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Sistemas de Comunicações

Móveis

Redes Celulares


Móveis

• Os sistemas de comunicações celulares baseiam-se no princípio da reutilização de um canal (frequência, tempo, código): um canal que é usado para cobrir uma dada área, a célula, é usado noutra área suficientemente afastada, de modo a manter a interferência co-canal dentro de limites razoáveis.

• O tipo de canal a reutilizar depende do tipo de acesso múltiplo do sistema.

Sistemas CelularesSiCe (1/6)


Móveis

• Os sistemas convencionais caracterizavam-se por:• serem limitados pelo ruído; • servirem densidades de utilizadores baixas; • dependerem fortemente da disponibilidade do

espectro; • não efectuarem reutilização de frequências; • requererem estações base de potência elevada; • apresentarem células com áreas muito extensas; • não permitirem expansão modular; • não possibilitarem a transferência entre estações

base.



Móveis

• Os sistemas celulares caracterizam-se por:• serem limitados pela interferência, isto é, a

capacidade é limitada por interferência; • servirem densidades de utilizadores elevadas; • encararem a disponibilidade de espectro apenas

como um factor limitativo; • aproveitarem a reutilização de frequências; • usarem estações base com potências baixas;• terem células com área pequenas; • possibilitarem uma expansão modular; • permitirem a transferência entre estações base.



Móveis

• A arquitectura típica é:


[Fonte: Yacoub, 1993]

Handover


Móveis


30800USA1991IS-54

EU, JUSA

J

EUIF

UKD

USAN, S

JPaís

200219961995

19911985198519851985198319811978Início

2 0001 800

900, 1 500

900, 1 800450200900450800

450, 900900

Banda [MHz]

5 000UMTS1 250cdmaOne

25PDC

200GSM25RMTS12.5R200025TACS20C30AMPS25NMT25NAMTS

Canal [kHz]Sistema


Móveis

• Evolução da penetração em Portugal


[Fonte: Anacom, 2004]

1

10

100

1000

10000

Jan. 8

9Ja

n. 90

Jan. 9

1Ja

n. 92

Jan. 9

3Ja

n. 94

Jan. 9

5Ja

n. 96

Jan. 9

7Ja

n. 98

Jan. 9

9Ja

n. 00

Jan. 0

1Ja

n. 02

Jan. 0

3Ja

n. 04

Ano

Ass

in. [

1 00

0]

GSM-Vod. GSM-TMN C-TMN GSM-Opt. Total


Móveis

• Estrutura actual do GSM

Arquitectura das RedesArRe (1/9)

[Fonte: Agilent, 2002]CS (voz,HSCSD)

PS (GPRS)

BSSMS

CN


Móveis

• Os elementos que compõem a rede são:• MS – Mobile Station• BTS – Base Transceiver Station• BSC – Base Station Controller• BSS – Base Station Subsystem• CN – Core Network• MSC – Mobile Switching Centre• VLR – Visitors Location Register• HLR – Home Location Register• SGSN – Serving GPRS Support Node• GGSN – Gateway GPRS Support Node



Móveis

• A rede rádio do GSM é


BSS

BSC

BS BS

Abis Abis

Core Network

A A

MS

Um

MS

Um

MS

Um

MS

Um

MS

Um

MS

Um

[Fonte: ETSI, 1991]

BSS

BSC

BS BS

Abis Abis


Móveis

onde


[Fonte: ETSI, 1997]

Core Network

A A

SGSNMSC/VLR

A CS A PS


Móveis

• Os serviços básicos actualmente suportados pelo GSM (Global System for Mobile Communications, anteriormente Group Spécial Mobile) são:

• CS – Circuit Switch• voz• SMS – Short Message Service• HSCSD – High Speed Circuit Switched Data

• PS – Packet Switch• GPRS – General Packet Radio System



Móveis

• A rede do UMTS (UTRAN) é


RNS

RNC

Node B Node B

Iub Iub

Core Network

Iu Iu

Iur

UE

Uu

UE

Uu

UE

Uu

UE

Uu

UE

Uu

UE

Uu

[Fonte: 3GPP, 2000]

RNS

RNC

Node B Node B

Iub Iub


Móveis

onde


[Fonte: 3GPP, 2000]

Core Network

Iu Iu

SGSNMSC/VLR

Iu CS Iu PS


Móveis

• Os elementos específicos que compõem a rede do UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), são:

• UE – User Equipment• Node B• RNC – Radio Network Controller• RNS – Radio Network Subsystem



Móveis

• Estrutura do UMTS sobre o GSM


[Fonte: Agilent, 2002]


Móveis

• Um bom planeamento celular é de importância crucial para um bom desempenho do sistema e para a prestação de uma boa qualidade de serviço.

