TP-608- Sistemas de Comunicações Móveis

1

TP-608- Sistemas de Comunicações Móveis

Conteúdo

Revisão Histórica / Panorama Atual

Fundamentos de Sistemas Celulares

• 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

3

Referências Bibliográficas

1 – Foundations of Mobile Radio Engineering Michel Daoud Yacoub

CRC Press ISBN 0-8493-8677-2 2 – Wireless Technology

Michel Daoud Yacoub CRC Press

3 – IS-95 CDMA and CDMA 2000 Vijay K. Garg

Prentice Hall PTR ISBN 0-1308-7112-5

4 – Wireless Communications: Principles and Practice Theodore S. Rappaport

Prentice Hall ISBN 0-1304-2232-0

4

Referências Bibliográficas

5 – Cellular Mobile Systems Engineering Saleh Faruque

Artech House Publishers ISBN 0-8900-6518-7 6 – Digital Communications

John G. Proakis McGraw Hill ISBN 0-0723-2111-3

7 – Principles and Applications of GSM Vijay K. Garg and Wilkis, J.E., Prentice Hall

ISBN 0-1394-9124-4

5

Revisão Histórica / Panorama Atual

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

7

1º Geração de SMC – Interface Aérea

Japão

Vários países

Vários países

Vários

países Alemanha

NTT AMPS TACS NMT C450

925-940 870-885

917-950 872-905

463-467.5 453-457.5

461.3-465.74 451.3-455.74

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 Freqüência 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

869-894 824-849

8

1º Geração de SMC no Brasil

1991 AMPS

Primeiro sistema de telefonia celular escolhido pelo Ministério das Telecomunicações é implantado na cidade do Rio de Janeiro.

1993

AMPS Implantado na Grande São Paulo.

1993-1995 AMPS

O sistema telebrás implanta em todo o Brasil o sistema de telefonia celular baseado no padrão americano.

9

1º para a 2º Geração

Objetivo: Solucionar o problema da demanda reprimida, devida a baixa capacidade dos sistemas analógicos.

O “mundo” digital possui algumas características interessantes:

• Sinal digitalizado - Processamento digital

• Compactação

• Detecção de erros

• Correção de erros

• Criptografia

Mundo Digital

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.

1982 GSM

1989 IS-54

1993 CDMA

1994 A TIA divulga o IS-136 evolução do IS-54, incrementado

11

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

12 Objetivo: Melhorar as taxas de transmissão, para usuários mais exigentes que necessitam de maior banda para utilizações com múltiplas mídias. Também pretende melhorar a interconexão entre os sistemas.

O novo cenário possui mudanças interessantes com relação aos padrões anteriores:

• Diversas taxas de Codificação

• Modulação adaptativa

• Algoritmos de equalização mais otimizados

• Melhoramentos nas técnicas de diversidade

• Sistemas com Múltiplas Portadoras

• Orthogonal Variable Spreading Factor Codes – OVSF

• Antenas inteligentes

Mundo Digital com Taxas de Transmissão Mais Elevadas

2º para a 3º Geração

•UMTS: Serviço Universal de Telecomunicações Móveis. 13

•(IMT-2000): International Mobile Telecommunications-2000.

3º Geração de SMC

Definido pelo IMT - 2000 Europa – UMTS – WCDMA Japão – WCDMA

Definido pelo IMT-2000 América (UMTS – CDMA 2000) Ásia (UMTS – CDMA 2000) Coréia( UMTS – CDMA 2000) WCDMA

CDMA- 2000

TD-SCDMA China(TD- SCDMA – Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access)

Objetivo: permitir que a frase qualquer lugar, qualquer momento, qualquer mídia, qualquer pessoa, com altas taxas de serviço seja concretizada com tecnologias como a SDR.

Qualquer pessoa

Qualquer momento

Qualquer lugar

Qualquer serviço Mobilidade Total

3º para a 4º Geração

15

• Tecnologia Software Defined Radio(SDR)

• Maiores larguras de faixa para as transmissões

• Baixo custo

• Redes inteiramente comutadas por pacote

• 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)

• NTT DoCoMo utilizou VSF- OFDM (Variable Spreading Factor - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) e MIMO (4-por-4 Multiple-Input-Multiple-Output).

Ex: 100 Mbps a 200km/h.

