tp-305 - sistemas de comunicações móveis · sistema de telefonia celular baseado no padrão...
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TP-305 - Sistemas de Comunicações Móveis
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ConteúdoRevisão Histórica / Panorama Atual
Fundamentos de Sistemas Celulares
• Fundamentos de técnicas de comunicação celular e canais• Sistema Centralizado x Sistema Celular• Teoria dos Padrões de Reuso• Interferências co-canal e canal adjacente• Relação S/I• Setorização• Conceitos de Tráfego • Capacidade dos sistemas celulares / Canalização
Conceitos sobre Sistemas Digitais
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Referências Bibliográficas
1 – Foundations of Mobile Radio EngineeringMichel Daoud YacoubCRC PressISBN 0-8493-8677-2
2 – Wireless TechnologyMichel Daoud YacoubCRC Press
3 – IS-95 CDMA and CDMA 2000Vijay K. GargPrentice Hall PTRISBN 0-1308-7112-5
4 – Wireless Communications: Principles and PracticeTheodore S. RappaportPrentice HallISBN 0-1304-2232-0
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Referências Bibliográficas
5 – Cellular Mobile Systems EngineeringSaleh FaruqueArtech House PublishersISBN 0-8900-6518-7
6 – Digital CommunicationsJohn G. ProakisMcGraw HillISBN 0-0723-2111-3
7 – Principles and Applications of GSMVijay K. Garg and Wilkis, J.E.,Prentice HallISBN 0-1394-9124-4
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Revisão Histórica / Panorama Atual
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1º Geração de SMC
Sistema japonês desenvolvido pela NTT (Nippon Telegraph &
Telephone). O sistema operava em 800MHz e atingiu aproximadamente 60 % da população.
Colocado em operação na cidade de Chicago, EUA. O sistema se tornou o mais difundido mundialmente.
O sistema TACS (Total Access Communication System) criado pela Reino Unido se difundiu pela Europa na Áustria, Irlanda, Itália.
O sistema NMT(Nordic Mobile Telephone) foi o resultado do trabalho conjunto de vários países escandinavos (Dinamarca, Noruega, Suécia e Finlândia). Operava na faixa de 450 MHz.
Implementado na Suíça com uma capacidade para 12 mil assinantes.
1979 – NTT800
1983 – AMPS
1985 – TACS
1981 – NMT450
1986 – NMT900
1985 –Autotelefonnets C
Implementado na Alemanha, obtendo suprir cobertura total no território alemão.
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1º Geração de SMC – Interface Aérea
JapãoVáriospaíses
Váriospaíses
Váriospaíses Alemanha
NTT AMPS TACS NMT C450
925-940870-885
917-950872-905
463-467.5453-457.5
461.3-465.74451.3-455.74
600 832 1320 180 222
5 a 15 2 - 20 2 - 20 1.8 - 40 5 - 30
25 30 25 25 20
± 5 ± 12 ± 9.5 ± 5 ± 4
Sistema
Frequência Tx(MHz)
Nº de canais
Raio de cobertura (km)
Largura de faixa do canal(Khz)
∆f modulação analógica (kHz)
Taxa na sinalização (kbps) 0.3 10 8 1.2 5.28
869-894824-849
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1º Geração de SMC no Brasil
1991AMPS
Primeiro sistema de telefonia celular escolhido pelo Ministério das Telecomunicações é implantado na cidade do Rio de Janeiro.
1993AMPS
Implantado na Grande São Paulo.
1993-1995AMPS
O sistema telebrás implanta em todo o Brasil o sistema de telefonia celular baseado no padrão americano.
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1º para a 2º GeraçãoObjetivo: Solucionar o problema da demanda reprimida, devida a baixa capacidade dos sistemas analógicos.
O “mundo” digital possui algumas características importantes:
• Sinal digitalizado - Processamento digital• Compactação• Detecção de erros• Correção de erros• Criptografia
Mundo Digital
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2º Geração de SMC
Criação do comitê GSM (Groupe Spécial Mobile) pela CEPT para desenvolver um sistema digital para a telefonia celular.
A TIA divulga o EIA/TIA/IS-54 Dual Mode Subscriber
Equipment-Network-Equipment Compatibility Specification. Primeiro padrão digital americano, designado D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System).
TIA divulga o EIA/TIA/IS-95 Mobile Station-Base Station
Compatibility Standard for Dual Mode Wideband
Spread-Spectrum Cellular System. Sistema baseado no sistema CDMA da Qualcomm.
1982GSM
1989IS-54
1993 CDMA
1994IS-136
A TIA divulga o IS-136 evolução do IS-54, incrementado com novas aplicações como serviços de transmissão de dados, mensagens de curta duração entre outras.
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Evolução Européia da 2º Geração de SMC
Analógicos
Digitais
GSM
TACS NMT 450 C-450
NMT 900
Evolução Norte Americana da 2º Geração de SMC
D-AMPS
AMPS
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Objetivo: Melhorar as taxas de transmissão, para usuários que necessitam de maior banda para utilizações com múltiplas mídias. Também pretende melhorar a interconexão entre os sistemas.
O novo cenário possui mudanças interessantes:
• Codificação e Modulação adaptativa• Algoritmos de equalização mais otimizados• Orthogonal Variable Spreading Factor Codes – OVSF• Antenas inteligentes
Mundo Digital com Taxas de Transmissão Mais Elevadas
2º para a 3º Geração
13•UMTS: Serviço Universal de Telecomunicações Móveis.
•(IMT-2000): International Mobile Telecommunications-2000.