• O planeamento celular consiste em • localizar estações base, e estabelecer cobertura; • gerir os canais disponíveis de forma óptima; • minimizar a interferência.

• O planeamento celular é feito com base em: • morfologia da área de serviço, e modelos de

propagação;• perfis de utilizadores, e modelos de tráfego.

Planeamento CelularPlCe (1/14)


Móveis

• No problema ideal, pretende-se cobrir a área de serviço com células iguais, sem lacunas ou sobreposições.

• Usando polígonos regulares com Nl lados, onde o ângulo interno é dado por

é necessário que este seja um divisor inteiro de 2π


πγ 2 l

li N

N −=

IN , 2 ∈= ppiπγ


Móveis

• Só há 3 formas polígonos regulares que são solução do problema:

• triângulo• quadrado• hexágono

• Normalmente usa-se a forma hexagonal, por ser a que mais se aproxima da cobertura teórica de uma antena omnidireccional.



Móveis

• A área de serviço é coberta por células hexagonais



r


Móveis

• Considerando:• R: raio de cobertura das células• Dr: distância de reutilização entre células co-

canal• du: distância unitária entre os centros de duas

células adjacentes

pode escrever-seDr = Dn duonde a distância de reutilização normalizada vemDn

2 = i2 + ij + j2 , i, j ∈ IN0 , i = 0 ∨ j = 0


Rdu 3 =

.


Móveis

• A reutilização consiste em atribuir o conjunto de canais disponível no sistema a um grupo de células, o padrão celular, repetindo-se depois esse grupo por toda a área de serviço,Ncc = Ncs/Ncp

onde• Ncc: número de canais por célula• Ncs: número de canais no sistema• Ncp: número de células no padrão

• O padrão celular deve possuir as mesmas propriedades de uma célula, isto é, permitir a cobertura sem lacunas ou sobreposições.



Móveis

• Dada a área de uma célula, Scel,

e a área de um padrão, Spad,

o número de células no padrão vemNcp = Spad/Scel

= i2 + ij + j2 , i, j ∈ IN0 , i = 0 ∨ j = 0sendo valores possíveisNcp = 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, …


22 )233( )23( RdS ucel ==

22 )23( unpad dDS =

.


Móveis

• Exemplos de padrões celulares



r

r

r


Móveis

• Um parâmetro usado para a caracterização dos padrões é a razão de reutilização co-canal, rcc:

• Um maior valor de rcc corresponde a:• menor interferência co-canal;• menor capacidade do sistema.

• O padrão é escolhido como o menor possível, de acordo com as restrições de interferência:

• analógicos, Ncp = 7,• GSM, Ncp = 4,• UMTS, Ncp = 1.


cprcc NRDr 3/ ==


Móveis

• Exemplo de plano de cobertura, para Ncp = 7.




Móveis

• Em condições reais, as células não possuem a forma hexagonal.

• As grelhas de hexágonos são importantes para localizar as estações base nos seus centros.


[Fonte: Lee, 1989]


Móveis

• Em condições reais, a distribuição do tráfego não éuniforme.


[Fonte: E-Plus, 1999]


Móveis

• Quando a densidade de tráfego não é uniforme, usam-se células de dimensões diferentes.




Móveis

• A utilização de células com dimensões diferentes:• conduz a um aumento da interferência, devido à

quebra da não-uniformidade da estrutura celular;

• requer cuidado na localização de células nas zonas de transição entre dimensões.



Móveis

• As bandas de frequência utilizáveis para cada tipo de serviço são decididas a nível internacional (ITU).

• A atribuição de canais dentro de uma banda a cada operador de um serviço é feita a nível nacional (ANACOM).

• O facto de o espectro ser limitado impõe uma utilização da banda tão eficiente quanto possível.