4º Geração de SMC

Tx Wireless

Rx Wireless Tx Wireless

Rx Wireless Dado

Dado Dado

Dado

MIMO

SISO

16

• Vídeo chat

• Mobile TV

• Conteúdo HDTV

• Digital Video Broadcasting (DVB)

• 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, Troca de pacotes em ambiente IP,

Grande capacidade de usuários simultâneos,

Banda mínima de 100 Mbit/s para usuários móveis e 1 Gbit/s para estações fixas, Interoperabilidade entre os diversos padrões de redes sem fio.

4º Geração de SMC

17

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 congnitive radio.

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.

LO ADC

I

Q

Banda Básica

(2πfct)

cos

(2πfct)

sen Estágio de RF

ANALÓGICO DIGITAL

LNA

19

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.

20 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, Correlator, Convolucionador, FFT, etc..

Software Defined Radio - SDR

Conexões utilizados no momento Fonte de Conexões Bloco Lógico

21

OFDM

• Técnica FDM - não existe relacionamento entre as freqüências no espectro.

• As portadoras FDM são colocadas uma junto da outra

• Num sistema OFDM, cada portadora possui uma freqüência igual a um múltiplo de uma freqüência da base fundamental. Esta condição permite a ortogonalidade

23

+

+ +

( )₁t cosω

( )₂t cosω

( )3^t cosω

( )^t

senω₁

( )t senω₂

( )^t

senω₃

( )t s

( )t

s1 ^s2( )^t

n n

n a jb

s = +

Símbolo OFDM

24

( ) ^t

s

U1 1

T

T

t

O Prefixo Cíclico é a repetição no início do símbolo OFDM de parte do sinal do mesmo Símbolo OFDM

25 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 é responsável pela minimização desta interferência).

ICI (Inter Carrier Interference)

Sn

I Q

n' S

an bn

' bn

' an

I Q

( ) f

H

e

H =

n néafaseemcadafreqüência e

amplitude de

ganho o

é f

H_n θ

27

• Utiliza-se o estimador de canal para estimar a resposta em freqüência do canal de comunicação que será utilizado no algoritmo de equalização.

• A estimação é realizada usando as portadoras piloto e interpolando a resposta em freqüência entre as portadoras piloto.

Map S/P IFFT P/S Prefixo Cíclico CANAL Remoção do

Prefixo Cíclico S/P FFT P/S

Sub Portadoras

Piloto Estimação do canal Equalização no

Domínio da

Freqüência Demap

Bits Bits

28 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

w1

wl y

( )

∑

( )

Σ 1

Adaptive algorithm

( )t d

( )

ε wL

xl

x1

xL −+

M

M

M

M

29 Simulação:

• Esta interface gráfica de simulação mostra o diagrama de irradiação no ponto de 60^o, local onde está o usuário desejado e o sinal interferente nas posições de 0^oe 90^o, onde aparecem nulos do diagrama de irradiação.

Antenas Inteligentes

31

Camada Física

• Técnicas de diversidade;

• Codificação/decodificação;

• Multiplexagem e demultiplexagem;

• Mapeamento dos códigos;

• Balanceamento de potências;

• Modulação, Demodulação;

• Espalhamento e Compressão;

• Sincronização em portadora e tempo;

• Medidas das características do rádio;

• Processamento de RF;

• Controle de potência de loop fechado.

32 Dados Comutados por Circuitos

Para todos os usuários é designado um canal de rádio exclusivo;

2 usuários não compartilham o mesmo canal de rádio;

A conexão é mantida independente do volume transmitido;

Dados Comutados por Pacotes

Pacotes de usuários são enviados no primeiro canal e físico disponível;

Compartilhamento dos recursos;

A conexão é estabelecida somente quando transmitindo pacotes;

Bom para a maioria das aplicações de dados;

Uso mais eficiente dos recursos.

Circuitos X Pacotes

33

35

Fundamentos de Sistemas Celulares

36

Canais

simplex

Half duplex

Full duplex

Distância Duplex

37

Downtilt

horizonte

radiação

horizonte

radiação radiação

horizonte

Sem tilt Tilt elétrico Tilt mecânico

Sistema Centralizado x Sistema Celular

Vantagens e Desvantagens

39

Componentes de um Sistema Celular

MSC

Roaming Handoff

Sistema A Sistema B

PSTN VLR

= ERB+BSC

AuC

EIR HLR

MSC VLR AuC

EIR HLR

40

Cluster - Sistema Celular

CLUSTER 1 CLUSTER 2

• Cluster - Conjunto de células onde se divide todos os canais disponíveis no sistema.

