sistema de comunicações moveis celulares

Sistema de Comunicaes Mveis Celulares

Capitulo 1 INTRODUOPLANEJAMENTO DE SISTEMAS MVEIS CELULARES

Os Sistemas Mveis Celulares foram umas das redes de telecomunicaes que mais cresceram nos ltimos anos, e previses apontam que tais redes assim como as demais tecnologias wireless continuaro em crescente evoluo. No caso particular do Brasil, as comunicaes mveis celulares vm experimentando um rpido desenvolvimento, e aps a recente regulamentao da ANATEL para explorao das Bandas C, D e E da telefonia celular, o planejamento desses sistemas vem ganhando uma ateno especial dos engenheiros. ). Neste contexto, objetiva-se desenvolver estudos sobre os principais aspectos empregados no planejamento de sistemas mveis celulares, dando nfase nos padres j adotados pelo Brasil como o AMPS, o CDMA (IS -95) e o TDMA (IS -54 eIS-136).

Capitulo 2 O CONCEITO CELULAR INTRODUO Os primeiros sistemas celulares a operarem tinham como principais caractersticas a transmisso da voz por modulao analgica FM e modulao digital FSK para sinalizao. A tcnica de acesso ao meio era puramente pela multiplexao por diviso de frequncia (FDM), mais conhecida por FDMA. Dentre estes sistemas destacam-se o AMPS, RTMS, NMT, C-450, Radiocom 2000, NMT- 450, NMT-900 e TACS. Todos estes sistemas eram muito parecidos em sua essncia. A Europa procurou convergir em suas pesquisas para o padro GSM (Global System Mobile). Este sistema de arquitetura aberta permite a adoo de equipamentos de diferentes fabricantes, reduzindo os custos de implementao do sistema. Esse o padro mais difundido no mundo. O Brasil iniciou seu sistema de telefonia mvel pelo padro analgico, seguindo rigorosamente o padro americano AMPS. Posteriormente, para seu sistema digital de segunda gerao, foram adotados tambm os padres americanos IS-54 (TDMA),IS -136 (TDMA) e IS-95 (CDMA).

O CONCEITO CELULAR

Os primeiros sistemas rdio mveis terrestres eram compostos basicamente, de um nico transmissor com alta potncia e com a antena situada em um local alto da cidade para garantir uma grande rea de cobertura contendo todo o espectro de frequncias, como ilustrado na Figura. Como o nmero de canais disponveis j era limitado pelo espectro de frequncias alocado para o servio, os sistemas operavam com elevados graus de bloqueio, e a lista de candidatos pleiteando um terminal era maior do que a de usurios habilitados ao sistema. Esta situao s foi resolvida mais tarde com a introduo do conceito de clulas, que deram o nome telefonia celular.

Figura 2.1 Sistema Mvel Convencional

O CONCEITO CELULAR

O grande problema dos primeiros sistemas (conhecidos hoje como sistemas convencionais) era tentar cobrir com um s transmissor uma grande regio (uma cidade inteira por exemplo) com um nmero limitado de canais (devido restrio regulamentar de uso de espectro de frequncias). No sistema celular esta grande regio passa a ser dividida em reas menores, chamadas de clusters, que por sua vez so subdivididas em unidades menores ainda, as clulas, como indica a Figura:

Os Conceitos de Clulas e Clusters

O CONCEITO CELULAR O tamanho do cluster pode ser dimensiona do para que o nmero de canais disponveis seja suficiente ao atendimento aos usurios locais com o grau de servio desejado. Como um s cluster no cobre toda a cidade sem recair no problema original, necessrio atentar para um novo fator, a distncia de reuso. Colocando um cluster ao lado do outro, como mostra a Figura 2.3, verifica-se que existe um espaamento mnimo entre clulas que usam o mesmo conjunto de canais (mesmas frequncias) que limita a interferncia entre estes a nveis aceitveis, viabilizando assim o reuso de frequncias entre cluster adjacentes.

Conceito de Reuso de Frequncia

O CONCEITO CELULAR

Para cobrir toda a cidade basta ento repetir o cluster de clulas quantas vezes for necessrio, formando um sistema celular. Utilizando-se ento um sistema celular com reuso de frequncia pode-se ter cobertura teoricamente ilimitada. A Figura mostra o conceito de reuso em relao aos sistemas convencionais.

Conceito de Reuso em Relao ao Sistema Convencional

O CONCEITO CELULAR

A tabela mostra as principais caractersticas dos sistemas mveis terrestres.

Tabela 2.1 - Comparao entre os Sistemas Mveis

COMPONENTES BSICOS DE UM SISTEMA MVEL CELULAR O sistema celular basicamente composto de 3 elementos principais: Estao ou terminal mvel EM (em ingls Mobile Station MS) Estao rdio base ERB (em ingls Base Station BS) Central de comutao e controle CCC (Mobile Switching Center MSC) A Figura ilustra os componentes bsicos de um sistema mvel celular mostrando ainda os conceitos de handoff, que permite a continuidade da chamada em andamento quando se atravessa a fronteira entre clulas, e de roaming , que permite o acesso ao sistema em outra rea de servio que no quela em que o assinante mantm seu registro.

