elementos do sistema celular · formando padr es regulares de c lulas triangular quadrado hexagonal...

Planejamento de Sistemas de Comunicações Celulares e de Rádio Acesso

2 – Conceitos básicos

CETUC-PUC/Rio ELE 2614 - Capítulo 1 - Introducão 2

Elementos do Sistema Celular

BS/ERB - estação rádio base (ERB)

MSC/CCM - Centro de controle móvel

PSTN/RTPC - Rede de telefonia pública comutada

65

3

47

21

65

3

47

21

65

3

47

21

65

3

47

21

65

3

47

21

65

3

47

21

65

3

47

21

Área deServiço 1

Área deServiço 2


Freqüências (MHz)Transmissão da

Estação Móvel ERB

Banda A824-835

845-846,5869-880

890-891,5

Banda B835-845

846,5-849880-890

891,5-894

Banda D910-912,51710-1725

955-957,51805-1820

Banda E912,5-9151740-1755

957,5-9601835-1850

Subfaixas de Extensão

907,5-9101725-17401775-1785

952,5-9551820-18351870-1880

Alocação de bandas de freqüências no Brasil


Padrões para Interface Rádio - 1G e 2G

! AMPS ! Padrão analógico

! Trabalha na faixa de 800 MHz

! 30 kHz de espaçamento entre as portadoras

! 1 canal de tráfego por portadora (FDMA)

! TDMA IS-136 (D-AMPS)! Padrão digital desenvolvido para coexistir com o AMPS

! Trabalha nas faixas de 800 e 1900 MHz

! 30 kHz de espaçamento entre as portadoras

! 3 canais de tráfego por portadora (TDMA/FDMA)


Padrões para Interface Rádio - 1G e 2G

! GSM! Padrão digital utilizado na Europa.! Trabalha nas faixas de 900, 1800 e 1900 MHz! 200 kHz de espaçamento entre as portadoras! 8 canais de tráfego por portadora (TDMA/FDMA)

! CDMA IS-95! Padrão digital desenvolvido pela Qualcomm! Trabalha nas faixas de 800 e 1900 MHz! Utiliza a técnica do Spread Spectrum com espaçamento de 1,25

MHz entre as portadoras.! Até 64 canais (teórico) por canal de RF

CETUC-PUC/Rio 6

Técnicas de Acesso

• Um canal de comunicações tem capacidade suficiente, em termos

de largura de banda ou taxa de bits para transmitir diversos sinais

de diferentes usuários em comunicação simultânea.

• A questão é como combinar os diversos sinais, para transmissão

no mesmo canal e os separar do lado da recepção, recuperando as

informações individuais de cada usuário.

• Para isto podem ser utilizadas diferentes técnicas de

acesso (ou de multiplexação):

– Múltiplo acesso por divisão em frequência (FDMA)

– Múltiplo acesso por divisão no tempo (TDMA)

– Múltiplo acesso por divisão em código (CDMA)

CETUC-PUC/Rio 7

FDMA

• Os sinais de cada canal são transmitidos usando diferentes frequências centrais de portadora (RF ou rádio frequência)• Exemplo: AMPS (Advanced Mobile Phone System):– Sistema celular analógico com 932 canais de 30 kHz (42 canais para controle)– Bandas A e B com 25 MHz cada:12,5 MHz nos canais direto (base para móvel) e 12,5 MHz nos canais reversos (móvel para base )

CETUC-PUC/Rio 8

TDMA• Diversos canais utilizam a mesma frequência central de RF sendo transmitidos em diferentes intervalos de tempo– um maior número de canaispor portadora implica numamaior taxa de transmissão erequer maior faixa– os sistemas TDMA são, defato, TDMA/FDMA• Exemplo: D-AMPS, GSM

CETUC-PUC/Rio 9

CDMA• Sinais de banda estreita de cadacanal são combinados comdiferentes sinais pseudoaleatóriosde faixa larga (código).• Os sinais resultantes são transmitidos durante todo o tempo sobre toda a faixa defrequências.• No receptor, a multiplicação do sinal pelas mesmas sequências ortogonais permite separar os diferentes canais.• Exemplo: CDMA padrão celularIS-95


Canalização da faixa de 800 MHz

Canais do enlace reverso (móvel para rádio-base)

824 825 835 845 846,5 849 MHz

869 870 880 890 891,5 894 MHz

# 1 333 666 716 799

991 1023

# 1 333 666 716 799

991 1023

Canais do enlace direto (rádio-base para móvel)


Formando padrões regulares de células

triangular quadrado hexagonal


Geometria de padrões regulares

! Referência para posição das

células:! eixos (u;v) unindo centros de

células adjacentes;

! distância unitária sobre os eixos

= distância celular

! exemplos: (u1;v1)=(1;2) e

(u2;v2)=(3;-1)

! Distância entre células! D=(i2+ij+j2)1/2 dist. unitárias

onde i=(u2-u1) e j=(v2-v1)

! no exemplo


Formando clusters de células

! Cluster: grupo de células que utilizam todos os subconjuntos

distintos do total de canais do sistema.

