INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS MÓVEIS
CELULARES
Luiz A. R. da Silva Mello
Márcio Eduardo C. Rodrigues
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
Setembro de 2002
ÍNDICE
CAPÍTULO 1 ...4
CONCEITOS BÁSICOS DE SISTEMAS CELULARES...4
1.1.UM POUCO DA HISTÓRIA...4
1.2.CONCEITOS BÁSICOS DE SISTEMAS MÓVEIS CELULARES...8
1.2.1. O Conceito Celular...8
1.2.2. Componentes do Sistema Celular...10
1.3.GEOMETRIA CELULAR...12
1.3.1. Padrão regular quadrangular ...13
1.3.2. Padrão regular hexagonal...14
1.3.3. Padrão regular hexagonal com simetria rotacional...15
1.4.CARACTERÍSTICAS DAS CONFIGURAÇÕES CELULARES HEXAGONAIS...17
1.4.1. Número de células por grupo ...17
1.4.2. Razão de reuso...19
1.4.3. Interferência co-canal...19
1.4.4. Setorização...23
1.4.5. Interferência de Canal Adjacente...26
CAPÍTULO 2 ...28
TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO CELULAR...28
2.1.TÉCNICAS DE MÚLTIPLO ACESSO...28
2.1.1. Sistemas FDMA ...28
2.1.2. Sistemas TDMA...30
2.1.3. Sistemas CDMA ...33
CAPÍTULO 3 ...39
TRÁFEGO E PLANOS DE REUSO DE FREQÜÊNCIA...39
3.1.CONCEITOS DE TRÁFEGO...39
3.1.1. Intensidade de tráfego ...39
3.1.2. Características de tráfego ...40
3.1.3. Probabilidade de bloqueio (Grau de Serviço) ...40
3.2.PLANOS DE REUSO DE FREQÜÊNCIAS...42
3.2.1. Alocação da Banda de Frequências e a Numeração dos Canais...43
3.2.2. Planos de Reuso de Frequências...44
3.2.3. Plano de Reuso de Frequências N = 7 Omni (7/21)...45
3.2.4. Plano de Reuso de Frequências N = 7 setorizado em 1200...47
3.2.6. Plano de Reuso de Frequências Omni 12/24...50 CAPÍTULO 4 ...51 ASPECTOS DE PROPAGAÇÃO...51 4.1.CONCEITOS BÁSICOS...51 4.1.1. Ondas Rádio-elétricas ...51 4.1.2. Rádio-propagação ...52 4.1.3. A atmosfera terrestre ...52 4.2.PROPAGAÇÃO TROPOSFÉRICA...54
4.3.CARACTERÍSTICAS DAS FAIXAS DE FREQÜÊNCIA...58
4.4.MODELOS CLÁSSICOS DE PROPAGAÇÃO...60
4.4.1. Propagação no espaço livre ...60
4.4.2. Propagação sobre terra plana ...62
4.4.3. Propagação por difração ...64
4.5.PERDA DE PROPAGAÇÃO EM REGIÕES URBANAS, SUBURBANAS E RURAIS...68
4.5.1. Modelo de Okumura ...68
4.5.2. Modelo de Hata (Okumura-Hata) ...70
4.5.3. Modelo estendido de Hata para PCS (COST-231):...71
4.5.4. Modelo de Walfish Ikegami (COST 231) ...72
4.5.5. Modelos de ajustados localmente...75
CAPÍTULO 5 ...76
CONCEITOS BÁSICOS DE PLANEJAMENTO CELULAR ...76
5.1.ROTEIRO PARA O PLANEJAMENTO...76
5.2.DETERMINAÇÃO DA ÁREA DE COBERTURA...77
5.2.1. Cálculo de enlace...77
5.2.2. Cálculo do raio máximo das células ...78
5.3.ESCOLHA DA CONFIGURAÇÃO CELULAR...79
5.3.1. Contagem de tráfego...79
5.3.2. Definição do plano de reuso...82
5.3.3. Interferências, plano de reuso e urbanização...83
CAPÍTULO 1
CONCEITOS BÁSICOS DE SISTEMAS CELULARES
1.1. Um pouco da história
A mais antiga rede de comunicações de que se tem notícia foi utilizada no século V A.C. por Darius I, imperador persa (522-486 A.C.), que enviava notícias da capital às províncias do império através de uma linha de homens gritando sobre colinas. Com isto conseguia a transmissão das mensagens 30 vezes mais rápido do que por mensageiros.
Em fins do século XVIII foi implantada na Europa uma extensa rede de telegrafia ótica cobrindo toda a França, países nórdicos e parte da Inglaterra. Esta rede utilizava torres de sinalização com braços movidos mecanicamente, cuja posição indicava seqüências de símbolos alfa-numéricos observados via telescópio pela estação seguinte. O sistema incluía um protocolo de comunicação para controle do fluxo de mensagens através da rede.
No fim do século XIX, o cientista alemão H. G. Hertz demonstrou que, como previa a teoria desenvolvida por J. C. Maxwell, ondas eletromagnéticas podem se propagar através do espaço, viabilizando as comunicações sem fio e, em particular, das comunicações móveis. Em 1895, M. G. Marconi realiza a primeira transmissão de rádio num percurso de 3 km em Bologna, Itália. O primeiro uso de comunicações móveis data ainda do final do século XIX, quando Marconi estabelece um enlace de 18 milhas entre uma estação em terra e um rebocador. Em 1905, Marconi realiza a primeira transmissão transoceânica, entre Cornwall, na Inglaterra, e Newfoundland, na América do Norte.
Figura 1.2 – Os experimentos de Marconi
O primeiro sistema móvel terrestre data de 1921. Foi implantado pelo departamento de policia de Detroit na freqüência de 2 MHz com modulação AM (modulação em amplitude) para comunicação entre a central e as viaturas policiais. Era um sistema de despacho simplex, no qual a base transmitia ordens às viaturas policiais sem receber mensagens de retorno.
Em 1934 a FCC (Federal Communications Commision) norte-americana autorizou o uso de mais quatro canais entre 30 e 40 MHz e em 1946 mais 6 canais na faixa de 150 MHz. Neste ano, é inaugurado o sistema MTS (Mobile Telephone System) da AT&T americana, um sistema duplex, mas com comutação manual via operador. Na realidade, devido às restrições tecnológicas da época (interferência entre canais adjacentes), somente 3 dos canais na faixa de 150 MHz podiam ser utilizados
simultaneamente. Em 1947 foi inaugurado um sistema operando na faixa de 35 a 44 MHz na rodovia Boston-Nova York.
Todos estes sistemas utilizavam o auxilio de operadores para efetuar as chamadas, com os usuários procurando manualmente um canal vago para realizar a solicitação de chamada. Em 1955, com a evolução das técnicas de modulação, foi possível a redução do espaçamento entre canais de 60 kHz para 30 kHz, fazendo com que um total de 11 canais pudessem ser utilizados na faixa de 150 MHz. Logo a seguir, em 1956, o FCC autorizou mais 12 canais na faixa de 450 MHz. Em 1960 é inaugurado o sistema IMTS (Improved Mobile Telephone System), um sistema full-duplex com discagem direta e alocação automática de canais.
Estes sistemas móveis convencionais, não celulares, apresentavam alta probabilidade de bloqueio, devido ao pequeno número de canais imposto pela limitação de espectro. Os sistemas operando em New York em 1976 possuíam cerca de 600 usuários apenas, com uma probabilidade de bloqueio que podia chegar a 30% na hora de maior movimento.
Mesmo com estes inconvenientes, o número de candidatos na fila de espera para se habilitar ao sistema ultrapassava em muito o de usuários, indicando uma alta demanda pelo serviço. Buscando um melhor desempenho, após um longo período de negociação entre as indústrias, a FCC alocou, em 1975, uma faixa de 40 MHz na banda de 800 MHz para um sistema celular.
Em 1981 começaram os primeiros testes em campo do sistema celular e em 1983 os primeiros sistemas celulares analógicos AMPS (Advanced Mobile Phone System), utilizando a técnica de múltiplo acesso por divisão de freqüência (Frequency Division Multiple Access – FDMA), entraram em operação nos Estados Unidos. No ano anterior a FCC já havia concedido licenças de operação e alocado 10 MHz adicionais (denominados de espectro expandido) para este tipo de serviço.
Em janeiro de 1989 surge a 2ª. geração de sistemas móveis celulares com o primeiro padrão digital americano, denominado D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) padrão IS-54, utilizando a técnica de múltiplo acesso por divisão de tempo (Time Division Multiple Acess – TDMA). Em 1993 surgiu o segundo padrão
digital americano o IS-95, que utiliza a técnica de múltiplo acesso por divisão de código (Code Division Multiple Acess – CDMA).