Figura 2.5 Componentes de um Sistema Celular.

Estao Mvel (EM)

A estao mvel consiste de um transceptor, que responsvel pela interface entre o usurio e a estao rdio base, convertendo sinais em banda base em sinais de radio frequncia (RF) ou vice versa. Alm de prover a comunicao de voz ou dados, a EM tambm realiza funes de controle e sinalizao. Ela pode ser classificada de acordo com o tamanho (e potncia) em 3 tipos:

Classes de Estaes Mveis

Estao Rdio Base (ERB) A estao rdio base estabelece o enlace radio eltrico com o terminal mvel dentro da rea de cobertura de uma clula. Ela conectada por um enlace fixo (rdio ou fibra ptica) a CCC.

Central de Comutao e Controle (CCC)

A central de comutao e controle a responsvel pela coordenao das atividades relacionadas ao estado das chamadas e do sistema. ela quem controla e interliga vrias ERBs, supervisiona e administra o sistema, monitora e controla as chamadas, prove interface entre a Rede Telefnica Pblica Comutada - RTPC (ou em ingls Public Switched Telephone Network PSTN ) e o sistema celular, comanda e controla o handoff. Todas estas funes so possveis graas a uma base de dados do sistema, contendo todas as informaes necessrias para o funcionamento de forma adequada de todo o Sistema de Telefonia Mvel Celular.

ARQUITETURA DO SISTEMA

Um sistema mvel celular pode ser construdo com uma arquitetura centralizada ou descentralizado. Na arquitetura centralizada uma nica CCC controla as ERBs . Em uma arquitetura descentralizada o controle obtido por um conjunto de CCCs que se comunicam entre si.

Arquitetura de Sistemas Celulares: (a) Centralizada; (b) Descentralizada

GEOMETRIA CELULAR

Idealmente, assumindo que as condies de propagao no mudem ao longo do azimute, a rea de cobertura de uma estao rdio base (ERB) um crculo (cobertura omnidirecional). Entretanto, para um conjunto de clulas, os crculos no representam a rea de cobertura, a no ser que as ERBs sejam dispostas de forma a gerar uma rea de cobertura como mostrada na Figura 2.7a, o que provocaria reas sem cobertura. Para o caso em que h superposio de cobertura de diferentes ERBs (Figura 7b), e considerando as mesmas condies de propagao sobre a rea das clulas, e na ausncia de bloqueios naturais ou artificiais ao sinal, o melhor servidor ser o que prover menor distncia ao terminal mvel, e a fronteira entre reas de cobertura o lugar geomtrico equidistante das estaes rdio base:

Cobertura em Sistemas de Mltiplas Clulas.

GEOMETRIA CELULAR

Assim, num sistema de mltiplas clulas a cobertura do melhor servidor em cada ponto corresponde a um polgono. Dependendo da simetria escolhida na disposio das ERBs, as clulas so representadas por padres regulares de polgonos como por exemplo hexgonos, quadrados ou tringulos

Geometria de Padres Regulares.

PADRO REGULAR HEXAGONAL

Numa geometria hexagonal, o sistema de coordenadas mais conveniente possui uma inclinao de 60 entre os eixos (Figura 2.9). Considerando este sistema de coordenadas e R o raio maior de um hexgono, pode-se determinar a posio de uma clula por um conjunto de coordenadas (Un,Vm). Ento, por simetria, verifica-se que a distncia D entre duas c-clulas nas posies (u1,v1) e (u2,v2) expressa por

PADRO REGULAR HEXAGONAL

Esta geometria enfatiza a simetria rotacional do sistema, usando a noo de anis hexagonais de clulas, em volta de uma clula central. A Figura exemplifica esta noo mostrando os dois primeiros anis entorno da clula central.

Padro Regular Hexagonal com Simetria Rotacional

CARACTERSTICAS DAS CONFIGURAES CELULARES HEXAGONAIS Normalmente a geometria utilizada a hexagonal com simetria rotacional, pois este padro assegura uniformidade nos nveis de interferncia entre clulas utilizando o mesmo conjunto de canais em clusters distintos porque representa a rea de cobertura considerando o melhor servidor ( best-server). A cobertura de um cluster bsico de 7 clulas com este tipo ilustrada na Figura 2.11. Essa configurao bsica, embora seja a mais bvia, no a nica possvel, como ser mostrado a seguir.

