2

jjiid

vvvvuuuud

vvvvuuuudd

2

222

31

RD

JjjiidD

61

45 3

27

61

45 3

27

61

45 3

27

61

43

27

61

45 3

27

61

45 3

27

61

45 3

2

61

45 3

27

u

v • Parámetros de diseño.Radio del hexágono: R Distancia entre nodos contiguos: d=R*√3 Distancia entre nodos arbitrarios (th.coseno)

Distancia de reutilización

Los números enteros J se llaman rómbicos y definen el rombo cocanal que constituye elcluster, agrupación o racimo 222

31

;2

33;

23

RD

SS

JR

SD

Sc

rcr

RCM -4- 41

GEOMETRÍA CELULAR (III): tamaño del racimo

i j J

1 0 1

1 1 3

2 0 4

2 1 7

2 2 12

3 2 19

4 1 21

RCM -4- 42

GEOMETRÍA CELULAR: limitación por interferencia

• Relación portadora interferente para 6 interferencias cocanal idénticas en una EB

• Ejemplo: Rp=17 dB; rp=50.12; n=3.9; J≥6.22 lo que supone que el número rómbico inmediatamente superior J=7.

• En el borde de la zona de cobertura se tiene:

• Con los datos del ejemplo anterior se obtiene J≥9.43 y viendo la tabla de números rómbicos resulta J=12.

np

n

total

n

totaln

t

nt

rJic

JRD

ic

RDk

Pi

RkP

c2

2

631

631

61

6

21

6131

61

np

n

total

rJR

RDic

RCM -4- 43

GEOMETRÍA CELULAR: división celular

• Los sistemas con pocas celdas se saturan pronto.

• División celular posterior en mitades– Reducción a la mitad del radio de la celda; división por cuatro de la superficie.

– Incremento de la capacidad en un factor 4.

– Exigencia de mayor precisión en las ubicaciones y aumento de carga de señalización

– Aumento de costes.

• Concepto de recubrimiento: añadir células dentro de la zona de cobertura inicial– División no es homogénea

UrbanoUrbano

RuralRural

RCM -4- 44

GEOMETRÍA CELULAR: caracterización de las celdas

Tipos de celdas Ubicación antena EB Dimensión celdaTipos de celdas Ubicación antena EB Dimensión celda

• Macrocelular Sobre los tejados 1-30km• Celdas grandes (urbano) Sobre los tejados 3-30km• Celdas pequeñas (urbano) Sobre los tejados 1-3km• Microcelular Por debajo o a nivel de tejado 0.1-1km• Picocelular Por debajo del tejado o interior 0.01-0.1km

microceldassmicroceldass

macroceldamacrocelda

RCM -4- 45

SECTORIZACIÓN (I)

Antena omnidireccional.

Antena trisectorial.

RCM -4- 46

SECTORIZACIÓN (II)

• La cobertura omnidireccional requiere tamaños altos de la agrupación.

• Hay un mínimo de 6 interferencias.• Las antenas directivas reducen la

contribución de las mismas.• Se reduce el tamaño de los racimos de

celdas.• Asignación dinámica de frecuencias.

F1F2

F3

EB1

EB2

EB3

RCM -4- 47

GENERALIDADES SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA CELULAR (I)

MSMSBSCBSC BTS

BTS

BSS

MSCMSC

UmA A-bis

EIRAUCHLR

EIRAUCHLR

VLRVLRNMCNMC

OMCOMC

MSCMSCRPMTRTPCRDSI

VLRVLR

El significado de las abreviaturas de la figura anterior es:

BSC: Controlador de la Estación BaseBTS: Transceptor de Estación BaseBSS: Sistema de Estación Base

MS: Estación Móvil

MSC: Centro de Conmutación de MóvilesNMC: Centro de Gestión de RedOMC: Centro de Operación y MantenimientoAUC: Centro de autenticaciónEIR: Registro de identidad de equiposHLR: Registro de abonados localesVLR : Registro de abonados visitantes

RDSI: Red Digital de Servicios IntegradosRPMT: Red Pública Móvil TerrestreRPTC: Red Pública Telefónica Conmutada

RCM -4- 48

• Estaciones base conectadas a los centros MSC mediante enlaces dedicados. Facilidades requeridas:

• Localización del móvil y mantenimiento de la misma (roaming)– Inscripción del móvil en el registro de abonados locales (HLR)

– Exploración de canales de control e inscripción en el registro de visitas VLR

– Transferencia de esta información al HLR del móvil.

• Conexión del móvil dondequiera que esté (paging)– Encaminamiento de una llamada mediante interrogación al HLR

– Se indica a la MSC donde debe reencaminarse la llamada.

– El aviso le llega simultáneamente por varias celdas (paging)

• Sintonización automática de canales por parte del móvil

• Transferencia o de una llamada cuando el móvil cambia de celda (handover)– Medidas de campo entre la MS y las EB próximas para efectuar o no la conmutación.

– Puede suponer una brevísima interrupción de la comunicación.

GENERALIDADES SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA CELULAR (II)

RCM -4- 49

PROYECTO DE SISTEMAS MÓVILES (I)

• Deben abordarse dos tipos de cálculos:– De tráfico: determinación del número de canales necesarios.

– De cobertura radioeléctrica: se obtienen características de potencia y radiación así como las distancias de reutilización de frecuencias.

• Intensidad de campo utilizable en los sistemas móviles: obtención del campo mediano necesario.

– Corrección por ruido y multitrayecto

– Corrección estadística:

• Relación entre porcentajes de cobertura zonal y perimetral

• Corrección estadística para porcentajes L y T

EEEE ermn

1001;071.3;

2

112exp50%%

1

2

PGPk

ny

Pkx

yxerfc

yxy

LZ

L

2

122

TLe TkLkE

RCM -4- 50

• Cálculo de cobertura radioeléctrica:– Cálculo de cobertura-potencia

– Cálculo de la distancia de reutilización.

• Valor umbral de la relación de protección

• Calidad de cobertura perimetral

PROYECTO DE SISTEMAS MÓVILES (II)

Porcentaje P(%) K(P)

50 0

75 0.67

90 1.28

95 1.64

Porcentajes en comunicaciones móviles

Banda σL(dB) σT(dB)

VHF 8 3

(tierra y mar)

UHF

(Δh =50 m)

10 2 (tierra)

9 (mar)

Desviaciones en emplazamientos y tiempo

LL

Lpthp LkRdBR

2'

'

nprRD

1

61

nprRD

1

1