Na Europa, sistemas celulares analógicos de 1ª. geração foram desenvolvidos independentemente em diferentes países, como o TACS (Total Access Communication System) na Inglaterra, o NMT (Nordic Mobile Telecommunications) nos países nórdicos e o C450 na Alemanha. A falta de padronização entre estes sistemas limitou fortemente sua penetração comercial. Para corrigir este problema, os países europeus desenvolveram um sistema digital de 2ª. Geração, o GSM (Global System for Móbile Telecommunications), que utiliza tecnologia TDMA e é hoje o sistema de maior penetração global com cerca de 65% dos usuários do mercado mundial.
ANO MARCO
Fins do século
XIX Hertz demonstra que ondas de rádio podem se propagar num meio sem fio. 1895 Marconi estabele um enlace de 18 milhas entre uma estação em
terra e um rebocador
1921 Primeiro sistema móvel terrestre – policia de Detroit (2MHz) 1934 FCC autoriza 4 canais entre 30 e 40 MHz
1946 Alocação de mais 6 canais em 150 MHz – sistema MTS 1947 Sistema operando na faixa de 35 a 44 MHz
1955 Alocação de 11 canais de 30 MHz cada na faixa de 150 MHz 1956 FCC autoriza 12 canais na faixa de 450 MHz
1964 Primeiro sistema automático (IMTS), na faixa de 150 MHz (full-duplex)
1969 Sistema IMTS na faixa de 450 MHz
1975 FCC aloca 40 MHz na faixa de 800 MHz para um sistema celular 1978 Primeiros testes em campo do sistema celular
1982 Alocação de 10 MHz adicionais pela FCC (espectro expandido) 1983 Primeiros sistemas celulares analógicos (AMPS)
1985-1986 Sistemas europeus de 1ª. Geração: TACS, NMT e C450
1989 Surgem os padrões digitais de 2ª. geração IS-54 (D-AMPS) na América do Norte e GSM na Europa
1993 Surge o segundo padrão digital americano, o IS-95 (CDMA) Tabela 1.1 - Evolução dos sistemas rádio celulares
1.2. Conceitos básicos de sistemas móveis celulares
1.2.1. O Conceito Celular
Os primeiros sistemas móveis terrestres surgiram da necessidade de comunicação de órgãos públicos norte-americanos, sendo seguidos de sistemas comerciais. Eram compostos, basicamente, de transmissores com alta potência situados em locais altos para garantir uma área de cobertura apropriada (quanto mais alto o transmissor, maior a área de cobertura), como ilustrado na figura 1.3.
Como o número de canais disponíveis já era limitado pelo espectro de freqüências alocado para o serviço, os sistemas operavam com elevadas probabilidades de bloqueio, e a lista de candidatos pleiteando um terminal era maior do que a de usuários habilitados ao sistema. Esta situação só pode ser resolvida com a introdução do conceito de células, que deram o nome à telefonia celular.
Figura 1.3 - Sistema móvel convencional
A principal limitação dos sistemas convencionais era ter que cobrir uma grande região, como uma cidade inteira, com um número limitado de canais. Nos sistemas celulares esta grande região passa a ser dividida em áreas menores. denominadas células. Cada célula utiliza apenas um subconjunto dos canais do sistema, distinto dos utilizados nas células vizinhas. O conjunto de células vizinhas que utiliza todos os recursos do sistema é denominado grupo (ou cluster, em inglês), como indica a figura 1.4. Dentro do grupo, todo o espectro disponível pode ser utilizado, sendo os canais divididos entre as células de tal maneira que um determinado canal só estará presente em uma única célula do grupo.
Figura 1.4 - Os conceitos de célula e grupo de células (cluster)
O tamanho do grupo deve ser dimensionado para que o número de canais disponíveis seja suficiente ao atendimento aos usuários locais com o grau de serviço desejado. Como um só grupo não cobre toda a região de interesse, é necessário repetir este padrão de cobertura, como mostra a figura 1.5. Existe um espaçamento mínimo (distância de reuso) entre células que utilizam um mesmo conjunto de canais (mesmas co-células) que limita a interferência a níveis aceitáveis, viabilizando assim o reuso de freqüências entre grupos adjacentes. Para cobrir toda a região de interesse o grupo de células é repetido quantas vezes for necessário.
A capacidade de cobertura de um sistema celular com reuso de freqüências é, teoricamente, ilimitada. Caso a densidade de usuários se torne mais elevada, fazendo com que os recursos (canais) alocados a cada célula se tornem insuficientes para atender à demanda, basta reduzir o raio de cobertura das células e repetir o padrão celular de modo a cobrir a área de serviço com um maior número de células menores, mantendo o número total de usuários por célula dentro dos limites de capacidade associados aos canais disponíveis.
Figura 1.5 - O conceito de reuso de freqüências Área total de cobertura
Grupo Célula Cidade Co-células: Células que utilizam um mesmo sub-conjunto de canais
Esta estrutura do sistema exige que, quando um usuário se movimenta da área coberta por uma célula para outra, o sistema realize uma rápida mudança nas freqüências de comunicação utilizadas por este usuário sem que haja queda da conexão. Este processo é denominado handoff ou handover e requer uma complexa configuração de controle. Por este motivo os sistemas celulares, embora baseados numa idéia simples e que já proposta desde a década de 1950, só se tornaram viáveis na década de 1980 com a evolução dos microprocessadores que são utilizados não apenas nas estações de controle do sistema, mas também nos próprios terminais móveis.
Assim, os sistemas móveis celulares distinguem-se dos sistemas móveis convencionais por uma alta densidade de usuários, cobertura subdividida em pequenas áreas com transmissores de baixa potência, antenas pouco elevadas e reuso de freqüências e pela possibilidade de expansão modular teoricamente ilimitada.
Principais características dos sistemas móveis Sistemas móveis convencionais Sistemas celulares
Baixa densidade de usuários Alta densidade de usuários Não reutilizam freqüências Utilizam reuso de freqüências Alta potência de transmissão Baixa potência de transmissão
Antenas elevadas Antenas pouco elevadas
Grande área de cobertura Área de cobertura dividida em pequenas células Sem expansão modular Expansão modular ilimitada (teoricamente)
Tabela 1.2 - Comparação entre os sistemas móveis
1.2.2. Componentes do Sistema Celular
A arquitetura da rede celular varia dependento da tecnologia e padrão considerado, mas três elementos principais estão presentes em todos os sistemas, como ilustrado na figura 1.6:
• A estação ou terminal móvel – EM (em inglês Mobile Station – MS ) • A estação rádio base – ERB (em inglês Base Station – BS)
Figura 1.6 - Componentes de um sistema celular (ref. [1])
A estação móvel consiste de um transceptor, que é responsável pela interface entre o usuário e a estação rádio base, convertendo sinais em banda base em sinais de radio freqüência (RF) e vice versa. Além de prover a comunicação de voz ou dados, a EM também realiza funções de controle e sinalização. Ela pode ser classificada de acordo com o tamanho e potência em quatro classes e três tipos:
Classe Potência máxima nominal Tipo
I 3 W veicular
II 1,2 W transportável
III-IV 0,6 W portátil
Tabela 1.3 - Classes de estações móveis
Embora originalmente o sistema tenha sido inicialmente desenvolvido para terminais móveis em viaturas (veiculares), atualmente mais de 98 % dos usuários utilizam terminais portáteis.
A estação rádio base estabelece o enlace radio elétrico com o terminal móvel dentro da área de cobertura de uma célula. Ela é conectada por um enlace fixo (rádio ou fibra óptica) a CCC. ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB ERB CCC Área de serviço 1 CCC Área de serviço 2 Rede telefônica fixa Handoff Roaming
A central de comutação e controle é a responsável pela coordenação das atividades relacionadas ao estabelecimento das chamadas e operação do sistema. É ela quem controla e interliga várias ERBs, supervisiona e administra o sistema, monitora e controla as chamadas, comanda e controla o processo de handoff e provê interface entre a Rede Telefônica Pública Comutada – RTPC (ou em inglês Public Switched Telephone Network - PSTN) e o sistema celular.