Cobertura de um Grupo Hexagonal de 7 Clulas

Nmero de Clulas por Cluster

Considerando um cluster de formato hexagonal, pode-se determinar o nmero N de clulas hexagonais que o compem. Sendo a rea da clula e A rea do cluster, tem-se:

reas de uma Clula e de um Cluster

Nmero de Clulas por Cluster

O nmero de clulas por cluster diretamente obtido por:

Nmero de Clulas por Cluster Como i e j so nmeros inteiros, o cluster s ir acomodar apenas um determinado nmero de clulas, como por exemplo, 1(i=0 j=1 ou i=1 j=0), 3(i=1 j =1), 4(i=0 j=2 ou i=2 j =0),7(i=1 j=2 ou i=2 j=1),9(i=0 j=3 ou i=3 j=0), 12(i=j=2), ... . Padres de 7 e 12 clulas por cluster so as configuraes mais comuns de sistemas celulares. A Figura 2.13 mostra estes padres e a forma hexagonal hipottica dos correspondentes clusters

Configuraes Celulares Hexagonais: (a) 1 clula por cluster (b) 3 clulas por cluster (c) 4 clulas por cluster (d) 7 clulas por cluster (e) 12 clulas por cluster

Razo de reuso

Um importante parmetro de uma configurao celular a relao D/R, que conhecida como razo de reuso co-canal q e pode ser expressa por:

A escolha da razo de reuso co-canal , portanto, um compromisso entre a capacidade de trafego e a qualidade do sistema (quanto menor a interferncia co-canal, maior a qualidade do sistema). A tabela mostra em valores numricos este compromisso entre razo de reuso, capacidade de trfego e qualidade de transmisso.

Razo de reuso

Separao de Clulas co-canais para diversos Padres de Reuso.

Interferncia co-canal

Quando se utiliza uma configurao celular com simetria hexagonal, a interferncia causada pelo reuso de frequncias em cluster adjacentes pode ser calculada considerando 6 clulas interferentes a uma distncia D , 12 clulas interferentes a uma distncia 2 D e assim sucessivamente.


Considerando uma lei de potncia para a perda de propagao com a distncia, a relao entre o sinal desejado e a interferncia co-canal ( S/I- Sinal- Interferncia ou C/ICarrier-to-Interference em ingls) dada por:



Como o sinal interferente cai proporcionalmente com a distncia do transmissor interferente elevada potncia , as clulas que mais causam interferncia so as mais prximas. Uma aproximao usual consiste em considerar apenas o 1 anel interferente. Nesse caso tem-se:

(a) Distncia ao Transmissor Interferente; (b) Distncia ao Transmissor Desejado

Interferncia co-canalNo entanto esta aproximao pode apresentar um erro razoavelmente significativo dependendo do valor de g. Para estimar este erro pode-se considerar o efeito do segundo anel interferente:

Assim a degradao causada pelas clulas do 2 anel varia de acordo com a tabela a seguir:

Interferncia co-canalA Tabela 2.5 apresenta os nmeros de canais por clula n para o sistema celular analgico norte-americano AMPS (Advanced Mobile Phone System), e a relao S/I, calculada pela Eq. (2.7), para os planos de reuso N= 4, 7, 9, 12 e 19.

Setorizao

Esta tcnica consiste em dividir a clula em setores, cada um servido por um conjunto diferente de canais e iluminado por uma antena direcional. Na prtica so utilizadas divises em 3 ou 6 setores. O grande benefcio da setorizao reduzir a interferncia. Em sistemas FDMA e TDMA a setorizao provoca tambm uma reduo na capacidade de trfego do cluster. J em sistemas CDMA a reduo da interferncia se reflete diretamente num aumento (substancial) da capacidade de trfego. A setorizao obriga que se execute um handoff quando o mvel passa de um setor para outro da mesma clula, denominado handoff intracelular. mostra uma clula com 3 setores

Setorizao Celular

Clculo da Reduo da Interferncia com Setorizao Tripla Na setorizao tripla, a interferncia no mvel devido s clulas adjacentes (considerando as ERBs do 1 anel interferente) e a interferncia na ERB devida aos 22 mveis das clulas adjacentes fica restrita a um dos setores de somente duas clulas. Ento, a relao sinal interferncia (S/I) nesse caso pode ser dada por:

Clculo da Reduo da Interferncia com Setorizao Tripla

Clculo da Reduo da Interferncia com 6 Setores por Clula

Na setorizao sxtupla, a interferncia no mvel devido s clulas adjacentes (considerando as ERBs do 1 anel interferente) e a interferncia na ERB devida aos mveis das clulas adjacentes fica restrita a um dos setores de somente uma clula. Ento, a relao sinal interferncia (S/I) nesse caso pode ser expressa por:

Interferncia de Canal Adjacente O problema causado pela interferncia de canal adjacente significativo se um usurio de uma clula opera num canal adjacente ao canal utilizado por outra clula prxima. A interferncia de canal adjacente dada por:

Interferncia de Canal Adjacente A Figura 2.18a mostra a verso otimizada do plano de reuso de frequncia N= 7 do ponto de vista da interferncia de canal adjacente, que s significativo entre duas duplas de clulas: 1-2 e 1-7. No caso no otimizado da Figura 2.18b, tm-se 7 duplas de clulas com interferncia de canal adjacente. Estas duplas so: 1-2, 1-7,2-3, 3-4, 4-5, 5-6 e 6-7. O reuso de frequncia produz um aumento das duplas de clulas com interferncia de canal adjacente, como ilustra a Figura 2.18c.