1

cluster de sete células7 subconjuntos de freqüências

56-57 canais por células

cluster de uma célulaum único conjunto de freqüências

395 canais

54

2

31

76


Fator de reuso e distância de reuso

! Fator de reuso N: número de células por

cluster (número de subconjuntos em que os

canais totais são divididos)

! Distância de reuso D: distância entre

células de clusters adjacentes que utilizam

os mesmos canais (co-células);

! Clusters com simetria hexagonal tem

distâncias de reuso iguais tornando a

interferência bem distribuída;

! Para que exista simetria hexagonal

N=D2/3R2=i2+ij+j2 onde i e j são inteiros.

1

7

2

1

4

5

3

6

1

1

7

2

4

5

3

6

7

2

4

5

3

6

1

1

7

2

4

5

3

6

7

2

4

5

3

6

1

7

2

4

5

3

6

7

2

4

5

3

6

D


Número de células por cluster

! Seja a a área de uma célula hexagonal e A a área de um

cluster hexagonal:

clustercélula

D/2

R


Razão de reuso q

! Raio da célula: R! Distância de reuso D: distância entre co-células! Co-células: células que utilizam o mesmo conjunto de canais ! Razão de reuso: q2=(D/R)2 =3N


Cálculo de interferências

! O problema básico do planejamento celular é o

compromisso entre a maximização da capacidade e a

minimização da interferência entre co-células.

! Para estimar a interferência é necessário considerar um

modelo de propagação no canal rádio de sistemas

móveis celulares.


Propagação em regiões urbanizadas

! Em regiões urbanizadas a propagação envolve três

mecanismos: visada direta (nem sempre existente),

difração múltipla e reflexões múltiplas.

! O sinal sofre flutuações acentuadas em função dos

deslocamentos do móvel em relação à radio base.

! A potência média recebida pelo móvel depende da

potência transmitida, das alturas de antenas e cai com a

distância elevada a um expoente que depende do grau

de urbanização.


grandes obstáculos determinam o

comportamento em larga escala do sinal

sombreamento multipercurso

mecanismos (especialmente reflexão)

determinam o comportamento em pequena

escala do sinal

Propagação em regiões urbanizadas


! O sinal é composto por três elementos

d-!

queda do nível do sinal com

a distância

+

atenuação de

propagaçãovariações lentas variações rápidas

+

efeito de sombreamento efeito de

multipercurso

Composição do sinal no canal rádio-móvel


Modelos de propagação


Interferência em sistemas celulares

interferência ERB-móvel (downlink)

interferência móvel-ERB (uplink)

primeiro anel

célulainterferente


Cálculo de capacidade

! No planejamento de sistemas celulares objetiva-se

maximizar a capacidade de tráfego.

! A capacidade de tráfego é função do número de canais

por célula ou setor e do grau de serviço desejado.


Conceitos básicos de tráfego telefônico

! Unidades de intensidade de tráfego

1 Erlang = 1 circuito em uso por 60 min


Conceitos básicos de tráfego telefônico

! Probabilidade de bloqueio (modelo Erlang B)

! Grau de serviço (GOS)


Tabela de tráfego


Setorização

! A interferência pode ser reduzida utilizando-se antenas

diretivas.

! A técnica é conhecida como setorização e consiste em

dividir cada célula em setores iluminados utilizando-se

antenas diretivas, e designar a cada setor um sub-

conjunto de freqüências.

! Na prática são utilizadas divisões em 3 ou 6 setores .


Redução da interferência - 3 setores

dois interferentes por setor

interferência ERB-móvel (downlink)interferência móvel-ERB (uplink)


Redução da interferência - 6 setores

um interferente por setor

interferência ERB-móvel (downlink)interferência móvel-ERB (uplink)


Planos de frequência - Omni 7/21

! 21 grupos de canais, cada um incluindo um canal de controle

! 7 células por cluster, cada uma recebendo 3 grupos de canais (J, J+7 e J+14, onde J é o número da célula)

11,8,15

66,13,20

33,10,17

44,11,18

22,9,16

55,12,19

77,14,21

11,8,15

66,13,20

33,10,17

44,11,18

22,9,16

55,12,19

77,14,21


Plano Omni 7/21

! Capacidade! n = (416-21)/7 = 56 canais de voz por célula


Plano 7/21 setorizado em 1200

1 8

15

2 9

16

6 13

20

7 14

21

4 11

18

3 10

17

5 12

19

! Interferência cocanal


! Capacidade! n = (416-21)/21 = 18 canais de voz por setor




A1-4

A3-6

A2-5

B1-4

B3-6

B2-5

C1-4

C3-6

C2-5

D1-4

D3-6

D2-5

A1-4

A3-6

A2-5

B1-4

B3-6

B2-5

C1-4

C3-6

C2-5

D1-4

D3-6

D2-5

A1-4

A3-6

A2-5

B1-4

B3-6

B2-5

C1-4

C3-6

C2-5

D1-4

D3-6

D2-5

A1-4

A3-6

A2-5

B1-4

B3-6

B2-5

C1-4

C3-6

C2-5

D1-4

D3-6

D2-5

A1-4

A3-6

A2-5

B1-4

B3-6

B2-5

C1-4

C3-6

C2-5

D1-4

D3-6

D2-5

A1-4

A3-6

A2-5

B1-4

B3-6

B2-5

C1-4

C3-6

C2-5

D1-4

D3-6

D2-5


! Plano Omni 4/24

Plano 4/24


! Plano 7/21 omni

Plano 7/21 vs. Plano 4/24

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