1.3. Geometria celular
Idealmente, assumindo que as condições de propagação não mudem ao longo dos diferentes radiais, a área de cobertura de uma estação rádio base é um círculo (cobertura omnidirecional). É necessário dispor as estações rádio base de forma a obter áreas de superposição de cobertura, tanto para garantir a cobertura total da área desejada como para permitir os processos de handoff. Assumindo as mesmas condições de propagação sobre toda a área das células, e na ausência de bloqueios naturais ou artificiais à propagação do sinal, o melhor servidor em cada ponto será o de menor distância ao terminal, e a fronteira entre áreas de cobertura é o lugar geométrico eqüidistante das estações rádio base (figura 1.7).
(a) (b)
Figura 1.7 - Cobertura em sistemas de múltiplas células
Assim, num sistema de múltiplas células a cobertura do melhor servidor em cada ponto corresponde, idealmente, a um polígono. Dependendo da simetria escolhida na disposição das ERBs, as células são representadas por padrões regulares de polígonos como hexágonos, no caso de macro-células, ou quadrados, no caso de micro-células (figura 1.8).
Fronteira de melhor servidor
Figura 1.8 - Geometria de padrões regulares
Para a determinação da distância de reuso e o cálculo da interferência em sistemas de múltiplas células utiliza-se a geometria de padrões regulares, tomando como distância unitária o raio do círculo circunscrito ao polígono considerado. Alguns casos particulares são analisados a seguir.
1.3.1. Padrão regular quadrangular
Numa geometria formada de quadrados, o sistema de coordenadas mais conveniente possui o usual ângulo de 90o entre os eixos (figura 1.9). Usando as coordenadas (u; v), os centros das células estarão localizados nas seguintes posições:
( )
(
2R i ; 2R j)
2 2 j R 2 ; 2 2 i R 2 v ; u c c = c c ⋅ ⋅ = (1.1) onde : i = 0, 1, 2, 3, ... j = 0, 1, 2, 3, ...Figura 1.9 - Padrão regular quadrado
A distância entre dois pontos quaisquer C1 (u1,v1) e C2 (u2,v2)é dada por: 2 1 2 2 1 2 u ) (v v ) u ( D= − + − (1.2) Cn v ≡ y u ≡ x j =1 j =2 j =3 j =4 D i =1 i =2 i =3 Rc
Em particular, a distância do centro da célula à origem do sistema de coordenadas pode ser calculada tomando (u1;v1) = (0 , 0). Usando a expressão (1.1) para (u2 ;v2) tem-se : 2 2 c i j R 2 D= + (1.3)
1.3.2. Padrão regular hexagonal
Numa geometria hexagonal, o sistema de coordenadas mais conveniente possui inclinação de 60o entre os eixos (figura 1.10). Usando as coordenadas (u;v) os centros das células, neste sistema de coordenadas, estarão localizados nas seguintes posições:
( )
R j(
3R i ; 3R j)
(
2Ri ; 2Rj)
2 3 2 ; i R 2 3 2 v , u c c = c c = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = (1.8) onde : i = 0, 1, 2, 3, ... j = 0, 1, 2, 3, ...Passando o ponto Cn das coordenadas (un;vn) para coordenadas retangulares, através das suas projeções tem-se:
) 30 sen u v ; 30 cos u ( ) y , x ( n n = n 0 n+ n 0 (1.9)
Figura 1.10 - Padrão regular hexagonal
A distância D entre dois pontos C2 (u2;v2)e C1 (u1;v1) pode ser calculada por:
[
0]
2 1 2 1 2 0 2 2 1 2 u ) cos 30 (v v ) (u u )sen30 u ( D= − + − + − (1.10a) x v ≡ y u Cn 30 j = 1 j = 2 i = 1 i = 2 D Rc R(
u u)
(
cos 30 sen 30)
(
v v)
2(
u u) (
v v)
(12) D 2 2 0 2 0 2 1 2 2 1 2 1 1 2− ⋅ + + − + ⋅ − ⋅ − ⋅ = (1.10b)(
) (
) (
2 1) (
2 1)
2 1 2 2 1 2 u v v v v u u u D= − + − + − ⋅ − (1.11) A distância do centro da célula à origem do sistema de coordenadas pode ser calculada tomando (u1 ;v1) = (0 ; 0) e usando a expressão (1.11) para (u2 ; v2):2 2 2 2 c 3 i i j j 2R i i j j R D= + ⋅ + = + ⋅ + (1.12)
1.3.3. Padrão regular hexagonal com simetria rotacional
Esta geometria enfatiza a simetria rotacional do sistema, usando a noção de “anéis” hexagonais de células, em volta de uma célula central, como mostra a figura 1.11a. O diagrama consiste de uma célula central e seis setores de 60o em torno da origem. As coordenadas de uma célula num setor são (n, i), aonde n é o número do anel e i = 1, 2, ..., n são os índices das células no n-ésimo anel. A distância da i-ésima célula do n-ésimo anel é dada por:
( )
n, i(
2nR) ( )
2iR 2(
2nR)( )
2iR cos60 4R(
n i ni)
d = 2 + 2 − 0 = 2 2 + 2 − (1.13)( )
n, i 2R n i ni R 3 n i ni d 2 2 c 2 2 + − = + − = (1.14)As distâncias das células dos diferentes anéis estão ilustradas na figura 1.11b e na tabela 1.4.
Figura 1.11a - Padrão regular hexagonal com simetria rotacional Dois primeiros anéis n i 1 2 3 1 2 3 D 600 2iR 2nR
Figura 1.11b - Distâncias entre células no padrão hexagonal com simetria rotacional
n i Distância Número de células
1 1 2R R 3 c = 6 2 1 c R 3 3 R 2 = 6 2 4R =2Rc 3 6 3 1 2R 7 =Rc 21 6 2 2R 7 R 21 c = 6 3 6R 3R 3 c = 6 4 1 2R 13 R 39 c = 6 2 4R 3=6Rc 6 3 2R 13 R 39 c = 6 4 8R 4R 3 c = 6 # # # n i ni i n 3 R ni i n R 2 2 2 c 2 2 − + = − + 6
Tabela 1.4 - Distâncias entre células no padrão hexagonal com simetria rotacional 2R 2R 2R 0 2R 2R 2R 3,46R 3,46R 3,46R 3,46R 3,46R 3,46R 4R 4R 4R 4R 4R 4R Rc R
1.4. Características das configurações celulares hexagonais
Em configurações macro-celulares, correspondendo a células com raios de cobertura acima de 1 km, a geometria normalmente utilizada é a hexagonal com simetria rotacional. Este padrão assegura uniformidade nos níveis de interferência entre células utilizando o mesmo conjunto de canais em grupos (clusters) distintos. A cobertura de um grupo básico de 7 células, com este tipo de simetria, é ilustrada na figura 1.12. Esta configuração básica, embora seja a mais óbvia, não é a única possível, como será mostrado a seguir.
Figura 1.12 - Cobertura de um grupo hexagonal de 7 células
1.4.1. Número de células por grupo
Considerando cluster de formato hexagonal, iremos agora determinar os números possíveis de células que o compõem. Sendo a área da célula a e a área do grupo A, tem-se:
Figura 1.13 - Áreas de uma célula e de um grupo (cluster) célula cluster 2 R 3 3 a 2 c = 2 3 2 D A= Rc D
O número de células do grupo é obtido por: 2 c 2 R 3 D a A N= = (1.15)
onde : N = número de células por grupo A = área do cluster a = área da célula Rc = raio da célula
D – distância entre dois grupos
Como a distância em células hexagonais é dada por (D= i2+ij+j2 3Rc2 ), temos:
2 2 ij j i
N= + + (1.16) 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 (figura 14).
Figura 1.14 - Configurações celulares hexagonais (ref.[2]) 2 8 4 1 7 1 6 9 5 3 1 12 2 8 4 1 7 1 6 9 5 3 1 12 D Rc 1 4 2 3 1 4 2 3 D Rc 2 1 3 2 1 3 Rc D Rc 1 1 D 7 1 2 3 6 5 4 2 7 1 6 5 3 4 D
1.4.2. Razão de reuso
O parâmetro D/Rc = q é conhecido como razão de reuso co-canal e pode ser expresso por: N 3 R D q c = = (1.17)
A razão de reuso co-canal é um parâmetro fundamental no planejamento de sistemas celulares, pois determina a interferência co-canal (interferência entre células que utilizam o mesmo conjunto de canais) e ao mesmo tempo que limita a capacidade de tráfego do sistema. Aumentando-se a razão de reuso, a interferência co-canal se reduz, como será visto a seguir. Entretanto, o número de células por cluster aumenta, o número de canais por célula diminui (considerando que o número total de canais é constante) e, conseqüentemente, diminui também a capacidade de tráfego do sistema.