Planeamento de FrequênciasPlFr (1/5)


Móveis

• O número de frequências (canais rádio) por célula, Ncr, depende do padrão celular, Ncp, e do total de frequências do sistema, Nfs, Ncr = Nfs/Ncp

• Devido à limitação do número de frequências, tem que haver um compromisso entre a relação portadora/interferência (Ncp) e a capacidade de tráfego (Ncr).

• A distribuição de canais pelas células deve minimizar a interferência de canal adjacente, maximizando-se a separação entre canais de uma mesma célula.



Móveis

• Num sistema celular simples, a atribuição de portadoras às células deve ser feita de acordo comfij = i + Ncp (j - 1)

i = 1, ..., Ncpj = 1, ..., Ncr

• Quando se utiliza Nsc sectores por célula, deve constituir-se subgrupos de canais com cada um dos sectores das células, isto é,fijk = i + Ncp (k - 1) + Nsc Ncp(j - 1)

i = 1, ..., Ncpj = 1, ..., Ncrk = 1, ..., Nsc



Móveis

• O planeamento de um sistema é feito de acordo com o seguinte:

• o valor mínimo de C/I impõe o padrão celular; • estima-se o tráfego na célula escolhida; • determina-se o número de canais necessário

para o bloqueio especificado;• no caso do número de canais disponível não ser

suficiente, reduz-se o tráfego por redução da área de cobertura;

• efectua-se o plano de frequências e o desenho celular de acordo com o padrão celular escolhido.



Móveis

• Quando a estrutura celular não é regular, a distribuição de canais deve atender às necessidades de tráfego, e aos valores máximos de interferência co-canal e canal adjacente.



Móveis

• Em geral, no receptor tem-se

onde• C: potência da portadora do sinal desejado• N: potência de ruído• I: potência da portadora do sinal interferente

• Normalmente, nos sistemas de comunicações celulares pode desprezar-se o ruído

Interferência Co-CanalInCC (1/15)

NIC+

IC

NIC ≅+


Móveis

• Esquematicamente, tem-se

Interferência Co-Canal

C/Ilimiar

Problemas de cobertura

Problemas de cobertura

Problemas de interferência

Bom desempenho

InCC (2/15)

C/Nlimiar

C/I

C/N


Móveis

• A interferência co-canal é um mal aceite nos sistemas de telefone celular.

• A estimação de C/I é feita normalmente com os seguintes pressupostos:

• as células são todas iguais em dimensão• as potências radiadas pelas estações base são

todas iguais• as estações base têm antenas omnidireccionais• o decaimento médio da potência é da forma


( ) nr rrPP −= 00


Móveis

• Tome-se duas células interferentes

as potências médias que atingem X são

logo


D

R

A B

X

r

( ) nAr rRPP −= 00

( )[ ] nrBr rRDPP −−= 00

( )nccrIC 1 −=


Móveis

• Num sistema celular em geral, a interferência éobtida a partir de todas as células co-canal, NIcc,

• Normalmente, a interferência pode ser estimada a partir apenas das células do 1º anel de interferência


∑=

=IccN

kkI

CIC

1

∑=

= 6

1

kkI

CIC


Móveis

• Geometria do 1º anel de interferência


[Fonte: Shankar, 2002]


Móveis

• A interferência co-canal é estimada como

que pode ainda ser aproximada por

tomando-se, numa perspectiva pessimista,


( ) ( )

( ) ( ) ncc

ncc

ncc

nr

nr

nr

n

rrr

RDDRDR

IC

−−−

−−−

−

+++−=

+++−=

122121

222

( ) ( )6

136

1 n

cpn

cc NrIC −

=−

=

6

nccr

IC=


Móveis

• A interferência pode ser reduzida:• usando sectorização das células;• inclinando para baixo o lobo principal de

radiação da antena da estação base;• baixando a antena da estação base;• escolhendo a localização da estação base;• usando a técnica de saltos em frequência;• usando controlo de potência.



Móveis

• O valor limite tolerado (razão de protecção)Rp = (C/I)mindepende do tipo de sistema:

• analógicos, Rp ≈ 18 dB,• GSM, Rp = 9 dB.

• Na realidade, C/I é uma variável aleatória dependente de:

• localização do móvel;• desvanecimentos lento e rápido;• características das antenas;• localização das estações de base.