3º Geração de SMC
Definido pelo IMT - 2000Europa – UMTS – WCDMAJapão – WCDMA
Definido pelo IMT-2000América (UMTS – CDMA 2000)Ásia (UMTS – CDMA 2000)Coréia( UMTS – CDMA 2000)
WCDMA
CDMA- 2000
TD-SCDMA China(TD- SCDMA – Time Division - Synchronous Code DivisionMultiple Access)
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Objetivo: permitir que o conceito qualquer lugar, qualquer momento, qualquer mídia, qualquer pessoa, com altas taxas de serviço seja concretizado.
Qualquer pessoa
Qualquer momento
Qualquer lugar
Qualquer serviçoMobilidade Total
3º para a 4º Geração
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• Tecnologia Software Defined Radio (SDR);• Maiores larguras de faixa para as transmissões;• Baixo custo;• Maior Segurança;• Rádio Cognitivo (identificar todas as necessidades de transmissão e as possibilidades de recepção na sua região e utilizar todo o potencial dessa largura de banda).
4º Geração de SMC
Tx Wireless
Rx WirelessTx Wireless
Rx WirelessDado
Dado
Dado
Dado
MIMO
SISO
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• Conteúdo HDTV;• Serviços básicos como voz e dados, sempre no conceito de uso em qualquer local e a qualquer momento;•Todos os serviços deverão ser prestados tendo como premissas:
Otimização do uso de espectro,Grande capacidade de usuários simultâneos,Interoperabilidade entre os diversos padrões de redes sem fio.
4º Geração de SMC
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Acessos Móveis por Plano
Pré-Pago Pós-Pago Total Participação (%)
91.664.232 16.835.082 108.499.314 49,92
44.771.140 10.674.340 55.445.480 25,51
41.466.752 11.934.416 53.401.168 24,57
177.902.124 39.443.838 217.345.962 100
Acessos Móveis por Tecnologia
Tecnologia Total Participação (%) Densidade (acessos/100 hab.)
AMPS 0 0 0
CDMA 2.542.172 1,17 1,31
TDMA 5 0 0
GSM 186.886.207 85,99 95,98
WCDMA 21.265.674 9,78 10,92
CDMA2000 0 0 0
Terminais de Dados 6.651.904 3,06 3,42
Total 217.345.962 100 111,62
Dados dos Sistemas Móveis
Fonte: ANATEL, Junho-2011
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Fundamentos de Sistemas Celulares
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Sistema de TX/RX - Camada Física
• Técnicas de diversidade;• Codificação/decodificação;• Multiplexagem e demultiplexagem;• Modulação, Demodulação;• Espalhamento e Compressão;• Sincronização em portadora e tempo;• Processamento de RF.
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FormatSourceencode
EncryptChannelencode
MultiplexPulse
modulateBandpassmodulate
Frequencyspread
MultipleAccess
XMT
Channel
FormatSourcedecode
DecryptChanneldecode
Demulti-plex
DetectDemod-ulate &Sample
Frequencydespread
MultipleAccess
RCV
Synch-ronization
Informationsource
Informationsink
Digitalinput
Digitaloutput
hc(t)Channelimpulseresponse
Optional
Essential
Bit streamDigital
basebandwaveform
Digitalbandpasswaveform
From othersources
To otherdestinations
Equalizador Demodulador
Sistema de TX/RX - Camada Física
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Canal de Comunicação
simplexHalf duplex
Full duplex
Distância Duplex
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• A figura ilustra como ocorrem os múltiplos percursos no canal de comunicação. • Observe que cada percursos representa uma amplitude na resposta impulsiva do canal de comunicação. Este modelo será utilizado por diversas tecnologias como comunicações móveis no sentido de verificar o desempenho do receptor para determinadas situações de propagação do sinal transmitido.
Canal de Comunicação
23
Dispersão Temporal
12 3
� � �1
1
010
1
0 1
0
Canal de Comunicação
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1) Perdas no percurso - perdas no espaço livre, obstruções por construções, elevações do terreno e vegetação. Caracterização através de métodos de predição outdoor (Okumura-Hata) e indoor (empíricos).
2) Desvanecimento por múltiplos percursos - interferência entre duas ou mais versões do sinal transmitido que chegam ao receptor em diferentes instantes e com diferentes fases e amplitudes.
Canal de Comunicação
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O modelo empírico de Okumura é empregado me áreas urbanas, sendo
desenvolvido com base em experimentos de medidas. A expressão geral é:
Onde,
L - valor médio da perda devido ao caminho de propagação [dB];
Lf - perda de propagação no espaço livre [dB];
A (f, d) - valor em [dB] encontrado em curvas empíricas, dependente;
f – frequência [MHz];
d – distância entre a estação radio base receptora [km].
G(hte) – fator de ganho da estação transmissora [dB];
hte – altura efetiva da antena transmissora [m];
hre – altura efetiva da antena receptora [m];
G(hre) – fator de ganho da estação receptora [dB];
G(area) - valor em [dB] encontrado em curvas empíricas, expressa o ganho gerado devido ao
ambiente em que o sistema esta operando.
Perdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata
( ) ( ) ( ) ( )areaGhreGhteGdfALL f −−−+= ,
Canal de Comunicação
( )
=⇒
22
2
4log10
dL f
π
λ
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• O modelo empírico de Hata apresenta uma formulação prática do modelo de
Okumura.
• O modelo de Hata leva em consideração área suburbana, área urbana e área rural.
• O modelo se aplica-se a uma faixa de frequências entre 150 e 1500 MHz.