A escolha da razão de reuso co-canal é, portanto, um compromisso entre a capacidade de tráfego e a qualidade do sistema (quanto menor a interferência co-canal, maior a qualidade do sistema).
Células / cluster D/Rc Capacidade de tráfego Qualidade de transmissão
1 1.73 Maior Pior 3 3.00 4 3.46 7 4.58 9 5.20 12 6.00 Menor Melhor
Tabela 1.5 - Razão de reuso, capacidade de tráfego e qualidade
A figura 1.15 mostra a distribuição dos canais para o plano de reuso de frequência N=7.
1.4.3. Interferência co-canal
Quando se utiliza uma configuração celular com simetria hexagonal, a interferência causada pelo reuso de freqüências em grupos adjacentes pode ser calculada considerando 6 células interferentes a uma distância D, 12 células interferentes a uma distância 2D e assim sucessivamente.
(a) (b)
Figura 1.15 - (a) Plano de reuso de frequência N = 7; (b) Sistema celular de 7 grupos
Figura 1.16 - Interferências em configurações celulares hexagonais Célula interferida Célula interferente do 1o anel de co-células Célula interferente do 2o anel de co-células 1 7 2 1 4 5 3 6 1 1 7 2 4 5 3 6 7 2 4 5 3 6 1 1 7 2 4 5 3 6 7 2 4 5 3 6 1 7 2 4 5 3 6 7 2 4 5 3 6 2 (2, 9, 16) 7 (7, 14, 21) 3 (3, 10, 17) 1 (1, 8, 15) 4 (4, 11, 18) 6 (6, 13, 20) 5 (5, 12, 19)
Considerando uma lei de potência para a perda de propagação com a distância, a relação entre o sinal desejado e a interferência co-canal é dada por:
... I I I S I S 18 1 3 k 3 k 12 1 2 k 2 k 6 1 1 k 1 k + + + =
∑
∑
∑
= = = (1.18)onde : S=C⋅d−γ ⇒ intensidade do sinal desejado transmitido a uma distância d do transmissor; γ − ⋅ = kn kn C D
I ⇒ intensidade do sinal interferente devido a uma célula no n-ésimo anel, a uma distância Dkn do transmissor;
γ = fator de variação da perda de propagação com a distância, com valor entre 2 e 5;
C = parâmetro cujo valor depende das características do sistema de transmissão e de outros parâmetros que influenciam a propagação além da distância, como freqüência, altura de antenas, grau de urbanização, etc.;
Considerando um móvel na fronteira da célula (pior caso), tem-se d ≅ Rc. Para D>>Rc tem-se Dkn≅nD. Conseqüentemente, ... ) D 3 ( C 18 ) D 2 ( C 12 D C 6 d C I S + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ ≅ −γ −−γγ −γ (1.19a)
(
1 2 2 3 3 ...)
R D 6 1 I S c + ⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅ ≅ γ − γ − γ − (1.19b)∑
∞ = γ − γ − ⋅ ⋅ ≅ 1 k 1 c k R D 6 1 I S (1.19c)Como o sinal interferente cai proporcionalmente com a distância do transmissor interferente elevada à potência γ, as células que mais causam interferência são as mais próximas. Uma aproximação usual consiste em considerar apenas o 1o anel interferente. Neste caso tem-se:
6 6 1 γ γ q R D I S c = ⋅ ≅ − (1.20) (a) (b)
Figura 1.17 - (a) Distância ao transmissor interferente; (b) distância ao transmissor desejado.
Esta aproximação pode apresentar um erro significativo dependendo do valor de γ. Para estimar este erro considere-se o efeito do segundo anel interferente:
(
−γ)
γ − ⋅ + ⋅ = 1 c 2 1 1 R D 6 1 I S erferentes int aneis o 2 e o 1 (1.21)(
−γ)
+ ⋅ = 1 erferente intanel 1 1 2 1 I S I S o erferentes int aneis o 2 e o 1 (1.22)A degradação causada pelas células do 2o anel é dada pela a tabela a seguir: γ Interferência adicional devida ao
segundo anel: 10 log (1+21-γ)
2 1.74 dB
3 0.97 dB
4 0.51 dB
5 0.26 dB
Tabela 1.6 - Influência do segundo anel interferente D D D D D D R
Da expressão (1.19c) observa-se que, para um número fixo de anéis e um mesmo valor de γ, quanto maior é o fator de reuso cocanal, ou seja, maior o valor de N, maior é a relação S/I. Entretanto, um aumento no fator de reuso cocanal (aumento no valor de N) implica um menor número de canais por célula disponíveis para atender o tráfego, acarretando uma redução na capacidade do sistema. Tem-se por tanto um forte compromisso entre a capacidade e a interferência. A Tabela 1.7 apresenta os números de canais por célula para o sistema AMPS e a relação S/I, calculada pela expressão (1.20), para os planos de reuso N = 4 a 19.
N = 4 N = 7 N = 9 N = 12 N = 19
S/I (dB) 13.8 18.7 20.8 23.3 27.3
n 98 56 43 32 20
Tabela 1.7 - Interferência cocanal e número de canais por célula (γ = 4, n = M/N, com M = número total de canais = 395, sem setorização)
1.4.4. Setorização
Esta técnica consiste em dividir a célula em setores, cada um servido por um conjunto diferente de canais e iluminado por uma antena direcional. Na prática são utilizadas divisões em 3 ou 6 setores.
O grande benefício da setorização é reduzir a interferência. Em sistemas FDMA e TDMA a setorização provoca também uma redução na capacidade de tráfego do cluster. Já em sistemas CDMA a redução da interferência se reflete diretamente num aumento (substancial) da capacidade de tráfego. A setorização obriga que se execute um handoff quando o móvel passa de um setor para outro da mesma célula, denominado handoff intra-celular.
1.4.4.1. Cálculo da redução da interferência setorização tripla
Como podemos perceber na figura 1.18, a interferência das ERBs do 1o anel interferente fica restrita a um dos setores das ERBs 5 e 4 e a interferência do móvel a ERB fica restrita a um dos setores das ERBs 1 e 2.
Figura 1.18 - Interferência com setorização tripla (ref. [2])
A relação sinal interferência (considerado apenas o primeiro anel interferente) com a setorização tripla é dada por:
2 q R D 1 I S 2 1 k c γ = γ − = ≅
∑
(1.23)Pode-se então definir ganho de setorização como:
o setorizaçã sem célula setorizada célula I S I S G ⋅ ⋅ ⋅ = (1.24) Neste caso 3 6 / q 2 / q G= γγ = (1.25a) dB 78 , 4 ) G log( 10 ) dB ( G = ⋅ = (1.25b) Interferência no móvel devida às células adjacentes
Interferência na ERB devida aos moveis de outras
1 2 3 6 5 4
1.4.4.2. Cálculo da redução da interferência com 6 setores por célula:
Como podemos perceber na figura 1.19, a interferência das ERBs do 1o anel interferente fica restrita a um dos setores da ERB 4 e a interferência do móvel a ERB fica restrita a um dos setores das ERB 2.
Figura 1.19 - Interferência com setorização sextupla (ref. [2])
A relação sinal interferência (só com o primeiro anel interferente) com a setorização sextupla fica:
γ = γ − = ≅
∑
q R D 1 I S 1 1 k c (1.26)Neste caso, o ganho de setorização é dado por:
6 6 / q q G= γγ = (1.27a) dB 78 , 7 ) G log( 10 ) dB ( G = ⋅ = (1.27b) Interferência no móvel devido as células adjacentes
Interferência na célula devido aos moveis de outras
1 2 3 5 4 6
1.4.5. Interferência de Canal Adjacente
O problema causado pela interferência de canal adjacente é significativo se um usuário de uma célula opera num canal adjacente ao canal utilizado por outra célula próxima. A interferência de canal adjacente é dada por:
- IC d d ICA C I − = γ log 10 (1.28) onde:
dI = Distância entre a ERB que contem o canal adjacente interferente e o móvel.
dC = Distância entre a ERB que possui o canal desejado e o móvel.
IC = Isolamento de canal adjacente, dependente da filtragem (valor típico 26 dB)
O pior caso de interferência de canal adjacente acontece quando o móvel está próximo à fronteira entre duas células que operam em planos de frequência que utilizam canais adjacentes. Neste caso as distâncias dI e dC são aproximadamente iguais e ICA = - IC.