41

Enlace – Direto / Reverso

Enlace Reverso

Enlace Direto

UPLINK 824-849 Mhz

AMPS

DOWNLINK 869-894 Mhz

AMPS

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.

43

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.

44

Técnicas de Múltiplo Acesso

freqüência tempo

Potência

C D M A

freqüência tempo

Potência

freqüência tempo

Potência

T D M A F D M A

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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 é um 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.

Sistema de Coordenadas

R

u

= v

x y

3

R

47

Distância entre células

u v

2 3 i 2 i j j R

D = + ⋅ +

( u

^; v

) ( ) = ^{0 , 0}

( u

^; v

) ( ) = ^{1 ; 2}

48

Exemplo de distância entre co-células para N=3

u

v

49 Exercício: 2) Calcule a distância entre co-células para N=7

u v

Número de Células por Cluster

2

2

i j j

i

N = + ⋅ +

D N q = = 3

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.

51

Número de células por cluster

1 1

1 1 1

1 1

7 6

1 5 2

3 4 7 6

1 5 2

3 4 7 6

1 5 2

3 4 7 6 1

5 2

3 4 7

6 1 5 2

3 4 7 6

1 5 2

3 4

7 6

1 5 2

3 4 1

2 3 1

2 3 1

2 3

1 2 3 1 2

3 1

2 3 1

2 3

= 1

N N = 3

= 4 N

= 7 N

1 2

4 3

1 2

4 3

1 2

4 3

1 2

4 3

1 2

4 3

1 2

4 3

1 2

4 3

52

Número de canais por célula ou setor

63 canais e N = 3

Sem Setorização Com Setorização

53 Exercício:

3) Número de canais por célula ou setor:

63 canais e N = 7

Sem Setorização Com Setorização

Comparação do Tamanho do Cluster

Cluster com 63 canais

N 1 3 4 7

q Canais/Setor Capacidade de Tráfego

Interferência Q

55

5

1 3

7

6

2 4

Interferência Co- Canal

5

1 3

7

6

2 4

Interferência devido ao sinal das células de outros clusters, que operam com o mesmo

conjunto de canais de RF.

56

Interferência Co-Canal

3 4

5 6 11

10

3

4 2

2 1

12

8 9

5 6

7

1

Célula intereferida Células intereferentes do 1º anel de co- células

Células intereferentes do 2º anel de co- células

57

Interferência Co-Canal

...

18

1 3

3 12

1 2

2 6

1 1

1

+ + +

= ∑ ∑ ∑

=

=

= k

k k

k k

k

I I

I

S I

S

γ

= C d

S .

γ

⋅

=

kn

C D

I

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 D_kndo 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.

Cálculo da Interferência Co-Canal

N = 4 N = 7 N = 9 N = 12 N = 19 Interferência co-canal para diferentes planos de reuso (γ=4).

Para um móvel na fronteira da célula (pior caso):

( ) ( )

∑

=

−

−

−

− −

−

⋅

 

 



= 

+

⋅

⋅ +

⋅

⋅ +

⋅

⋅

= ⋅

1

6

1

...

3 18 2

12 6

k

R k I D S

D C D

C D

C

d C I

S

γ γ

γ γ γ

γ

6 6

1

γ

q R

I D

S =

 

 



= 

Considerando apenas o

1º anel:

59 Exercício:

4) Calcule a interferência co-canal relativa ao primeiro anel interferente.

Decimal dB Decimal dB

= 2

γ γ = 4

6 q

I S =

N 3 4 7 9 12

60 Exercício:

5) Calcule o acréscimo na interferência co-canal relativa ao segundo anel interferente.

Decimal dB Decimal dB

= 2

γ γ = 4

N

3

4

7

9

12

61

Setorização

• Dividir a Radio Base 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.

Cálculo da Interferência Co-Canal

A relação sinal/interferência considerando apenas o primeiro anel interferente com a

setorização tripla é dada por:

2

q

I

S =

63

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) Interferência

Intercélula

Interferência Intercluster

64

Interferência de Canal Adjacente

A interferência de canal adjacente é dada por

d IC Log d ICA

c cai

 −





 

− 

=

γ

10

• 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).

d

d

IC

65

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

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,

67

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.