• Este modelo é mais adequado para macro células por cobrir áreas maiores que 1 km.
Canal de ComunicaçãoPerdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata
( )
( )
( ) mhremhre
hreG
mhrehre
hreG
mhtemhte
hteG
1033
log20
33
log10
100030200
log20
<<
=
≤
=
<<
=
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Onde,
L - valor médio da perda devido ao caminho de propagação para área urbana [dB];
f – frequência [MHz];
hte – altura efetiva da antena transmissora [m];
hre – altura efetiva da antena receptora [m];
d – distância entre a estação radio base receptora [km];
a(hre) – fator de correção da altura efetiva da antena receptora da unidade móvel , a qual é
uma função do tamanho da área de cobertura [dB].
Este fator pode ser calculado por:
Para uma região urbana: a(hre) = (1,1log(f) – 0,7)hre – (1,56log(f) – 0,8).
Para áreas urbanas densas e f ≤ 300 MHz: a(hre) = 8,29(log(1,54hre))2 – 1,1)hre
Para áreas urbanas densas e f > 300 MHz: a(hre) =3,2(log(11,75hre))2–4,97)hre
( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )dhtehreahtefL loglog55,69,44log82,13log16,2655,69 −+−−+=
O valor médio da perda de propagação de uma área urbana é:
Canal de ComunicaçãoPerdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata
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( ) ( )( ) 4,528/log2 2 −−= furbanasareasLL
O valor médio da perda de propagação de uma área suburbana é:
O valor médio da perda de propagação de uma área rural aberta é:
( ) ( )( ) ( ) 98,40log33,18log78,4 2 −−−= ffurbanasareasLL
Canal de ComunicaçãoPerdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata
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O sombreamento é caracterizado por variações aleatórias na potência do sinal recebidodevidas a obstruções causadas por objetos durante o percurso de propagação do sinal. Este modelo foi estudado experimentalmente. Os resultados empíricos mostraram sua validade para descrever as variações de potência recebida tanto no ar livre como em ambientes fechados No modelo de sombreamento log-normal a potência recebida possui uma distribuição log-normalcom função densidade de probabilidade dada por dada por
Onde:é a variável aleatória representando as variações do nível
da potência recebida. são, respectivamente, a média e o desvio padrão de x,ambos também expressos em
decibéis. A média pode ser baseada em um modelo analítico ou medida empiricamente. µdB, quando medida empiricamente, é igual ao desvanecimento em larga escala médio, pois tanto a perda de percurso quanto as perdas por sombreamento estão incorporadas nas medições. Para o método analítico, µdB deve incorporar tanto a perda de percurso como a atenuação causada pelo obstáculo.
Canal de ComunicaçãoPerdas no percurso: Sombreamento – Log Normal
( )( )
2
2
2
2
1dB
dBdBx
dB
dB exf σ
µ
σπ
−−
=
( )xxdB 10log10=
dBdB σµ ,
30
( ) ( ) ( )τδδ −+= tktth
t
( )th
τ
1k
Desvanecimento por múltiplos percursos : Modelo: Canal com um múltiplo percurso – estático/tempo
Canal de Comunicação
Resposta Impulsiva (Temporal) do canal.
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Resposta em frequência do canal.
( ) ωτω jeH −+=10 100 200 300 400 500 600 700 8000
1
2
H f( )
0 100 200 300 400 500 600 700 8002
0
2
arg H f( )( )
f kHz( )
Desvanecimento por múltiplos percursos : Modelo: Canal com um múltiplo percurso – estático/tempo
Canal de Comunicação
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Desvanecimento por múltiplos percursos : Modelo: Canal com um múltiplo percurso – variante/tempo
Canal de Comunicação
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Solução do problema
Adiciona-se ao receptor um sistema capaz de compensar ou mitigar o efeito da ISI no sinal recebido. Este sistema é chamado de Equalizador.
T T
IES
tempo
T
Desvanecimento por múltiplos percursos : Modelo: Canal com um múltiplo percurso
Canal de Comunicação
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Software Defined Radio - SDR
Joseph Mitola, 1991. Publicação do primeiro artigo 1992.
O conceito do Software Defined Radio (SDR) é implementar todos os elementos
do sistema de comunicação (misturador, amplificador, modulador, demodulador,
detector, etc..) usando software no lugar do hardware.
Limitação – taxa de amostragem.
Possibilidade de utilizar radio cognitivo.
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Software Defined Radio - SDR
Definição:É um rádio no qual as funcionalidades são extensivamente definidas em software, e com os
conversores de dados o mais próximo possível do sistema de antenas.
LOADC
I
Q
Banda Básica
( )tfcπ2cos
( )tfcπ2sen
Estágio de RF
ANALÓGICO DIGITAL
LNA
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Software Defined Radio - SDR
Oportunidade de Implantação:• Processamento Digital de Sinais, Digital Signal Processors (DSPs)(FPGA);
• Conversor de alto desempenho ADC/DAC.(80 a 120 milhões de amostras por segundo) ;• Interfaces ultra-rápidas de transferência de dados.
A idéia é proporcionar flexibilidade ao terminal de rádio, para ele se adaptar a diferentes
sistemas ou avanços na tecnologia ou serviços.
Exemplo: Um usuário que se desloca dentro de um sistema WCDMA e está atravessando
uma área sem cobertura de RF, o sistema pode requisitar um pedido de handoff para uma rede
diferente que nesta área apresenta cobertura de rádio, como por exemplo a tecnologia GSM.