A figura 1.20a mostra a versão otimizada do plano de reuso de frequência N = 7 do ponto de vista da interferência de canal adjacente, que só é significativoaentre duas duplas de células: 1-2 e 1-7. No caso não otimizado da figura 1.20b, têm-se 7 duplas de células com interferência de canal adjacente. Estas duplas são: 1-2, 1-7, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6 e 6-7. O reuso de frequência produz um aumento das duplas de células com interferência de canal adjacente, como ilustra a figura 1.20c.
(a) (b) 2 (2, 9, 16) 7 (7, 14, 21) 3 (3, 10, 17) 1 (1, 8, 15) 4 (4, 11, 18) 5 (5, 12, 19) 6 (6, 13, 20) 2 (2, 9, 16) 7 (7, 14, 21) 3 (3, 10, 17) 1 (1, 8, 15) 4 (4, 11, 18) 6 (6, 13, 20) 5 (5, 12, 19)
(c)
Figura 1.20 - Interferência de canal adjacente devido ao reuso de freqüências 2 (2, 9, 16) 7 (7, 14, 21) 3 (3, 10, 17) 1 (1, 8, 15) 4 (4, 11, 18) 5 (5, 12, 19) 6 (6, 13, 20) 2 (2, 9, 16) 7 (7, 14, 21) 3 (3, 10, 17) 1 (1, 8, 15) 4 (4, 11, 18) 5 (5, 12, 19) 6 (6, 13, 20)
CAPÍTULO 2
TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO CELULAR
2.1. Técnicas de Múltiplo Acesso
O compartilhamento de recursos de um sistema rádio entre diversos usuários é denominado técnica de múltiplo acesso. Há três formas principais de múltiplo acesso em uso atualmente:
− Múltiplo Acesso por Divisão de Frequência (FDMA); − Múltiplo Acesso por Divisão de Tempo (TDMA); − Múltiplo Acesso por Divisão de Código (CDMA).
Quanto à implementação de comunicação bidirecional full-duplex, pode-se utilizar divisão no tempo (TDD - Time Division Duplex) ou na frequência (FDD – Frequency Division Duplex). No modo FDD, cada sentido de transmissão utiliza faixas distintas de freqüência, separadas convenientemente para evitar interferências. No TDD, as duas direções de comunicação utilizam uma mesma faixa de freqüências, mas em intervalos de tempo (slots) distintos. O TDD requer sincronização e tempo de guarda entre os slots para evitar interferência.
2.1.1. Sistemas FDMA
A maneira usual de se realizar um esquema FDMA é através da associação de uma portadora a cada canal. Esse esquema é conhecido por Canal Único por Portadora (SCPC – Single Channel per Carrier).
A representação da técnica FDMA é mostrada na Figura 2.1. Usualmente, o que se denomina um canal são as duas faixas de freqüência associadas a um par de portadoras de transmissão no sentido direto (base para móvel) e reverso (móvel para base).
Sistemas FDMA são sempre FDD e normalmente utilizam canais de faixa estreita. Tanto sistemas analógicos como digitais podem ser implementados com a técnica FDMA.
Figura 2.1 - Técnica de acesso FDMA com duplexação FDD As principais características dos sistemas FDMA são:
− Transmissão contínua – uma vez alocados, os canais são usados continuamente pela base e pelo móvel até o fim da comunicação;
− Banda estreita – como cada canal de freqüência é utilizado por um único usuário, a banda necessária para sinais de voz é relativamente pequena, variando de 25-30 kHz em sistemas analógicos. Em sistemas digitais, o uso de codificação de voz a baixa taxa pode reduzir ainda mais a banda necessária;
− Baixa interferência intersimbólica – este problema, associado à existência de múltiplos percursos de propagação produzindo sinais defasados no tempo no receptor afeta apenas sistemas digitais. Para sistemas FDMA digitais, que normalmente utilizam baixas taxas de transmissão, esse não é um problema crítico; − Baixa sobrecarga de informações de controle (overhead) –Pelo uso contínuo no
tempo dos canais alocados, pouca capacidade adicional é necessária para controle em comparação com sistemas TDMA;
− Eletrônica simples – a pouca ou nenhuma necessidade de processamento para combater interferência intersimbólica permite o uso de equipamentos mais simples; − Uso de duplexadores – como a transmissão é full-duplex, com apenas uma antena
para transmissão e recepção, é necessário o uso de duplexadores para a filtragem entre recepção e transmissão;
c a n a l 1 c a n a l 2 c a n a l 3 c a n a l 4 c a n a l n c a n a l 1’ c a n a l 2’ c a n a l 3’ c a n a l 4’ c a n a l n’
canais reversos canais diretos
freqüência tempo
− Alto custo de estações 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 estação base;
− Handoff perceptível – pelo fato da transmissão ser contínua, a comutação entre freqüências no processo de handoff é perceptível (audível) ao usuário.
2.1.2. Sistemas TDMA
Nos sistemas TDMA uma mesma portadora é compartilhada por vários usuários. O canal físico (faixa de freqüência) é alocado a cada usuário por determinado intervalo de tempo limitado, denominado slot. Em cada slot de tempo apenas um usuário terá acesso a esta faixa de freqüências. No sinal transmitido pela rádio-base, diferentes intervalos de tempo contêm informação dirigida a diferentes usuários móveis que devem decodificar apenas os sinais a eles dirigidos. A transmissão do móvel para a base é feita em rajadas, ocorrendo apenas em intervalos de tempo (slots) reservados. Nos demais intervalos, outros usuários móveis poderão ter acesso à mesma portadora sem que as transmissões interfiram entre si.
A Figura 2.2 ilustra o conceito TDMA/FDD. O canal TDMA é definido pelas duas combinações de faixa de freqüências e slot alocadas ao usuário, nos enlaces direto e reverso.
Figura 2.2 - Técnica de acesso TDMA com duplexação TDD
freqüência canal 1
canais reversos canais diretos
tempo canal 2 canal 3 canal 4 canal n canal 1’ canal 2’ canal 3’ canal 4’ canal n’
A figura 2.3 ilustra o conceito TDMA/TDD. O canal TDMA é definido pelas duas combinações de faixa de freqüências e slots alocadas ao usuário, nos enlaces direto e reverso.
Figura 2.3 - Técnica de acesso TDMA com duplexação TDD As principais características dos sistemas TDMA são:
− Vários canais por portadora – como visto, cada portadora é utilizada em vários intervalos de tempo distintos, cada qual correspondendo a um canal (usuário). No sistema D-AMPS, utiliza-se três slots por portadora com canais de 30 kHz, enquanto que no sistema GSM cada portadora atende a oito slots com canais de 200 kHz; − Transmissão em rajadas (bursts)– como cada portadora é compartilhada no tempo,
cada usuário transmite ou recebe sua informação numa rajada dentro dos respectivos slots. Essa forma de transmissão permite um menor consumo de bateria nos terminais móveis;
− Alta interferência intersimbólica – como a taxa de transmissão é normalmente muito mais alta nos sistemas TDMA do que nos sistemas FDMA digitais, a duração de símbolos é comparável ao espalhamento de retardos (delay spread) entre os sinais recebidos por diferentes percursos entre transmissor e receptor. É necessário um tratamento especial para minimizar esse problema, em especial em sistemas com taxas mais altas, como o GSM;
freqüência tempo canal 1 canal 1’ canal 2 canal 2’ canal 3 canal 4 canal 3’ canal 4’ canal n’
− Alta sobrecarga de informações de controle (overhead) – a característica de transmissão em rajadas requer um controle mais preciso no que diz respeito à sincronização. Os bits requeridos para este controle além da necessidade de tempos de guarda entre slots, geram um alto overhead;
− Eletrônica complexa – por utilizar tecnologia digital, muitos recursos podem ser agregados na unidade móvel, aumentando sua complexidade;
− Não requer o uso de duplexadores – nos sistemas TDMA/TDD como transmissão e recepção acontecem na mesma freqüência mas em slots de tempo distintos. Nos sistemas TDMA/FDD, é possível defasar os slots de transmissão e recepção para que a comunicação nos dois sentidos não ocorra exatamente no mesmo instante dispensando-se também o uso de duplexadores;
− Baixo custo de estações base – como são usados múltiplos canais por portadora, o custo de transceptores pode ser reduzido proporcionalmente;
− Handoff eficiente – o handoff pode ser realizado nos instantes em que o transmissor do móvel é desligado, tornando-se imperceptível ao usuário;
− Vantagens inerentes a sistemas digitais, como a capacidade de monitoração da comunicação quadro-a-quadro, por exemplo.