Influncia de Canal Adjacente devido ao Reuso de frequncia

Processo de Diviso Celular

Para se atender o aumento de demanda de trfego numa regio especfica pode-se diminuir o tamanho das clulas, aumentando o nmero de clulas e a capacidade de trafego naquela regio. Esta tcnica, conhecida como diviso celular (cell spliting) ilustrada na Figura 2.19.

Diviso Celular

Processo de Diviso Celular

Razo de Reuso com Diviso Celular.

Processo de Diviso Celular Uma possvel soluo para este problema visualizar as clulas grandes como se elas fossem compostas por duas camadas (Figura 2.21). A rea de cobertura da clula permanece a mesma, mas a camada interna e a externa operam com conjuntos de canais distintos. A principal restrio que a camada externa no pode usar qualquer canal que esteja sendo uti lizado nas clulas pequenas. Supondo que a clula grande use o conjunto de canais C dividido em 2 subconjuntos A e B e a co-clula pequena use o subconjunto A , a camada externa pode somente ser servida pelo subconjunto B . Pode ser necessrio realizar um handoff na transio entre a camada externa e interna. Quando o handoff da camada interna para a externa denomina-se handout e da externa para a interna handin.

Clulas com duas Camadas.

Capitulo 3 TCNICAS DE ACESSO

O compartilhamento de recursos uma forma muito eficiente de se obter alta capacidade em uma rede de comunicaes. No que diz respeito s comunicaes mveis, os recursos so os canais disponveis ou, de forma mais ampla, a banda de frequncias. O mecanismo de acesso deve permitir que qualquer terminal acesse o sistema, provendo um sistema de acesso troncalizado. Se canais so designados a usurios por demanda, o esquema chamado de Acesso Mltiplo com Alocao por Demanda (DAMA,Demand-Assigned Multiple Access), ou simplesmente Mltiplo Acesso. H trs formas bsicas de se realizar mltiplo acesso, nomeadas de acordo com o mecanismo chave usado para implement-las : - Mltiplo Acesso por Diviso de Frequncia (FDMA); - Mltiplo Acesso por Diviso de Tempo (TDMA); - Mltiplo Acesso por Diviso de Cdigo (CDMA).

FDMA A tcnica mais comum de mltiplo acesso o esquema FDMA, onde h a associao dos canais a determinadas portadoras. A esse esquema de associao dado o nome de Canal nico por Portadora (SCPC -Single Channel per Carrier). Neste caso, o espectro dividido em canais onde cada assinante sintoniza sua portadora, sendo que o nmero de canais no sistema ser funo da largura de cada canal. Os canais possuem bandas de guarda nas suas extremidades, que so pequenas faixas de frequncias destinadas a minimizar o efeito causado por filtros e 28 osciladores imperfeito s, ou seja, minimizar a interferncia de canal adjacente gerada pela invaso de um canal na faixa ocupada pelos seus canais adjacentes. Usualmente, o que se chama de canal so as duas bandas associadas ao par de portadoras, direta (base para mvel) e reversa (mvel para base). Sistemas FDMA so sempre FDD (Frequency Division Duplex) e usualmente implementados segundo a arquitetura faixa estreita. Tanto sistemas analgicos como digitais podem ser implementados com a tcnica FDMA. A Figura 3.1 exemplifica o esquema FDMA.

Principais Caractersticas do FDMA Implementao usual baseada em SCPC; Transmisso contnua uma vez alocados, os canais so usados continuamente pela base e pelo mvel at o fim da comunicao; Banda estreita como cada poro de frequncia utilizada por um nico usurio, a banda necessria relativamente pequena, variando de 25-30 KHz em sistemas analgicos. Em sistemas digitais, o uso de codificao de voz a baixa taxa pode diminuir ainda mais a banda necessria; Baixa interferncia Inter simblica problema que afeta apenas sistemas digitais. Devido caracterstica de sistemas FDMA digitais trafegarem a baixas taxas de transmisso, esse no um problema importante; Baixa sobrecarga de informaes de controle (overhead) os canais de voz carregam tambm mensagens de controle, como handoff por exemplo. Pelo 29 fato dos canais alocados serem usados continuamente, pouco espao necessrio para controle se comparando ao TDMA, por exemplo; Eletrnica simples pouca ou nenhuma necessidade de processamento digital para combater interferncia Inter simblica (em sistemas digitais), entre outras razes, permitem o uso de equipamentos mais simples nas bases e nos terminais; Uso de duplexador como a transmisso full-duplex e usa-se apenas uma antena para transmisso e recepo, deve-se usar um duplexador para fazer a filtragem entre recepo e transmisso e, assim, evitar interferncias entre ambas; Alto custo de estaes base a arquitetura SCPC requer que um transmissor, um receptor, dois codecs (codificador / decodificador) e dois modems (modulador / demodulador) sejam usados para cada canal numa estao base. A alocao de mais usurios em uma mesma portadora, tornaria o sistema mais econmico nesse aspecto; Handoff perceptvel pelo fato da transmisso ser contnua, a comutao entre frequncias no processo de handoff perceptvel (audvel) ao usurio.