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FPGA (Field Programmable Gate Arrays) :• Pode ser re-configurada várias vezes ;
• Geralmente o FPGAs são usados em conjunto com DSPs, onde o DSP trata o fluxo
principal do algoritmo, e o FPGAs trata a intensiva repetição computacional das operações;
• Re-configuração é feita por download na configuração dos dados eletronicamente;
• Filtros FIR, Modulador, Codificador, FFT, etc...
Software Defined Radio - SDR
Conexões utilizados no momento
Fonte de Conexões
Bloco Lógico
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OFDM
• Técnica FDM - não existe relacionamento entre as frequências no espectro.• As portadoras FDM são colocadas uma junto da outra.
• Num sistema OFDM, cada portadora possui uma frequência igual a um múltiplode uma frequência da base fundamental. Esta condição permite a ortogonalidade.
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OFDM
40
+
++
( )t1cos ω
( )t2cos ω
( )t3cos ω
( )tsen 1ω
( )tsen 2ω
( )tsen 3ω
( )ts
( )ts1 ( )ts2
nnn bjas +=
Símbolo OFDM
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( )ts1U
T1G
T
t
O Prefixo Cíclico é a repetição no início do símbolo OFDM de parte do sinal do mesmo Símbolo OFDM.
OFDM
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No sistema OFDM podem ocorrer interferência de duas naturezas diferentes:
ISI (Inter Symbol Interference) – é uma interferência causada pela dispersão na resposta impulsiva do canal de comunicação, que provoca a junção entre símbolos adjacentes. (O prefixo cíclico é um tipo de proteção temporal que é introduzido no símbolo OFDM com a finalidade de combater a ISI provocada pela dispersão da resposta impulsiva do canal de comunicação).
ICI (Inter Carrier Interference) – é também denominada de interferência intra símbolo, sendo responsável pela distorção na amplitude e fase de cada sub portadora do sinal transmitido. (O equalizador no domínio da freqüência éresponsável pela minimização desta interferência).
OFDM
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ICI (Inter Carrier Interference)
nS
I
Q
'nS
na
nb'nb
'na
I
Q
( ) njnn eHfH θ−=
nn freqüência cada em fase a é e amplitude de ganho o é fHn θ
OFDM
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FFTEqualização noDomínio daFreqüência
Estimação do canalSub Portadoras
Piloto
rxDados
Interp
equalMapBanco de
• Utiliza-se o estimador de canal para estimar a resposta em frequência do canal de comunicação que será utilizado no algoritmo de equalização.
• A estimação é realizada usando as portadoras piloto e interpolando a resposta em frequência entre as portadoras piloto.
P
P
P
f (Hz)
Map S/P IFFT P/S Prefixo Cíclico CANALRemoção doPrefixo Cíclico
S/P FFT P/S
Sub PortadorasPiloto
Estimação do canal
Equalização noDomínio daFreqüência
Demap
Bits
Bits
erpDadosMap rxequal int/=
OFDM
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Definição:
• As antenas inteligentes são arranjos de antenas, que se utilizam de técnicas de processamento digital de sinais, para formar feixes de radiação nos pontos de interesse. O padrão de antenas é formado por vários elementos igualmente espaçados.
Antenas Inteligentes
1w
lw( ) ( )∑=
L
LL wtxty1
Σ
Adaptivealgorithm
( )td
( )tεLw
lx
1x
Lx+
−
M
M
M
M
46
Simulação:• Esta interface gráfica de simulação mostra o diagrama de irradiação no ponto de 60o, local onde está o usuário desejado e o sinal interferente nas posições de 0o e 90o, onde aparecem nulos do diagrama de irradiação.
Antenas Inteligentes
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Downtilt
horizonte
radiação
horizonte
radiaçãoradiação
horizonte
Sem tilt Tilt elétrico Tilt mecânico
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Sistema Centralizado x Sistema Celular
Vantagens e Desvantagens
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Componentes de um Sistema Celular
MSC
Roaming
Handoff
Sistema A Sistema B
PSTN
VLR
= ERB+BSC
AuC
EIR HLR
MSC
VLRAuC
EIR HLR
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Cluster - Sistema Celular
CLUSTER 1 CLUSTER 2
• Cluster - Conjunto de células onde se divide todos os canais disponíveis no sistema.
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Enlace – Direto / ReversoEnlace Reverso
Enlace Direto
UPLINK
824-849 MhzAMPS
DOWNLINK
869-894 MhzAMPS
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Principais Tipos de Handoff
1) Hard-Handoff – A comunicação com ERB antiga através do canal CDMA é
descontínua e uma nova comunicação com a nova ERB e
necessariamente outro canal CDMA é estabelecido.
2) Soft- Handoff – A estação móvel mantém comunicação simultânea entre a
ERB antiga e a nova ERB.
3) Softer Handoff – A estação móvel mantém comunicação simultânea entre
dois ou mais setores da mesma ERB e certamente dentro
do mesmo canal CDMA desta ERB.
4) Soft-Softer-Handoff – A estação móvel mantém a comunicação simultânea
entre dois ou mais setores da mesma ERB e uma outra ERB.
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Canais
1) Canais Físicos• Corresponde a porção de um ou mais canais de RF usados para transmitir informação.
• Definidos em termos da freqüência, tempo, código, espaço.
2) Canais Lógicos• Definido pelo tipo de informação transmitida.
• São mapeados sobre um ou mais canais físicos.
• São agrupados em canais de controle e canais de tráfego.