A Figura 2.4 ilustra um quadro (frame) de informação usado em sistemas TDMA. Cada slot é composto de um preâmbulo e bits de informação associados a um ou mais usuários. O preâmbulo tem como função prover identificação, controle e sincronização na recepção. Tempos de guarda são utilizados para minimizar a interferência entre canais (cross talk). Os sistemas TDMA permitem alocar diferentes números de slots por quadro para cada usuário, provendo uma forma de alocação de banda por demanda de acordo com as necessidades de taxa de transmissão de dados de cada usuário.
Figura 2.4 - Quadro (frame) do TDMA
preâmbulo slot 1 slot 2 slot n preâmbulo
preâm-
bulo usuário 1 usuário 2 . . . usuário m tempo de guarda quadro
2.1.3. Sistemas CDMA
Na técnica de acesso CDMA todos os usuários podem transmitir simultaneamente, numa mesma banda de freqüências. Um conjunto de seqüências pseudo-aleatórias ortogonais (com correlação cruzada idealmente igual a zero), é usado para codificar as informações de diferentes canais. No receptor a aplicação das diferentes seqüências de código ao sinal recebido permite reconstituir os sinais individuais de cada canal, conhecendo o código, decodifica o sinal recebido e recupera os dados de cada canal de informação.
Para que o sistema funcione de forma eficiente, as seqüências de código são longas, sendo transmitidas a taxas muito mais elevadas que os sinais de informação. Conseqüentemente, o sinal codificado ocupa uma banda de freqüências muito mais larga que a banda dos sinais de informação original. Por este motivo, o CDMA é conhecido também como Múltiplo Acesso por Espalhamento Espectral (em inglês – Spread Spectrum Multiple Access – SSMA). A Figura 2.5 ilustra a técnica de acesso.
Figura 2.5 - Técnica de acesso CDMA
No processo de espalhamento espectral a energia total de cada sinal é mantida, sendo distribuída por toda a banda, assemelhando-se ao espectro de ruído branco. Todos os sinais oriundos dos diversos usuários/estações base e o próprio ruído agregado à transmissão são superpostos no espectro. Através da aplicação do código apropriado, a informação do usuário desejado é extraída deste “ruído”. Há duas formas principais de se realizar o espalhamento espectral: Salto em Frequência – Frequency Hopping (FH) e Sequência Direta – Direct Sequency (DS).
Na técnica de espalhamento por salto em freqüência, a portadora de cada canal “salta” entre as várias freqüências do espectro alocado, segundo uma seqüência
pseudo-Frequência Tempo Código Canal 1 Canal 2 Canal 3 Canal 4
rapidamente uma faixa muito grande de freqüências, o efeito final é de espalhamento espectral. Um sistema FH pode ser encaradoado como um sistema FDMA com diversidade de freqüência. Esta técnica provê um alto nível de segurança, uma vez que um receptor que tente interceptar a comunicação sem dispor da seqüência pseudo-aleatória usada para comandar os saltos, precisará buscar freqüências de sintonia de forma muito rápida e determinar a freqüência em uso em cada instante e no slot de tempo exato. A Figura 2.6 ilustra essa técnica.
Figura 2.6 - Salto em frequência (Frequency Hopping)
Na técnica de espalhamento por seqüência direta, o sinal de cada canal é multiplicado por uma seqüência binária de um conjunto ortogonal. Duas seqüências são x e y são ortogonais quando sua correlação cruzada é igual a zero. Para duas seqüências de comprimento L dadas por x = (x1 , x2 , x3 , ... xL) e y = (y1 , y2 , y3 , ... yL), a correlação cruzada é dada por
∑
= = ⋅ = L 1 i i i xy x y 0 RAlém disto, a autocorrelação é igual ao comprimento da seqüência, ou seja
∑
∑
= = = ⋅ = = ⋅ = L 1 i L 1 i i i yy i i xx x x R y y L RO processo de espalhamento por seqüência direta e a recuperação dos sinais num sistema DS-CDMA são ilustrados na Figura 2.7 e na Figura 2.8 de forma simplificada, considerando apenas duas mensagens m1 e m2 codificadas por duas seqüências c1 e c2.
freqüência tempo usuário 1 usuário 4 usuário 6 usuário 5 usuário 3 usuário 2
Figura 2.7 - Processo de espalhamento espectral por sequência direta
Figura 2.8 - DS-CDMA – Simais no domínio do tempo
m1 c1 m2 c2 m1 c1 m2 c2 canal c2 c1 integrador decisor integrador decisor m1 m2 A A B C
O processo de espalhamento no domínio da freqüência é ilustrado na Figura 2.9.
Figura 2.9 DS-CDMA – Sinais no domínio da freqüência
A alta imunidade do CDMA a sinais interferentes pode ser melhor compreendida através da Figura 2-10, que mostra um sinal interferente de faixa estreita adicionado no canal, após o processo de espalhamento espectral já ocorreu. Na recepção, quando for aplicado o código para extrair o sinal desejado, o sinal interferente será espalhado, tendo seu efeito muito atenuado.
Figura 2-10 - Imunidade a interferência de faixa estreita no DS-CDMA
Recuperação do sinal de informação do usuário 1 f Sinal de informação Usuário 1 f Sinal de informação Usuário 2 f f Sinal espalhado (CDMA) Usuário 1 f Sinal espalhado (CDMA) Usuário 2 Sinal transmitido (CDMA) f Sinal recebido (CDMA) f Recuperação do sinal de informação do usuário 2 f Transmissão Recepção
Sinal recebido = sinal CDMA + sinal interferente
f f
Sinal espalhado (CDMA) Sinal recebido após a
aplicação do código f transmissão recepção
No DS-CDMA a potência agregada de todos os usuários, com exceção do usuário desejado, corresponde ao nível mínimo de ruído no receptor no momento do desespalhamento (retirada da informação desejada através da aplicação do código apropriado). Se a potência de cada usuário não é controlada, de forma que todos os sinais cheguem ao receptor com a mesma intensidade, ocorre o problema perto-distante (near-far). Neste caso, os sinais mais fortes elevarão o nível mínimo de ruído na recuperação dos sinais mais fracos e tenderão a mascará-los. Para combater o problema, adota-se um rígido esquema de controle de potência, no qual a estação base monitora os terminais de maneira e indica a cada um a potência a transmitir para que todos os sinais sejam nela recebidos com o mesmo nível.
Resumindo as principais características dos sistemas DS-CDMA, temos
− Usuários comunicam-se usando as mesmas freqüências, simultaneamente, sendo separados por códigos ortogonais;
− Ao contrário do FDMA e do TDMA, o CDMA não há um limite de capacidade bem definido. Ao aumentar o número de usuários, o nível de ruído interferente no sistema aumenta. Quando este nível atinge um limiar pré-definido, o sistema para de aceitar novos usuário;
− Efeitos de desvanecimentos seletivos em freqüência são minimizados já que o sinal original estar espalhado por uma banda muito larga. Além disto, o receptor utilizado (receptor RAKE) permite combinar os sinais recebidos por multipercurso, aumentando a qualidade do sinal;
− No caso de handoff, mais de uma estação base monitora o nível do móvel e a central de controle pode escolher a melhor versão do sinal, sem necessitar comutar freqüências. Este processo é denominado soft handoff;
− O sistema requer um controle de potência muito eficiente para evitar o efeito perto-distante. Para permitir a recuperação de todos os canais, os sinais das estações móveis devem ser recebidos com a mesma potência independentemente de sua posição em relação à ERB.
problemas de alocação da banda e interferência entre células adjacentes são simplificados em relação aos sistemas FDMA e TDMA que requerem um plano de alocação de canais (freqüências e slots) para evitar interferência, exigindo filtros sofisticados e tempos de guarda entre slots.
− Um aumento de capacidade no CDMA pode ser conseguido utilizando-se taxa de transmissão variável em função da atividade de voz detectada no canal. Em termos de capacidade o CDMA possui, teoricamente, uma vantagem sobre sistemas analógicos por um fator da ordem de 10. Por outro lado, a realização prática deste aumento de capacidade exige o atendimento a uma série de requisitos como controle de potência eficiente, ortogonalidade entre códigos e sincronismo perfeito (bases são sincronizadas utilizando o GPS – Sistema de Posicionamento Global, e passam o sincronismo aos móveis).
CAPÍTULO 3
TRÁFEGO E PLANOS DE REUSO DE FREQÜÊNCIA
3.1. Conceitos de Tráfego
O problema da engenharia de tráfego consiste em prover serviços de comunicação, numa determinada área geográfica e para um determinado número de usuários caracterizados por certos hábitos de utilização, com um certo grau de serviço. O grau de serviço (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.