TDMA O Acesso Mltiplo por Diviso de Tempo (TDMA) reparte um canal fsico (portadora) em diversos intervalos de tempo (chamados de slots ) fazendo com que cada canal possa ser usado por mais de um usurio, cada um em seu instante determinado. Esta tcnica permite sua implementao tanto em faixa estreita quanto em faixa larga. No TDMA faixa larga, toda ou grande parte da banda disponvel alocada a cada usurio por determinado slot de tempo. Em cada slot de tempo apenas um usurio ter acesso a toda (ou grande parte) da banda. No TDMA faixa estreita, o usurio tem acesso a uma pequena poro da banda por determinado intervalo de tempo ( slot ). O canal TDMA definido pelas duas combinaes [poro da banda (faixa), slot] alocadas ao usurio, para o link direto e reverso. O TDMA permite utilizao tanto de FDD como de TDD(Time Division Duplex).

Principais Caractersticas do TDMA

Vrios canais por portadora como dito, uma portadora utilizada em vrios instantes de tempo distintos, cada qual correspondendo a um canal (usurio). No sistema Americano IS-54 e IS -136 , usa-se trs slots por portadora, enquanto que no sistema Europeu GSM cada portadora atende a oito slots; Transmisso em rajadas (bursts ) como cada portadora compartilhada no tempo, cada usurio transmite ou recebe sua informao numa rajada dentro dos respectivos slots. Essa forma de transmisso tambm leva a uma maior economia de bateria se comparado ao FDMA; Faixa larga ou faixa estreita a banda de cada canal depende de vrios fatores, como o esquema de modulao. Dependendo do sistema os canais variam de dezenas a centenas de kHz. Como exemplo, o GSM usa canais de 200 KHz, enquanto que no IS-54 os canais so de 30 kHz; Alta interferncia Inter simblica como a taxa de transmisso muito mais alta no TDMA do que no FDMA digital, comea a haver problemas pelo fato da durao de smbolos ser comparvel ao espalhamento por retardo (delay spread), a ser explicado. requerido tratamento especial para minimizar esse problema, em especial em sistemas com taxas mais altas, como o GSM;

Principais Caractersticas do TDMA Alta sobrecarga de informaes de controle (overhead) a caracterstica de transmisso em rajadas requer um tratamento mais minucioso no que diz respeito sincronizao. Os bits requeridos nesse tratamento em conjunto com o fato de haver tempos de guarda entre slots (equivalente banda de guarda, na frequncia), gera um alto overhead; Eletrnica complexa por usar tecnologia digital, muitos recursos podem ser agregados na unidade mvel, aumentando sua complexidade; No requer o uso de duplexador como transmisso e recepo acontecem em slots distintos, desnecessrio o uso de duplexador. O que h um switch que liga / desliga o transmissor / receptor quando este no est em uso. O uso de duplexador dispensvel mesmo no TDMA/FDD pois, nesse caso, o que se faz usualmente acrescentar intencionalmente alguns intervalos de tempo entre os slots de transmisso e recepo para que a comunicao nos dois sentidos no ocorra exatamente no mesmo instante; Baixo custo de estaes base como so usados mltiplos canais por portadora, o custo pode ser reduzido proporcionalmente; Handoff eficiente o handoff pode ser realizado nos instantes em que o transmissor do mvel desligado, tornando-se imperceptvel ao usurio; Uso eficiente da potncia, por permitir que o amplificador de sada seja operado na regio de saturao; Vantagens inerentes a sistemas digitais, como capacidade de monitorao da comunicao quadro a quadro, por exemplo.

CDMA

A tcnica CDMA possui como principal caracterstica bsica o fato de que todos os usurios podem transmitir simultaneamente, nas mesmas frequncias e utilizando toda a banda disponvel. Ao invs de se fazer a separao entre usurios atravs de frequncia (FDMA) ou frequncia/tempo (TDMA), a cada usurio designado um cdigo, de forma que sua transmisso possa ser identificada. Os cdigos usados tm baixa correlao cruzada (idealmente zero), ou seja, so ortogonais, fazendo com que as informaes contidas nas vrias transmisses no se confundam. No outro extremo da comunicao, o receptor tem conhecimento do cdigo usado, tornando possvel a decodificao apenas da informao de seu interlocutor.

CDMA

O CDMA baseia-se em um conceito denominado Espalhamento Espectral (Spread Spectrum). Atravs dessa tcnica, o sinal original que se deseja transmitir espalhado por uma banda muito maior que a necessria a sua transmisso. H duas formas principais de se realizar o espalhamento espectral, o Salto em Frequncia( Frequency Hopping FH) e Sequncia Direta ( Direct Sequency DS), entretanto, o que se chama comumente de CDMA , na verdade, a tcnica de mltiplo acesso por seqncia direta, motivo este determinante para que neste trabalho s seja abordado este tcnica.