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Técnicas de Múltiplo Acesso
freqüência
tempo
Potência
CDMA
freqüência
tempo
Potência
freqüência
tempo
PotênciaT
DMA
FDMA
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Teoria dos Padrões de Reuso
R
Assumindo que as condições de propagação não mudem ao longo dos diferentes radiais, a área teórica de cobertura de uma ERB éum círculo.
Em um sistema de múltiplas células a área de cobertura do melhor servidor em cada ponto corresponde a um polígono, geralmente um hexágono.
A área real de cobertura depende do ambiente onde a ERB foi inserida.
56
Exercício:
1) Quais são os únicos polígonos regulares que podem gerar mosaicos regulares ?
57
Sistema de CoordenadasR
u
=v
x
y
3R
58
Distância entre células
u
v
223 jjiiRD +⋅+=
( ) ( )0,0; 11 =vu
( ) ( )2;1; 22 =vu
59
Exemplo de distância entre co-células para N=3
u
v
60
Exercício: 2) Calcule a distância entre co-células para N=7
u
v
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Número de Células por Cluster
22 jjii& +⋅+=
&R
Dq 3==Razão de Reuso:
Como i e j são números inteiros, o cluster só irá acomodar determinado número de células, 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), ..., células por cluster.
62
Número de células por cluster
1
11
111
1
7
61
5
23
4
7
61
5
23
4
7
61
5
23
4
7
61
5
23
47
61
5
23
4
7
61
5
23
4
7
61
5
23
4
12
31
2
3
12
3
12
31
2
3
12
3
12
31=& 3=&
4=&
7=&
1
24 3
1
24 3
1
24 3
1
24 3
1
24 3
1
24 3
1
24 3
63
Número de canais por célula ou setor
63 canais e N = 3
Sem Setorização Com Setorização
64
Exercício:
3) Número de canais por célula ou setor:
63 canais e N = 7
Sem Setorização Com Setorização
65
Comparação do Tamanho do Cluster
Cluster com 63 canais
N
1
3
4
7
q Canais/Setor Capacidadede Tráfego
Interferência Q
66
51
3
7
6
2
4
Interferência Co- Canal
51
3
7
6
2
4
Interferência devido ao sinal das células de outros clusters, que operam com o mesmo
conjunto de canais de RF.
67
Interferência Co-Canal
34
5
6
11
103
4
2
21
12
8
9
56
7
1
Célula intereferida
Células intereferentesdo 1º anel de co-células
Células intereferentesdo 2º anel de co-células
68
Interferência Co-Canal
...18
133
12
122
6
111 +++
=
∑∑∑=== k
kk
kk
k III
S
I
SCálculo da relação S/I:
γ−= dCS .γ−⋅= knkn DCI
γ
C
• intensidade do sinal da ERB a uma distância d do receptor.
• intensidade do sinal interferente devido a uma célula no n-
ésimo anel, a uma distância Dkn do transmissor.
• fator de variação da perda de propagação com a distância,
com valor entre 2 e 5.
• parâmetro cujo valor depende das características do sistema
de transmissão e de fatores de perda de propagação que não a
distância.
69
Cálculo da Interferência Co-Canal
N = 4 N = 7 N = 9 N = 12 N = 19
S/I (dB)
Interferência co-canal para diferentes planos de reuso (γ=4).
Para um móvel na fronteira da
célula (pior caso):( ) ( )
∑∞
=
−
−
−−−
−
⋅
=
+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅
⋅=
1
16
1
...3182126
k
kR
DI
S
DCDCDC
dC
I
S
γ
γ
γγγ
γ
66
1 γ
γ
q
R
DI
S=
=
−
Considerando apenas o 1º anel:
70
Exercício:
4) Calcule a interferência co-canal relativa ao primeiro anel interferente.
Decimal dB Decimal dB
2=γ 4=γ
6
γq
I
S=
N
3
4
7
9
12
71
Exercício:
5) Calcule o acréscimo na interferência co-canal relativa ao segundo anel interferente.
Decimal dB Decimal dB
2=γ 4=γN
3
4
7
9
12
72
Setorização
• Dividir a célula em setores, cada um servido por um conjunto diferente de
canais e iluminado por uma antena direcional.
• Na prática, divisões em 3 ou 6 setores.
• O grande benefício da setorização é reduzir a interferência co-canal.
• Em sistemas FDMA e TDMA a setorização provoca uma redução na
capacidade de tráfego do cluster.
• Em sistemas CDMA a setorização provoca um aumento da capacidade
de tráfego do cluster.
• A setorização obriga que se execute um handoff quando o móvel passa de
um setor para outro da mesma célula, denominado handoff intra-celular.
73
Cálculo da Interferência Co-Canal
A relação sinal/interferência considerando
apenas o primeiro anel interferente com a
setorização tripla é dada por: 2
γq
I
S=
74
Interferência de Canal Adjacente
Interferência de canal adjacente devido ao reuso de freqüência.
3(3,10,17)
6(6,13,20)
1(1,8,15)
4(4,11,18)
5(5,12,19)
7(7,14,21)
2(2,9,16)
3(3,10,17)
6(6,13,20)
1(1,8,15)
4(4,11,18)
5(5,12,19)
7(7,14,21)
2(2,9,16)
3(3,10,17)
6(6,13,20)
1(1,8,15)
4(4,11,18)
5(5,12,19)
7(7,14,21)
2(2,9,16)
InterferênciaIntercélula
InterferênciaIntercluster
75
Interferência de Canal Adjacente
A interferência de canal adjacente é dada por
ICd
dLogICA
c
cai −
−=
γ
1010
• Distância entre a ERB que contem o canal adjacente interferente e o
móvel.