Um sistema superdimensionado pode prover graus de serviço baixíssimos (no limite, um sistema com um número de canais maior ou igual ao de assinantes e uma rede de transmissão sem falhas terá grau de serviço igual a zero) mas não será economicamente viável. Por outro lado, um sistema com alto grau de serviço também perderá receita, seja pela insatisfação do usuário, sua redução de utilização do serviço, eventual migração para um prestador concorrente, seja pela própria perda das conexões demandadas e, consequentemente, de receita. Estabelecer e garantir um grau de serviço que represente um bom compromisso entre, de um lado, o custo de implantação e operação do sistema e, de outro, uma boa receita e satisfação do usuário, é o objetivo da engenharia de tráfego.
3.1.1. Intensidade de tráfego
A informação fundamental para a engenharia de tráfego é a demanda pelo serviço na região a ser atendida. Esta demanda, ou intensidade de tráfego, pode ser determinada a partir de dados demográficos e características de utilização do serviço pelo usuário, sendo normalmente expressa em Erlangs por unidade de área. Um Erlang é definido como um circuito de comunicação em uso por uma hora, sendo o tráfego dado por 60 (min) chamada de médio tempo chamadas de N ) Erlangs ( Tráfego = o. × (3.1)
3.1.2. Características de tráfego
A principal dificuldade no dimensionamento do sistema reside no fato de que o tráfego passa por grandes variações horárias, diárias e até sazonais. O pico de tráfego, para o qual deve ser dimensionada a probabilidade de bloqueio do sistema, varia dependendo do tipo de área (comercial, industrial ou residencial) considerada mas, normalmente, ocorre no final da manhã e no final da tarde. Durante a noite o tráfego de voz é, evidentemente, muito baixo mas, em alguns sistemas, observa-se um alto tráfego de dados. Um exemplo de possível característica de tráfego é mostrado na figura 3.1.
Figura 3.1 - Exemplo de característica de tráfego (ref. [3])
3.1.3. Probabilidade de bloqueio (Grau de Serviço)
A probabilidade de bloqueio do sistema depende das distribuições estatísticas do número de chamadas solicitadas pelos usuários, do tempo de duração das chamadas e o destino dado às chamadas bloqueadas. Em teoria de tráfego, é amplamente aceito e testado que a distribuição de chegada de chamadas é uma distribuição de Poisson e que os tempos de retenção apresentam uma distribuição do tipo exponencial negativa. A partir destas suposições, é possível mostrar que a probabilidade de bloqueio tem um de dois comportamentos, dependendo do destino das chamadas bloqueadas:
• Se as chamadas bloqueadas são abandonadas, a probabilidade de bloqueio é dada pela fórmula ERLANG-B:
= = ≅ = − − =
∑
T tráfegoemErlang canais de número N N e T k T N T T N P T N N k k N B ; ! ! ! ) ; ( 1 0 (3.2a)• Se as chamadas bloqueadas são retardadas, a probabilidade de bloqueio é dada por:
∑
− = − + − = 1 0 1 / 1 ! ! / 1 1 ! ) ; ( N k N k N B N T N T k TN T N T T N P (3.2b)A fórmula ERLANG-B é a mais utilizada na prática. Uma tabela de tráfego associada a esta fórmula é mostrada na tabela 3.1, A primeira linha apresenta o grau de serviço, a primeira coluna o número de canais e cada elemento a carga de tráfego suportada por aquele número de canais com o correspondente grau de serviço.
Tabela 3.1 – Tabela de tráfego ERLANG-B
n 1% 2% 3% 5% 10% 1 0.01 0.02 0.031 0.053 0.111 2 0.153 0.223 0.282 0.381 0.595 3 0.455 0.602 0.715 0.899 1.27 4 0.87 1.09 1.26 1.52 2.05 5 1.36 1.66 1.88 2.22 2.88 6 1.91 2.28 2.54 2.96 3.76 7 2.5 2.94 3.25 3.74 4.67 8 3.13 3.63 3.99 4.54 5.6 9 3.78 4.34 4.75 5.37 6.55 10 4.46 5.08 5.53 6.22 7.51 11 5.16 5.84 6.33 7.08 8.49 12 5.88 6.61 7.14 7.95 9.47 13 6.61 7.4 7.97 8.83 10.5 14 7.35 8.2 8.8 9.73 11.5 15 8.11 9.01 9.65 10.6 12.5 16 8.88 9.83 10.5 11.5 13.5 17 9.65 10.7 11.4 12.5 14.5 18 10.4 11.5 12.2 13.4 15.5 19 11.2 12.3 13.1 14.3 16.6 20 12 13.2 14 15.2 17.6 21 12.8 14 14.9 16.2 18.7 22 13.7 14.9 15.8 17.1 19.7 23 14.5 15.8 16.7 18.1 20.7 24 15.3 16.6 17.6 19 21.8 25 16.1 17.5 18.5 20 22.8 26 17 18.4 19.4 20.9 23.9 27 17.8 19.3 20.3 21.9 24.9 28 18.6 20.2 21.2 22.9 26 29 19.5 21 22.1 23.8 27.1 n 1% 2% 3% 5% 10% 30 20.3 21.9 23.1 24.8 28.1 31 21.2 22.8 24 25.8 29.2 32 22 23.7 24.9 26.7 30.2 33 22.9 24.6 25.8 27.7 31.3 34 23.8 25.5 26.8 28.7 32.4 35 24.6 26.4 27.7 29.7 33.4 36 25.5 27.3 28.6 30.7 34.5 37 26.4 28.3 29.6 31.6 35.6 38 27.3 29.2 30.5 32.6 36.6 39 28.1 30.1 31.5 33.6 37.7 40 29 31 32.4 34.6 38.8 41 29.9 31.9 33.4 35.6 39.9 42 30.8 32.8 34.3 36.6 40.9 43 31.7 33.8 35.3 37.6 42 44 32.5 34.7 36.2 38.6 43.1 45 33.4 35.6 37.2 39.6 44.2 46 34.3 36.5 38.1 40.5 45.2 47 35.2 37.5 39.1 41.5 46.3 48 36.1 38.4 40 42.5 47.4 49 37 39.3 41 43.5 48.5 50 37.9 40.3 41.9 44.5 49.6 55 42.4 44.9 46.7 49.5 55 60 46.9 49.6 51.6 54.6 60.4 65 51.5 54.4 56.4 59.6 65.8 70 56.1 59.1 61.3 64.7 71.3 75 60.7 63.9 66.2 69.7 76.7 80 65.4 68.7 71.1 74.8 82.2 90 74.7 78.3 80.9 85 93.1 100 84.1 88 90.8 95.2 104.1
O Grau de Serviço do sistema é definido por % 100 ) ; ( × =P N T GOS B (3.3)
A figura 3.1 mostra a capacidade de tráfego em função do número de canais do sistema para graus de serviço de 2 e 3%.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 50 100 150 200 número de canais
tráfego (erlangs) GOS = 1%GOS = 2%
GOS = 5%
Figura 3.1 – Tráfego (ERLANG-B) em função do número de canais
3.2. Planos de Reuso de Freqüências
O uso do espectro de frequências é regulado por diversos organismos, tais como a FCC (Federal Communications Commission) e a ITU, que determinam que porções do espectro podem ser utilizadas para cada serviço. Assim, o serviço móvel celular dispõe de faixas bem definidas e limitadas para sua implementação. A fim de otimizar o uso do espectro, assim como de aumentar a capacidade do sistemas celulares e reduzir a interferência, recorre-se ao planejamento de frequências.
É fundamental manter um adequado isolamento do canal para manter a qualidade e disponibilidade do sistema dentro de níveis recomendados. Desta forma, a interferência de canal adjacente que se produz, é mínima. Além, deve se garantir uma aceitável interferência cocanal mediante uma adequada distância de reuso, sem esquecer o compromisso com a capacidade, que deve ser a maior possível.
3.2.1. Alocação da Banda de Frequências e a Numeração dos Canais
O sistema celular é um sistema full-duplex no qual a banda alocada é dividida em duas partes iguais, uma delas para os canais diretos (desde a ERB para o móvel) e outra para os canais reversos (desde o móvel para a ERB). Entre as duas bandas de um sistema full-duplex deve existir uma banda (banda de guarda) para evitar a interferência entre os canais das duas direções, que no caso do sistema celular analógico AMPS é de 45 MHz.
No sistema AMPS a banda FCC é dividida em duas bandas A e B, cada uma delas ocupando 12.5 MHz (ver Fig. 3.2). Considerando que no AMPS cada canal tem uma largura de faixa de 30 KHz, tem-se um total de 12.5 MHz / 30 KHz = 416 canais para cada banda, sendo utilizados 21 deles como canais de controle (paging, mensagens, etc.), e os restantes 395 como canais de voz.