Espalhamento Espectral por Sequncia Direta - CDMA

O Espalhamento Espectral por sequncia direta (DS) baseado na associao de cdigos ortogonais aos usurios, por meio de uma sequncia pseudoaleatria (PN Pseudo-Noise ) de forma que suas comunicaes no interferem entre si mesmo compartilhando o mesmo espectro e tempo. Para um determinado usurio, todos os outros so vistos como sendo rudo. O efeito de espalhamento espectral obtido pela multiplicao do sinal original por um cdigo com taxa de transmisso muito superior, de forma que o sinal resultante ocupa uma faixa muito larga. A energia total mantida, sendo distribuda uniformemente por toda a banda, assemelhando-se ao espectro de rudo branco. Todos os sinais oriundos dos diversos usurios / estaes base e o prprio rudo agregado transmisso so superpostos no espectro. Atravs do cdigo apropriado, a informao do usurio desejado extrada em meio ao rudo. Nessa breve descrio, j possvel observar a alta imunidade intrnseca do espalhamento espectral a rudo e interferncia, uma vez que sinais de outros usurios bem como rudo/interferncia so tratados da mesma forma e seus danos informao de determinado usurio so eliminados, terica e idealmente, quando da aplicao do cdigo de recuperao.

Principais Caractersticas do CDMA

Usurios comunicam-se usando as mesmas frequncias, simultaneamente, por diviso de cdigo; Ao contrrio do FDMA e do TDMA, o CDMA no tem um limite de capacidade bem definido, e sim o que se chama de limite soft. Ao aumentar o nmero de usurios, o nvel mnimo de rudo aumentado linearmente, de forma que h um decrscimo gradual de desempenho do sistema, percebido por todos os usurios; Efeitos do canal nocivo e seletivo em frequncia podem ser minimizados pelo fato do sinal original estar espalhado por uma banda muito grande. E ainda, o receptor utilizado (RAKE) permite que se faa um especial tratamento nos sinais recebidos por multipercurso, de maneira que o sinal recebido tenha a melhor qualidade possvel; No caso de handoff entre clulas cocanal (todo o espectro utilizado pelas clulas possvel no CDMA), o processo pode ser suave. Mais de uma estao base monitora o nvel do mvel e a central de controle pode escolher a melhor verso do sinal, sem necessitar comutar frequncias; Problema perto -distante ( near-far ), caso no haja controle de potncia eficiente.

COMPARAO ENTRE FDMA, TDMA E CDMA

Uma vantagem bsica do CDMA sua capacidade muito maior de tolerar sinais interferentes, se comparado a FDMA e a TDMA. Como resultado dessa qualidade, problemas de alocao da banda e interferncia entre clulas adjacentes so simplificados, enquanto que sistemas FDMA e TDMA precisam de cauteloso estudo de alocao de frequncia e slots para evitar interferncia, exigindo filtros sofisticados e tempos de guarda entre slots. Aumento de capacidade no CDMA pode ser conseguido atravs do fator de atividade de voz, utilizando-se os instantes de tempo nos quais no detectada voz para prover aumento de usurios atendidos. Em termos de capacidade, teoricamente o CDMA possui uma vantagem sobre sistemas analgicos por um fator de 10. Por outro lado, toda a vantagem terica do CDMA exige que uma srie de requisitos como, controle de potncia eficiente, ortogonalidade entre cdigos e necessidade de sincronismo perfeito (bases so sincronizadas por GPS Sistema de Posicionamento Global, e passam o sincronismo aos mveis), entre outros, sejam atendidos. Na prtica, dada a dificuldade de se implementar todos os requisitos, sistemas CDMA em geral no exploram toda a capacidade terica prevista para essa tcnica, embora os avanos tecnolgicos os levem cada vez mais prximo a esse ideal.

CAPTULO 4MODELOS DE PROPAGAO INTRODUO

Atualmente existe uma grande variedade de modelos de canal, com fundamentos tericos e experimentais para previso da atenuao de percurso ( path loss) em sistemas de comunicaes mveis, consistindo esta em um dos passos mais importantes no planejamento de sistemas mveis celulares. Uma correta previso possibilita ao projetista de sistemas mveis ter a capacidade de prever a potncia mnima que necessria irradiar de um transmissor para suprir com qualidade aceitvel de cobertura uma rea predeterminada, o que de fundamental importncia para a melhoria da tcnica do reuso de frequncia e para a implementao de projetos com banda compartilhada.