• Distância entre a ERB que possui o canal desejado e o móvel.
• Isolamento de canal adjacente, depende do circuito de sintonia do
móvel (valor típico de 26 dB).
caid
cd
IC
76
Tamanho das Células
Diâmetro
Potência tx
Altura da Antena
γ
Tipo de Sinal
Atraso
Cobertura
2 a 20 km
0,6 a 10 W
> 30 m
2 a 5
Rayleigh e
Lognormal
< 8 µs
Rural
0,4 a 2 km
< 20 mW
> 10 m
Terreno Plano
Rice e
Lognormal
< 2 µs
Urbana
20 a 400 m
alguns mW
Teto
1,2 a 6,8
Rice
50 a 300 ns
Indoor
Tipo Macrocélula Microcélula Picocélula
77
Conceito de Tráfego e a Capacidade dos Sistemas Celulares
• O objetivo da engenharia de tráfego consiste em prover serviços de comunicação,
numa determinada área geográfica, para um determinado número de usuários, com
um certo grau de serviço (GOS).
• O GOS é definido como o valor percentual da probabilidade de bloqueio, ou seja, a
probabilidade de que o assinante não consiga acesso imediato ao serviço por
inexistência de canal disponível ou incapacidade do sistema de completar a
conexão, baseado na demanda de serviço na hora de maior movimento (HMM).
• A engenharia de tráfego deve estabelecer e garantir um GOS que represente:
• (a) um bom compromisso entre o custo de implantação e a operação do
sistema,
• (b) uma boa receita e satisfação do usuário.
78
Cálculo do Tráfego
A modelagem do tráfego dos sistemas celulares é feito através da Teoria de
Filas empregando uma fila M/M/C/0: processos de entrada e saída
markovianos, com C canais, sem memória.
A dedução da probabilidade de bloqueio desta fila nos leva à conhecida
fórmula B de Erlang.
( )∑
=
==C
i
i
C
B
i
CCErl
0!
!,Prρ
ρ
ρ
onde ρ é o tráfego oferecido, PrB a probabilidade de bloqueio e C o número de canais do sistema.
79
Cálculo do Número de Usuários
De posse do valor do tráfego oferecido por um dado sistema, podemos
calcular o número de assinantes que este sistema pode habilitar, ou seja:
n
T& obsassinantes
⋅
⋅=
µ
ρ
• Nassinantes é o número de assinantes,
• Tobs é o tempo de observação do sistema,
• µ é o tempo de duração médio de uma chamada feita por um assinante,
• n é o número médio de chamadas durante o tempo de observação que um
assinante faz na HMM.
80
Tabela de TráfegoC 1% 2% 5% 10% 50%1 0.010 0.020 0.053 0.111 1.0002 0.153 0.223 0.381 0.595 2.7323 0.455 0.602 0.899 1.271 4.5914 0.869 1.092 1.525 2.045 6.5015 1.361 1.657 2.218 2.881 8.4376 1.909 2.276 2.960 3.758 10.3897 2.501 2.935 3.738 4.666 12.3518 3.128 3.627 4.543 5.597 14.3209 3.783 4.345 5.370 6.546 16.29410 4.461 5.084 6.216 7.511 18.27311 5.160 5.842 7.076 8.487 20.25412 5.876 6.615 7.950 9.474 22.23813 6.607 7.402 8.835 10.470 24.22414 7.352 8.200 9.730 11.473 26.21215 8.108 9.010 10.633 12.484 28.20116 8.875 9.828 11.544 13.500 30.19117 9.652 10.656 12.461 14.522 32.18218 10.437 11.491 13.385 15.548 34.17319 11.230 12.333 14.315 16.579 36.16620 12.031 13.182 15.249 17.613 38.15921 12.838 14.036 16.189 18.651 40.15322 13.651 14.896 17.132 19.692 42.14723 14.470 15.761 18.080 20.737 44.14224 15.295 16.631 19.031 21.784 46.13725 16.125 17.505 19.985 22.833 48.132
C 1% 2% 5% 10% 50%26 16.959 18.383 20.943 23.885 50.12827 17.797 19.265 21.904 24.939 52.12428 18.640 20.150 22.867 25.995 54.12029 19.487 21.039 23.833 27.053 56.11730 20.337 21.932 24.802 28.113 58.11335 24.638 26.435 29.677 33.434 68.09940 29.007 30.997 34.596 38.787 78.08845 33.432 35.607 39.550 44.165 88.07950 37.901 40.255 44.533 49.562 98.07255 42.409 44.936 49.539 54.975 108.066
60 46.950 49.644 54.566 60.401 118.061
65 51.518 54.376 59.609 65.839 128.057
70 56.112 59.129 64.667 71.286 138.053
75 60.728 63.900 69.738 76.741 148.050
80 65.363 68.688 74.820 82.203 158.047
85 70.016 73.490 79.912 87.672 168.044
90 74.684 78.306 85.014 93.146 178.042
95 79.368 83.133 90.123 98.626 188.040
100 84.064 87.972 95.240 104.110 198.038
100 84.064 87.972 95.240 104.110 198.038
110 93.493 97.678 105.494 115.089 218.035
120 102.964 107.419 115.771 126.082 238.032
130 112.471 117.190 126.066 137.087 258.029
140 122.041 127.006 136.388 148.105 278.028
150 131.656 136.837 146.694 159.126 298.026
81
Exercício:
6) Calcule a capacidade de um sistema 416 (395 de voz e 21 de controle) canais disponíveis. Realize o cálculo utilizando uma célula (a) sem setores e (b) com 3 setores.