Figura 3.2 - Alocação de frequências para o sistema AMPS
A relação entre o número do canal e a frequência é governada pelas seguintes relações, válidas para o sistema AMPS:
Frequências de transmissão da ERB = 0,03(N-1023) + 870 (MHz) com N = 991 a 1023 = 0,03N + 870 (MHz) com N = 1 a 799
Frequência de recepção da ERB = 0,03(N-1023) + 825 (MHz) com N = 991 a 1023 = 0,03 N + 825 (MHz) com N = 1 a 799
onde N é o número do canal.
Os 42 canais de controle (21 em cada direção do enlace) estão compreendidos entre os canais 313 e 354, ambos inclusive.
A″ 1 MHz 991 1023 1 A 10 MHz 313 333 354 B 10 MHz A′ 1.5 MHz 2.5 MHz B′ 666 716 799
A = Banda A, não expandida A′ = Banda A, expandida A ″ = Banda A, expandida
B = Banda B, não expandida B′ = Banda B, expandida 21 canais de controle da banda A
3.2.2. Planos de Reuso de Frequências
Ao conjunto de vários canais que é designado a uma determinada ERB dá-se o nome de grupo de canais. Para aumentar a capacidade do sistema, estes grupos de canais são reutilizados a uma distância suficiente para minimizar a interferência, denominada distância de reuso. O reuso dos grupos de canais é governado por um plano de reuso de frequências, entre os quais os mais utilizados são os de 4, 7, 9 e 12 células por grupo.
O plano de reuso deve ser escolhido de modo a permitir o atendimento do número necessário de canais por célula em função da demanda de tráfego. Ë preciso considerar que:
• Quanto menor a razão de reuso maior o número canais por célula. acarretando maior capacidade de tráfego para um dado grau de serviço:
tráfego o atender para grupo por células de máximo número N canais de total número M célula; por canais de número n N M n onde n! e T GOS T T T n = = = = = − (3.4)
• Quanto maior a razão de reuso menor a interferência cocanal e, consequentemente, melhor a qualidade de transmissão:
I 3N q 5; 2 ; 6 q I S= γ ≤γ≤ = (3.5)
Através da equação (3.4) determina-se um número n mínimo de canais por célula para atender a demanda de tráfego T com o grau de serviço GOS desejado. Conhecido o número total M de canais disponíveis, isto determina um número máximo NT de células por grupo associado ao tráfego. Por outro lado, a equação (3.5) determina um número mínimo de células por grupo NI para atender o requisito de relação sinal interferência do sistema. Se NI < NT o projetista pode escolher qualquer valor inteiro N no intervalo para o numero de células por grupo. Se NI > NT é necessário fazer o número de células por grupo igual ao menor inteiro maior ou igual a NI de modo a manter a interferência dentro do limite aceitável. Neste caso, a demanda de tráfego não será atendida, sendo necessário aceitar um grau de serviço maior que o originalmente desejado ou reduzir o raio da célula de modo a diminuir o número de usuários e, conseqüentemente, a
demanda de tráfego por célula. Observe-se, entretando, que a redução do raio da célula por um fator ∆r reduz sua área de cobertura por um fator (∆r)2, aumentando significativamente o número de ERBs necessária e, como conseqüência, o custo do sistema.
3.2.3. Plano de Reuso de Frequências N = 7 Omni (7/21).
No plano de reuso de frequência N = 7 o total de canais disponíveis é utilizado em 7 células que formam um grupo. O conjunto total de frequências é dividido em 21 grupos (ver as Tabelas 3.2a e 3.2b). Esta escolha deve-se aos 21 canais de controle existentes em cada direção do enlace. Tem-se por tanto, um total de 3 grupos de frequênciass designados a cada célula do grupo como mostra a figura 3.3, que corresponde à versão otimizada do plano de reuso N = 7 (a que apresenta o menor número de células com interferência de canal adjacente). A distância de reuso neste plano é igual a D= 3x7 =4.58 e a relação sinal interferência 18,6 dB para γ = 4.
Tabela 3.2a - Grupos de frequências da banda A, para o plano de reuso N = 7 Omni. 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 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 222 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333 667 668 669 670 671 672 673 674 675 676 677 678 679 680 681 682 683 684 685 686 687 688 689 690 691 692 693 694 695 696 697 698 699 700 701 702 703 704 705 706 707 708 709 710 711 712 713 714 715 716 991 992 993 994 995 996 997 998 999 1000 1001 1002 1003 1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023
Tabela 3.2b - Grupos de frequências da banda B, para o plano de reuso N = 7 Omni 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 355 356 357 358 359 360 361 362 363 364 365 366 367 368 369 370 371 372 373 374 375 376 377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398 399 400 401 402 403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449 450 451 452 453 454 455 456 457 458 459 460 461 462 463 464 465 466 467 468 469 470 471 472 473 474 475 476 477 478 479 480 481 482 483 484 485 486 487 488 489 490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 535 536 537 538 539 540 541 542 543 544 545 546 547 548 549 550 551 552 553 554 555 556 557 558 559 560 561 562 563 564 565 566 567 568 569 570 571 572 573 574 575 576 577 578 579 580 581 582 583 584 585 586 587 588 589 590 591 592 593 594 595 596 597 598 599 600 601 602 603 604 605 606 607 608 609 610 611 612 613 614 615 616 617 618 619 620 621 622 623 624 625 626 627 628 629 630 631 632 633 634 635 636 637 638 639 640 641 642 643 644 645 646 647 648 649 650 651 652 653 654 655 656 657 658 659 660 661 662 663 664 665 666 717 718 719 720 721 722 723 724 725 726 727 728 729 730 731 732 733 734 735 736 737 738 739 740 741 742 743 744 745 746 747 748 749 750 751 752 753 754 755 756 757 758 759 760 761 762 763 764 765 766 767 768 769 770 771 772 773 774 775 776 777 778 779 780 781 782 783 784 785 786 787 788 789 790 791 792 793 794 795 796 797 798 799
Figura 3.3 – Plano de reuso N=7
4 γ para dB 6 , 18 R D 6 1 log 10 I S = = ≅ γ (3.6)
1.4.3.1.- Capacidade no Plano de Reuso de Frequências N = 7 Omni.
1
6
3
4
2
5
7
1
6
3
4
2
5
7
4,58 RA capacidade no sistema AMPS, como em todos os sistemas celulares, é obtida a partir dos canais de voz disponíveis por célula, ou do tráfego oferecido correspondente expresso em Erlangs. O número total de canais de voz disponíveis no sistema AMPS é 395, de tal forma que, para o plano de reuso N = 7 Omni, têm-se 395/7 = 56 por célula, correspondentes a uma capacidade de 46 Erlangs por célula para um grau de serviço de 2%.
A Tabela 3 apresenta a capacidade para o plano de reuso N = 7 para diferentes graus de serviço.
Tabela 3.3 - Capacidade (Erlangs) para o plano de reuso N = 7 Omni Número de canais
por célula GS = 1% GS = 2% GS = 3% GS = 5%
44 (NES) 32,5 35,0 37,0 39,6
56 (ES) 42,3 46,0 48,0 50,0
3.2.4. Plano de Reuso de Frequências N = 7 setorizado em 1200
Este plano segue a mesma distribuição de canais do plano N = 7 omni, cada setor recebendo um dos 21 grupos de canais como ilustra a figura 3.4.
Figura 3.4 - Distribuição de canais no plano N = 7 setorizado em 1200
4 para dB 4 , 23 R D 2 1 log 10 I S = γ= ≅ γ (3.8) 1 8 15 2 9 16 6 13 20 7 14 21 4 11 18 3 10 17 5 12 19
A setorização reduz a interferência, fornecendo um ganho de 4,8 dB na relação S/I para γ = 4. Por outro lado, há uma perda de capacidade de 10 a 12 Erlangs por célula para graus de serviço entre 5% e 1%, como pode ser verificado comparando as tabelas 3.3 e 3.4.
Tabela 3.4 - Capacidade (Erlangs) para o plano de reuso N = 7 setorizado em 1200 Número de
canais por célula
GS = 1% GS = 2% GS = 3% GS = 5%
44 (NES) 3x7,35=22 3x8,2=24,6 3x8,8=26,4 3x9,73=29,19 56 (ES) 3x10,4=31,2 3x11,5=34,5 3x12,2=36,6 3x13,4=40,2