ASPECTOS DA PROPAGAO Na propagao de ondas em um ambiente rdio mvel, alm das perdas de percurso comuns a outras formas de propagao, os sinais transmitidos sofrem perdas associadas ao relevo do terreno e ao efeito do espalhamento do sinal nas redondezas do receptor mvel. No primeiro caso acontece um desvanecimento lento no nvel do sinal, denominado de efeito de sombreamento, enquanto que no segundo ocorrem atenuaes rpidas, provocadas pelo fenmeno denominado multipercurso. Outros fenmenos tambm esto associados ao sinal de rdio mvel, como a difrao e a reflexo. Podemos, entretanto, classificar a influncia do terreno sobre o sinal rdio mvel basicamente sob trs aspectos:

1 - Obstruo: Obstculos como montanhas, prdios, rvores ou a prpria superfcie terrestre podem bloquear parcialmente o feixe causando a atenuao por obstruo. 2 - Reflexo: Regies razoavelmente planas como mares, lagos e plancies podem refletir o feixe de ondas com oposio de fase em relao ao sinal direto, causando a atenuao por interferncia. 3 - Difrao: Gumes como o cume de montanhas, canto prdios, ou a prpria cunhada podem desviar parcialmente o feixe causando a difrao do sinal.

MODELOS DE COBERTURA Modelo de Okumura

Este modelo foi publicado em 1968, como resultado das pesquisas feitas por Okumura e seus colaboradores, que realizaram nas vizinhanas da cidade de Tquio (Japo) uma srie de medies de intensidade de campo recebido em ambiente de comunicao mvel, que a partir de ento, passaram a servir como base para todos os estudos sobre comunicaes mveis. Estas medies tiveram como parmetros a freqncia de operao, altura das antenas da Estao Base e a do Terminal Mvel, distncia do enlace, e o tipo de rea coberta pelo sistema. A rea de cobertura do sistema classificada de acordo com os obstculos encontrados no trajeto de propagao em: a) Urbana: caracterizada pela grande concentrao de obstculos como edifcios e rvores de grande porte. b) Suburbana: caracterizada pela presena no muito concentrada de casas e rvores. c) rea aberta ou rural: caracterizada como um espao aberto, onde no h obstculos como prdios e rvores de grande porte.

Modelo de Okumura-Hata Hata, visando facilitar o uso do mtodo de Okumura, desenvolveu equaes matemticas empricas que descrevem com restries, as informaes contidas nos grficos obtidos por Okumura, uma vez que permitem a predio da atenuao mdia do sinal apenas em terrenos quase planos, isto , no levam em considerao as ondulaes do terreno. As equaes matemticas desenvolvidas por Hata e sua faixa de aplicao so mostradas a seguir:

Modelo de Okumura-Hata

Modelo de Okumura-Hata

Modelo de Okumura-Hata Modificado

Posteriormente, foram feitas modificaes nas equaes de Hata atravs da incorporao de novos fatores, especificados na tabela , que permitiram que a preciso das frmulas de Hata pudesse ser elevada sobre a faixa total de validade das curvas de Okumura.


As equaes modificadas de Hata so mostradas abaixo:


Modelo de Walfisch-BertoniEste um modelo de predio tipicamente de ambientes urbanos. Neste modelo, o sinal recebido ao nvel das ruas pela unidade mvel no tem componente em linha de visada direta com a antena transmissora, situada normalmente acima da altura dos prdios, sendo portanto, formado predominantemente por reflexes e difraes nos prdios prximos unidade mvel, conforme mostra a Figura:

Modelo de Walfisch-Bertoni

Modelo de Walfisch-Bertoni

Modelo de Maciel-Bertoni-Xia

Maciel, Bertoni e Xia estenderam o modelo de Walfisch-Bertoni para permitir que a antena base possa ser posicionada tanto acima (como na Figura anterior), quanto abaixo do topo dos prdios .






Modelo de Ibrahim-Parsons Este modelo de propagao para ambiente s urbanos leva em considerao fatores como o grau de urbanizao, utilizao do terreno, e a variao de altura entre o terminal mvel e a ERB. Essas caractersticas empricas foram extradas de medidas realizadas na cidade de Londres, razo pela qual, esse modelo tambm conhecido como Modelo Londrino

Modelo de Ibrahim-Parsons

Modelo de Walfisch-Ikegami / COST 231 Este modelo foi desenvolvido pelo projeto COST 231, combinando de uma forma integrada os modelos de Walfisch-Bertoni e o de Ikegami para a difrao [10]. Alm desta integrao, este modelo tambm combina alguns fatores empricos de correo, sendo que o mesmo pode ser aplicado tanto em clulas grandes quanto em microclulas, em terrenos planos ou urbanos. Os parmetros que so considerados neste modelo so mostrados nas figuras 4.4a e 4.4b e so descritos na tabela :

Modelo de Walfisch-Ikegami / COST 231





Escolha do Modelo Adequado Para se verificar qual modelo mais adequado para uma determinada regio, pode-se se realizar campanhas de medio na rea de interesse e avaliar o desempenho de cada modelo frente s medidas. Esta avaliao pode ser realizada por comparao quantitativa analisando as estatsticas do erro de cada modelo em relao aos valores medidos. O erro absoluto , E, entre medidas e previses calculado, para cada faixa de distncias, por:

Escolha do Modelo Adequado

Escolha do Modelo Adequado

Modelos Ajustados Localmente

A preciso do modelo de propagao utilizado no processo de planejamento celular, fundamental para a execuo de um projeto eficiente, tanto do ponto de vista da qualidade do sistema como sob o aspecto de custos de implantao. Na prtica muito comum selecionar um modelo de clculo para o pr-projeto mas, antes da execuo do projeto definitivo, realizar medidas de campo em um grande nmero de pontos da regio a ser coberta e ajustar os parmetros (coeficientes) do mtodo de clculo de modo a minimizar o erro de predio .