82
Planejamento de frequências
• Cada conjunto de 395 canais de voz é dividido em 21 subconjuntos
com 19 canais cada.
• Em cada cluster de 7 células, cada célula utiliza 3 subconjuntos de
forma que a separação mínima entre canais seja de 7 bandas de um
canal - redução de interferência de canal adjacente.
• Como mostrado na tabela a seguir, cada célula num cluster utiliza
canais dos subconjuntos iA, iB e iC, i = 1, 2, ..., 7.
• O número máximo de canais de voz por célula é de 57 (podem existir
mais, mas nessa situação pode haver aumento excessivo de
interferência de canal adjacente, pois a regra de distribuição acima
mencionada será quebrada).
• Cada célula terá de 1 a 3 canais de controle.
83
Planejamento de frequências1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2122 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 4243 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 6364 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 8485 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 - - -313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333- - - - - - - - - - - - - - - - - - 667 668 669670 671 672 673 674 675 676 677 678 679 680 681 682 683 684 685 686 687 688 689 690691 692 693 694 695 696 697 698 699 700 701 702 703 704 705 706 707 708 709 710 711712 713 714 715 716 - - - - 991 992 993 994 995 996 997 998 999 1000 1001 10021003 1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023
Os canais de controle estão marcados em amarelo.
CDMA
84
Exercício:
7) Calcule a capacidade (N = 7, 3 setores) de um sistema com 395 de voz.
85
Conceitos Sobre Sistema Digitais
86
Interface Aérea - TDMA
Parâmetro Especificação
Múltiplo acesso TDMA / FDD
Modulação π/4 DQPSK
Largura do canal 30 kHz
Taxa de dados (ambos enlaces) 48,6 kbps
Eficiência espectral 1,62 b/s/Hz
Codificação de canal CRC de 7 bit e convolucional de taxa1/2 e k=6
Usuários por canal 3 (full-rate), vocoder de 7,95 kbps/usuário
87
Exercício:
8) Calcule o número simultâneo de usuários que um sistema com 416 canais ocupando uma largura de faixa disponível de 12,5 Mhz com BWcanal = 30 Khz, 7 células, tri setorizadas com 3 slots/canal. Suponha ainda que existam 21 canais de controle com as mesma especificações digitais.
Interface Aérea - TDMA
88
2 3 541 6
Quadro TDMA40 ms
Slot324 bits
6,66... ms
6 slots em cada quadro
Canais Full-Rate 7,95 kbpsCanais Half-Rate 3,975 kbps
1 slot por usuário
6 usuários por canal de RF
2 slot por usuário
3 usuários por canal de RF
f30kHz f30kHz
Interface Aérea - TDMA
89
Exercício:
9) Calcule a capacidade (N = 7) de um sistema baseado na técnica TDMA para 395 de voz e 21 de controle.
Interface Aérea - TDMA
90
Exercício:
10) Calcule as seguintes taxas do sistema digital TDMA com as características apontadas:a) Taxa total do sistema.b) Eficiência espectral.
Interface Aérea - TDMA
91
Parâmetro
Espaçamento entre Tx/Rx
Largura dos canais
Taxa de transmissão
Período de quadro
Usuários por quadro
Duração do slot
Duração de bit
Especificação
45 MHz
200 kHz
270,8333... kbps
4,615 ms
8
576,875 µs
3,6923 µs
Interface Aérea – TDMA - GSM
92
f200 kHz
Slot576,875 µs
Quadro TDMA - 4,615 ms
2 3 541 6 7 8200 kHz
Interface Aérea – TDMA - GSM
93
Eficiência EspectralEficiência é uma das características mais desejadas em um sistema de comunicação.
onde:
CCm
CC
C
Cm &ABA&B
&
&
B
B
1=∴= ηη
ω
ω
( )( )
( )
céluladacoberturadeÁreaA
sistemadofreqüenciadereusodeFator&
cobreturadeáreanacélulasdetotal&úmero&
MHzcanaldotoEspeaçamenB
MHzsistemadofaixadeuraLB
kmMHzcanaisulaçãodaeficiência
C
C
C
m
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒
arg
//mod 2
ω
η
Interface Aérea – TDMA - GSM
94
Eficiência Espectral
Outra definição de eficiência espectral da modulação é feita em Erlangs/MHz/ km2.
( )( )totalCoberturafaixadeuraL
sistemadototalTráfegom arg
=η
Interface Aérea – TDMA - GSM
95
Exercício:
11) Em um sistema celular GSM, a largura de faixa de downlink é de 12.5 MHz. O espaçamento de canal é de 200KHz. Oito usuários compartilham cada canal e três canais por célula são utilizados (ou reservados) para controle. Calcular a eficiência espectral (para uma densa área metropolitana com pequenas células) usando os seguintes parâmetros.
•Células Ominidirecionais
•Área de uma célula = 8 km2
•Área de cobertura Total = 4000 km2
•No médio de chamadas por usuários durante a hora de maior movimento = 1.2
•Tempo médio de manutenção de uma chamada = 100 s
•Probabilidade de bloqueio de chamada = 2%
•Fator de reuso = 4.