( )

∑

=

=

=

i i C

B

i C C

Erl

0

!

, !

Pr ρ

ρ ρ

onde ρé o tráfego oferecido, Pr_Ba probabilidade de bloqueio e C o número de canais do sistema.

68

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 N _assinantes T ^obs

⋅

= ⋅ µ ρ

• N_assinantesé o número de assinantes,

• T_obsé o tempo de observação do sistema,

•µé 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.

69

Tabela de Tráfego

C 1% 2% 5% 10% 50%

1 0.010 0.020 0.053 0.111 1.000 2 0.153 0.223 0.381 0.595 2.732 3 0.455 0.602 0.899 1.271 4.591 4 0.869 1.092 1.525 2.045 6.501 5 1.361 1.657 2.218 2.881 8.437 6 1.909 2.276 2.960 3.758 10.389 7 2.501 2.935 3.738 4.666 12.351 8 3.128 3.627 4.543 5.597 14.320 9 3.783 4.345 5.370 6.546 16.294 10 4.461 5.084 6.216 7.511 18.273 11 5.160 5.842 7.076 8.487 20.254 12 5.876 6.615 7.950 9.474 22.238 13 6.607 7.402 8.835 10.470 24.224 14 7.352 8.200 9.730 11.473 26.212 15 8.108 9.010 10.633 12.484 28.201 16 8.875 9.828 11.544 13.500 30.191 17 9.652 10.656 12.461 14.522 32.182 18 10.437 11.491 13.385 15.548 34.173 19 11.230 12.333 14.315 16.579 36.166 20 12.031 13.182 15.249 17.613 38.159 21 12.838 14.036 16.189 18.651 40.153 22 13.651 14.896 17.132 19.692 42.147 23 14.470 15.761 18.080 20.737 44.142 24 15.295 16.631 19.031 21.784 46.137 25 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 50.128 27 17.797 19.265 21.904 24.939 52.124 28 18.640 20.150 22.867 25.995 54.120 29 19.487 21.039 23.833 27.053 56.117 30 20.337 21.932 24.802 28.113 58.113 35 24.638 26.435 29.677 33.434 68.099 40 29.007 30.997 34.596 38.787 78.088 45 33.432 35.607 39.550 44.165 88.079 50 37.901 40.255 44.533 49.562 98.072 55 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

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.

71

Planejamento de freqüências

• 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.

72

Planejamento de freqüências

1A 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 21

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42

43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63

64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105

106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 - - - 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333

- - - - - - - - - - - - - - - - - - 667 668 669

670 671 672 673 674 675 676 677 678 679 680 681 682 683 684 685 686 687 688 689 690 691 692 693 694 695 696 697 698 699 700 701 702 703 704 705 706 707 708 709 710 711 712 713 714 715 716 - - - - 991 992 993 994 995 996 997 998 999 1000 1001 1002 1003 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

73 Exercício:

7) Calcule a capacidade (N = 7, 3 setores) de um sistema com 395 de voz.

Conceitos Sobre Sistema Digitais

75

TIA/EIA/IS-136 – 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

Equalizador Não especificado

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

Dual-mode Digital / Analógico

Handoff MAHO - Mobile Assisted Handoff .

76 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 BW_canal = 30 Khz, 7 células, tri setorizadas com 3 slots/canal. Suponha ainda que existam 21 canais de controle com as mesma especificações digitais.

77

TIA/EIA/IS-136 - Slots de Tempo

2 3 4 5

1 6

Quadro TDMA 40 ms Slot

324 bits 6,66... ms 6 slots em cada quadro

Canais Full-Rate 7,95 kbps Canais 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

30kHz f f

30kHz

Exercício:

9) Calcule a capacidade (N = 7) do sistema IS–136 para 395 de voz e 21 de controle.