CAPTULO 5 BALANO DE POTNCIA INTRODUO O balano de potncia (Link Power Budget) uma ferramenta fundamental de um enlace de rdio. Ele determina se as margens de potncia so suficientes para o funcionamento perfeito do sistema, sendo capaz de avaliar se o sinal transmitido atenuado no percurso pode alcanar o receptor com uma potncia maior que a mnima potncia detectvel.

EQUAO DO BALANO DE POTNCIA A equao bsica do clculo de enlace para qualquer sistema rdio relaciona o nvel de sinal recebido (RSL) com a potncia efetiva irradiada (ERP) e a perda de propagao (L) atravs da seguinte expresso: RSL(dBm)-ERP(dBm)-L(dB)

EQUAO DO BALANO DE POTNCIA Onde a potncia efetivamente irradiada (ERP) normalmente definida como a potncia com a qual devem ser alimentados os terminais de uma antena hipottica sem perdas e omnidirecional, de modo a conseguir a mesma densidade de potncia irradiada obtida com a antena direcional em seu lbulo principal [10]. Pelo exposto, pode-se expressar a ERP como:

EQUAO DO BALANO DE POTNCIA

O mnimo sinal detectvel definido como sendo o sinal que exatamente igual ao nvel de rudo do receptor (RS), ou seja, pela sensibilidade do mesmo. Pode-se tambm definir que o limiar de potncia na recepo ( P ) expresso pelo Rmin mnimo sinal detectvel mais uma margem de segurana desejada, sendo esta ltima normalmente denominada de margem para desvanecimentos (M). Em D termos matemticos tm-se :



CLCULO DO RAIO MXIMO DAS CLULAS

Na grande maioria dos modelos de propagao desenvolvidos para previso da perda de propagao em ambientes urbanos, suburbanos e rurais, a perda de propagao cresce com a distncia segundo uma lei de potncia, que varia de modelo para modelo. Assim, possvel escrever uma expresso generalizada para a perda de propagao em funo da distncia na forma:

CLCULO DO RAIO MXIMO DAS CLULAS

O clculo deve ser realizado tanto para o enlace de descida ou down link (estao rdio base - unidade do usurio) como para o enlace de subida ou up-link (unidade do usurio - estao rdio base), pois os terminais tem em geral caractersticas distintas. Adota -se o menor raio obtido que, em geral, corresponde ao enlace de subida.

Clculo do Raio Mximo Para os Modelos de Propagao Para a obteno do raio mximo das clulas para um determinado modelo, basta somente colocar o referido modelo na representao geral descrita pela equao (5.8) e determinar os parmetros equivalentes Lo e Y da mesma e aplic-los na equao (5.9). A Tabela 5.1 mostra os parmetros equivalentes de alguns modelos de predio.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS [1] Mello, L. A. R. S, Coelho, L. R., Grcia, N. A. P., e Rodrigues, M. E. C. Sistemas Rdio Celulares, Relatrio Tcnico - CETUC/PUC-RJ, 2000. [2] Yacoub, M. D., Foundation of Mobile Radio Engineering , ed. CRC Press,1993. [3] Cellular Mobile Radio Engineering, S. Faruque, Artech House, 1996 [4] Okumura Y., Ohmori E., Kawano T., e Fukuda K.; Field Strength and its Variability in the VHF and UHF Land Mobile Radio Services- Review Elec. Commum. Labs, 16 , N 9-10, 1968. [5] Hata, M., Empirical Formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services IEEE Trans., VT - 29, N 3, 1980. [6] Cavalcante, G. P. S. Canal de Rdio Propagao, Relatrio Tcnico DEEC/UFPA, 2000. [7] Walfisch, J. and H. L. Bertoni, "A Theoretical Model of UHF Propagation in Urban Environments , IEEE Trans Antennas Propag., 1998, 36, (12), pp. 1788-1796. [9] Ibrahim, M. F. and Parsons, J.D. - Signal Strength Prediction in Built up Areas, part 1; Median Signal Strength - IEE Proc., 130 Part F, N 5 1983. [10] Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems, Saunders, Simon R., Willey, 1999 [11] Vsques, Eduardo Javier Arancibia, Estudo de Cobertura de Sistemas Mveis Celulares em regies Urbanas- Dissertao de Mestrado - CETUC/PUC Rio de Janeiro, 1996. [12] Ross, A.H.H. and Gilghousen, K.S. - CDMA Technology and the IS -95 North American Standard; The Communications HandBook, CRC Press andIEEE Press.

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