Eficiência Espectral
Interface Aérea – TDMA - GSM
96
Eficiência Espectral para Múltiplo Acesso
• Eficiência Espectral FDMA.
onde:
1≤=ω
ηB
&B TCa
coberturadeáreanavozdecanaisdetotal&úmero&
acessomúltiplodoespectraleficiência
T
a
⇒
⇒η
• Eficiência Espectral TDMA.
onde:
=
ω
τη
B
&B
T
M uu
f
Ta
( )
diferentessfreqüênciaemacessotendomas
sistemanoslottimemesmooandocompartilhusuáirosde&úmero&
slottimeseuoduranteusuárioumdefaixadeuraLB
quadroporslotstimedenúmeroM
framequadrodoDuraçãoT
slottimeumdeDuração
u
u
t
f
,
arg
⇒
⇒
⇒
⇒
⇒τ
97
Exercício:
12) Em um sistema celular TDMA, a largura de faixa de downlink é de 12.5 MHz. O espaçamento de canal é de 30KHz, e existe 395 canais de voz neste sistema. A duração de um quadro é 40 ms, com 6 times slots por quadro. Calcular a eficiência do sistema TDMA.
Eficiência Espectral para Múltiplo Acesso
98
Eficiência Espectral do Quadro TDMA
• Eficiência Espectral do quadro TDMA.
onde:
( )HzsegbitsB
R&u //ω
η =
célulaporcanaisdetotal&úmero&
ormaçãodebitdeTaxaR
u ⇒
⇒ inf
99
Exercício:
13) Supondo um sistema TDMA com 73 usuários por célula, calcule a eficiência espectral desse sistema que usa os seguintes parâmetros: taxa de bit de informação 16.2 kbps e largura de faixa igual a 12,5 Mhz.
Eficiência Espectral do Quadro TDMA
Exercício:
14) Supondo um sistema TDMA com 10 usuários por célula, calcule a eficiência espectral desse sistema que usa os seguintes parâmetros: taxa de bit de informação 384 kbps e fator de reuso N = 7.
100
• Utiliza técnica de espalhamento espectral por sequência direta.
• Enlace direto: Códigos Walsh para ortogonalidade entre os usuários, sequência longa (comprimento de 242 - 1 chips), espalhamento em quadratura por sequências piloto de comprimento 215 chips a 1,2288Mchips/s.
• Enlace reverso: Códigos Walsh para modulação ortogonal; espalhamento pelo código longo (1,2288Mchips/s).
Interface Aérea – CDMA - DSSS
101
0 50 100 150 200 250 300
1
0
1
• Função de auto-correlação entre duas sequências PN iguais.
• Função de correlação cruzada entre duas sequências PN distintas.
Interface Aérea – CDMA - DSSS
123 ++= xxP&Código
102
Código Ortogonal: Walsh
[ ]
−=→
−=→
−=→=
44
448
22
224
11
1121 1
HH
HHH
HH
HHH
HH
HHHH
[ ]
−−
−−
−−=→
−=→=
1111
1111
1111
1111
11
111 421 HHH
Interface Aérea – CDMA - DSSS
103
Funcionamento do Código de Walsh
4
3
2
1
4
1111
1111
1111
1111
w
w
w
w
H
−−
−−
−−=
)(1 tw
)(1 ts
)(2 tw
)(2 ts
)(3 tw
)(3 ts
)(4 tw
)(4 ts
∑
)(1 tw
)(tr
)(1 ts~
Filtro
Interface Aérea – CDMA - DSSS
104
Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência (FDMA)
Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA)
Interface Aérea – CDMA - DSSS
105
CDMA- Ganho de Processamento
Uma das maiores vantagens de um sistema SS é sua robustez contra interferência. O ganho de
processamento (Gp) quantifica o grau de rejeição a interferência. O ganho de processamento é
a taxa entre a largura de faixa de RF e a taxa de informação.
Tipicamente o ganho de processamento está entre 20 e 60 dB.
R
BG P
ω=
Exercício:
15) Calcule o ganho de processamento para um sistema DSSS que tem 10 Megachips por segundo (Mcps) de taxa de relógio e 4.8 kbps de informação. Qual será amelhora no ganho de processamento se a taxa de geração de código é alterada para 50 Mcps? Existe alguma vantagem em aumentar a taxa de geração para uma taxa de informação de 4.8 kbps?
Interface Aérea – CDMA - DSSS
106
CDMA - Desempenho do sistema
A relação entre o número de usuários móveis, M, o ganho de processamento Gp e a relação
sinal ruído (Eb/No) pode ser calculada por:
Onde:
λυ
αβ
.1..
1
1.
+=
ob
P
&E
GM
( )
( )55,2:_.int
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CDMAfreqmesmanavizinhascélulasdeerferência
Interface Aérea – CDMA - DSSS
107
Exercício:
16) Um sistema CDMA, opera em uma taxa de Chip de 1,2288Mcps com uma taxa de dados de 9.6 kbps. Eb/No igual a 6.8 dB. Estimar o número médio de usuários que podem ser atendidos por uma célula tri-setorizada. Assuma: Interferência entre células vizinhas 50%; fator de atividade vocal 60%; fator de controle de potência 0.85 e fator de interferência entre as antenas 2,55.
CDMA- Desempenho do sistema
Exercício:
17) Estimar o número de usuários móveis que podem ser atendidos por uma sistema CDMA usando uma largura de faixa em RF de 1,25 MHz para transmitir dados a uma taxa de 14.4 kbps e 384 kbps. Assuma: Eb/No = 6 dB; interferência entre células vizinhas 60%; fator de atividade vocal 50%; fator de controle de potência 0.80 e fator de interferência entre as antenas 2,55.
Interface Aérea – CDMA - DSSS
108
FIM