79

GSM 900 - Resumo sobre a interface aérea do GSM

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

80 200 kHz f

Slot 576,875 µs

Quadro TDMA - 4,615 ms

2 3 4 5

1 6 ⁷ 8

200 kHz

81

Eficiência Espectral

Eficiência é uma das características mais desejadas em um sistema de comunicação.

onde:

C C m C C

C C

m

B N A B NA

N N B B

= 1

∴

= η

η

ω ω

( )

( ) ( )

célula da cobertura de

Área A

sistema do freqüencia de

reuso de Fator N

cobretura de

área na células de total Número N

MHz canal do to Espeaçamen B

MHz sistema do faixa de ura L B

km MHz canais ulação da

eficiência

C C C m

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒ arg

/ /

mod ²

ω

η

Eficiência Espectral

Outra definição de eficiência espectral da modulação é feita em Erlangs/MHz/ km^2.

( ^{L Tráfego ura de faixa total} )( ^{do Cobertura sistema total} )

m

= arg

η

83

Eficiência Espectral

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

•N^omédio 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.

84

Eficiência Espectral para Múltiplo Acesso

• Eficiência Espectral FDMA.

onde:

≤ 1

=

ω

η B

N B

a

cobertura de

área na voz de canais de total Número N

acesso múltiplo do espectral eficiência

T a

⇒ η ⇒

• Eficiência Espectral TDMA.

onde:

 



 



 





 



= 

ω

η τ

B N B T

M

f T a

( )

diferentes s freqüência em

acesso tendo mas

sistema no slot time mesmo o ando compartilh usuáiros

de Número N

slot time seu o durante usuário um de faixa de ura L B

quadro por slots time de número M

frame quadro do Duração T

slot time um de Duração

u u t f

, arg

⇒

⇒

⇒

⇒ τ⇒

85 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. O sistema possui uma taxa de dados de usuário individual de 16.2 Kbps no qual os dados codificados apresentam uma taxa de 13 kbps. Calcular a eficiência do sistema TDMA.

Eficiência Espectral para Múltiplo Acesso

Eficiência Espectral do Quadro TDMA

• Eficiência Espectral do quadro TDMA.

onde:

( ^{bits seg Hz} )

B R N

/ /

ω

η =

célula por canais de total Número N

ormação de

bit de Taxa R

u⇒

⇒ inf

87 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.

88

CDMA - Visão Geral

• Desenvolvido pela Qualcomm^®.

• Largura de faixa de transmissão: 1,23MHz.(41 canais AMPS).

• Utiliza técnica de espalhamento espectral por seqüência direta.

• Enlace direto: 64 códigos Walshpara ortogonalidade entre os usuários, seqüência longa(comprimento de 2⁴²- 1 chips), espalhamento em quadratura por seqüências piloto de comprimento 2¹⁵ chips a 1,2288Mchips/s.

• Enlace reverso: códigos Walsh para modulação ortogonal; espalhamento pelo código longo (1,2288Mchips/s).

•Codificação convolucionalde canal com taxa 1/2 no enlace direto e 1/3 no enlace reverso.

• Modulação QPSK no enlace direto, OQPSK no enlace reverso.

• Canal piloto para sincronismo, detecção coerente e medida de intensidade de sinal no terminal móvel.

•Soft Capacity, Soft Handoff; Receptor RAKE.

•Taxa de transmissão variável em função da atividade da voz.

89

CDMA - Códigos PN

Seqüência PN curta

Divisão das células em setores

Identificação dos usuários no mesmo setor (CDVCC - TDMA)

2

1

3 5 6 7 10 16 17 18

19 21 22 25 26 27 33 35 42

+ + + + + + + + + +

+ + + + + + + + +

x x x x x x x x x x

x x x x x x x x x

1 :

1 :

3 4 5 6 10 11 12 15

5 7 8 9 13 15

+ + + + + + + +

+ + + + + +

x x x x x x x x Q

x x x x x x I

Seqüência PN Longa

Embaralhamento da informações dos usuários (Link Direto) Espalhamento da informação dos usuários (Link Reverso)

0 50 100 150 200 250 300

1 0 1

• Função de auto-correlação entre duas seqüências PN iguais.

• Função de correlação cruzada entre duas seqüências PN distintas.