Móveis

• A interferência co-canal pode ser medida através da probabilidade de falha, isto é, de C/I estar abaixo de um certo valor, P(C/I)

onde• Nia: número de células interferentes activas• P(C/I|k): probabilidade de falha condicionada

ao número de interferências• pcia(k): função densidade de probabilidade do

número de células interferentes activas.


( ) ( ) ( )kpkICPICP cia

N

k

ia

∑=

=1


Móveis

• Considera-se que existe interferência quando

resultando

onde• p(C), p(I): função densidade de probabilidade

das potências dos sinais.


>>

⇔

<

>

p

min

min

minRCI

CC

IC

IC

NC

NC

( ) ( ) ( ) dCdIIpCpNICPp

min

RC

Cia ∫∫

∞

−=/

0

1


Móveis

• Considerando que o sinal e a interferência sofrem desvanecimento descrito pela Distribuição de Rayleigh

vindo para o caso de interferência pura, Cmin = 0,

donde, quando as interferências são todas iguais,


( ) ( )( ) 1,

1 0

1 1

1 =+

=∑∏= =

− ICRIC

RICNICP

iaN

k

k

l pl

plia

( ) ICxex

xp xx ,,1 == −

( ) ( )( )

iaN

p

pia RIC

RICNICP

+

−=1

1


Móveis

• Não existe solução analítica para P(C/I|Nia) quando o desvanecimento do sinal e da interferência édescrito pelas Distribuições Log-Normal ou de Suzuki.

• Considera-se a ocupação dos canais descrita pela Distribuição de Bernouli

onde• sc: estado do canal (1- activo, 0- inactivo)• Pca: probabilidade de o canal estar activo


1 ,0 , )1( )( 1 =−= −c

sca

scac sPPsp cc


Móveis

• Tomando canais independentes, com Distribuição Uniforme, o número de canais interferentes activos é descrito pela Distribuição Binomial, resultando para NIcc = 6,

com


iaia Nca

Nca

iaiacia PP

NNp −−

= 6)1(

6 )(

∑=

=6

1 k

kcia sN


Móveis

• A probabilidade de falha vem



P(C/I)σ = 6 dBPca = 0.75

P(C/I|1)σ = 0

P(C/I|6)σ = 6 dB

P(C/I|6)σ = 0P(C/I|1)

σ = 6 dB

P(C/I)σ = 0Pca = 0.75

( ) [dB] pRIC


Móveis

• A sectorização é usada para diminuir a interferência co-canal, através da divisão da célula em sectores, conseguida com a utilização de antenas sectoriais na estação base.

• Cada sector passa a funcionar como uma célula.• Obtém-se uma redução da distância entre células

co-canal, pelo que se aumenta a capacidade.• Tipicamente, usa-se uma sectorização em 3 ou 6

sectores.

SectorizaçãoSect (1/3)


Móveis

• No caso de tri-sectorização tem-se.


[Fonte: Stueber, 1996]


Móveis

• A interferência co-canal vem reduzida, tendo-se para a tri-sectorização.


( ) ncc

ncc rrI

C−− ++

=2/1

1


Móveis

• A interferência canal adjacente consiste no aparecimento de sinal interferente, proveniente de um canal adjacente, na banda do sinal desejado.

• A interferência canal adjacente pode ser diminuída através de:

• uso de filtros com uma boa característica de rejeição;

• aumento da separação entre canais de uma mesma célula;

• uso de controlo de potência.

Interferência Canal AdjacenteInCA (1/4)


Móveis

• O isolamento entre canais adjacentes pode ser estimado por

onde• ∆fcr: largura de banda do canal• ∆fsc: separação dos canais• KF: característica do filtro


−=2/

log0.301

[dB/oit][dB]

cr

crscFFca f

ffKI

∆∆∆


Móveis

• A interferência canal adjacente é também afectada pela atenuação de propagação, isto é, há que considerar também a diferença de percursos (efeito perto-longe)

onde• n: parâmetro do decaimento médio da potência• ds: distância do emissor do sinal ao receptor• di: distância do emissor da interferência ao

receptor


=

i

spca d

dnL log10 [dB]∆


Móveis

• A interferência canal adjacente pode ser estimada porC/Ica [dB] = ∆PTx [dB] + IFca [dB] - ∆Lpca [dB]

onde• ∆PTx: diferença entre as potências transmitidas

pelos emissores do sinal e interferente.• A interferência total é dada por


caIIC+

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