CDMA - Códigos PN

91

CDMA - Código Ortogonal: Walsh

[ ]



 





= −

→



 





= −

→



 





= −

→

=

4 4

4 4 8 2 2

2 2 4 1 1

1 1 2

1 1

H H

H H H

H H

H H H

H H

H H H

H

[ ]

 

 





 

 





−

−

−

−

−

= −

 →



 





= −

→

=

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1

1

1

1

1

H H

H

92

CDMA - Código Walsh

0 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 1 0101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101 2 0011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110011 3 0110011001100110011001100110011001100110011001100110011001100110 4 0000111100001111000011110000111100001111000011110000111100001111 5 0101101001011010010110100101101001011010010110100101101001011010 6 0011110000111100001111000011110000111100001111000011110000111100 7 0110100101101001011010010110100101101001011010010110100101101001 8 0000000011111111000000001111111100000000111111110000000011111111 9 0101010110101010010101011010101001010101101010100101010110101010 10 0011001111001100001100111100110000110011110011000011001111001100 11 0110011010011001011001101001100101100110100110010110011010011001 12 0000111111110000000011111111000000001111111100000000111111110000 13 0101101010100101010110101010010101011010101001010101101010100101 14 0011110011000011001111001100001100111100110000110011110011000011 15 0110100110010110011010011001011001101001100101100110100110010110 16 0000000000000000111111111111111100000000000000001111111111111111 17 0101010101010101101010101010101001010101010101011010101010101010 18 0011001100110011110011001100110000110011001100111100110011001100 19 0110011001100110100110011001100101100110011001101001100110011001 20 0000111100001111111100001111000000001111000011111111000011110000 21 0101101001011010101001011010010101011010010110101010010110100101 22 0011110000111100110000111100001100111100001111001100001111000011 23 0110100101101001100101101001011001101001011010011001011010010110 24 0000000011111111111111110000000000000000111111111111111100000000 25 0101010110101010101010100101010101010101101010101010101001010101 26 0011001111001100110011000011001100110011110011001100110000110011 27 0110011010011001100110010110011001100110100110011001100101100110 28 0000111111110000111100000000111100001111111100001111000000001111 29 0101101010100101101001010101101001011010101001011010010101011010 30 0011110011000011110000110011110000111100110000111100001100111100

93

CDMA - Código Walsh

31 0110100110010110100101100110100101101001100101101001011001101001 32 0000000000000000000000000000000011111111111111111111111111111111 33 0101010101010101010101010101010110101010101010101010101010101010 34 0011001100110011001100110011001111001100110011001100110011001100 35 0110011001100110011001100110011010011001100110011001100110011001 36 0000111100001111000011110000111111110000111100001111000011110000 37 0101101001011010010110100101101010100101101001011010010110100101 38 0011110000111100001111000011110011000011110000111100001111000011 39 0110100101101001011010010110100110010110100101101001011010010110 40 0000000011111111000000001111111111111111000000001111111100000000 41 0101010110101010010101011010101010101010010101011010101001010101 42 0011001111001100001100111100110011001100001100111100110000110011 43 0110011010011001011001101001100110011001011001101001100101100110 44 0000111111110000000011111111000011110000000011111111000000001111 45 0101101010100101010110101010010110100101010110101010010101011010 46 0011110011000011001111001100001111000011001111001100001100111100 47 0110100110010110011010011001011010010110011010011001011001101001 48 0000000000000000111111111111111111111111111111110000000000000000 49 0101010101010101101010101010101010101010101010100101010101010101 50 0011001100110011110011001100110011001100110011000011001100110011 51 0110011001100110100110011001100110011001100110010110011001100110 52 0000111100001111111100001111000011110000111100000000111100001111 53 0101101001011010101001011010010110100101101001010101101001011010 54 0011110000111100110000111100001111000011110000110011110000111100 55 0110100101101001100101101001011010010110100101100110100101101001 56 0000000011111111111111110000000011111111000000000000000011111111 57 0101010110101010101010100101010110101010010101010101010110101010 58 0011001111001100110011000011001111001100001100110011001111001100 59 0110011010011001100110010110011010011001011001100110011010011001 60 0000111111110000111100000000111111110000000011110000111111110000 61 0101101010100101101001010101101010100101010110100101101010100101 62 0011110011000011110000110011110011000011001111000011110011000011 63 0110100110010110100101100110100110010110011010010110100110010110

Funcionamento do Código de Walsh

3 2 1

4

1 1 1 1

1 1 1 1

1 1 1 1

w w w H

 

 



 

 



−

−

−

= −

1(t w )

1(t s

)

2(t w

)

2(t s

)

3(t w )

3(t s

)

4(t w

∑

)

1(t w ) (t r

)

1(t s~ Filtro