Sistemas Celulares Richard Demo Souza

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Sistemas Celulares

Richard Demo Souza

EEL / UFSC richard.demo@ufsc.br Comunicações sem Fio

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Compartilhamento do Espectro

I Em sistemas de comunicação sem fio é preciso definir uma forma para os vários usuários compartilharem o espectro!

I Os métodos podem considerar alocação determinística ou aleatória do espectro. Por ex, os casos determinísticos mais usados:

I TDMA

I FDMA

I CDMA

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Exemplos

Y. Chen et al., “Toward the Standardization of Non-Orthogonal Multiple Access for Next Generation Wireless Networks,” IEEE Communications Magazine, 2018.

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Duplexing

Independente do modo de múltiplo acesso, em geral não é possível operar em modo full-duplex. A soluções usuais são FDD ou TDD em half-duplex.

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Cobertura em Grandes Áreas

I Como prover cobertura para muitos usuários em uma grande área?

I Transmitir com alta potência ajuda?

I Como compartilhar o espectro?

I Como evitar interferência entre os usuários?

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Sistema Convencional

I Umacélula

I Grande área de cobertura

I Transmissores de alta potência

I Antena muito alta

I Baixa capacidade

Problema

Número reduzido de usuários.

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Sistema Celular - Princípio

I Muitas células

I Pequena área de cobertura

I Transmissores de baixa potência

I Antenas mais baixas

I Alta capacidade BTS TRX Frequência 1 BTS TRX Frequência 1 BTS TRX Frequência 2 BTS TRX Frequência 3 BTS TRX Frequência 4 BTS TRX Frequência 3 BTS TRX Frequência 2 Princípio

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Reuso de Frequências

A E D F G B C A E D F G B C A E D F G B C

I S:número total de canais

I k:número de canais por célula

I N:número de células que utilizam o conjunto total de canais (cluster)

I M: número de repetição dos clusters

S = kN (número total de canais) C = M kN = M S (capacidade)

Fator de Reuso

Qual é o impacto deN na capacidade e desempenho do sistema?

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Handoff

I Definição: Quando um usuário (MS) se desloca para outra célula, o sistema transfere a conexão para um canal da nova célula.

I Pode sersoftouhard

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Interferência

I Além de interferências externas, um sistema celular sofre (gera) dois tipos principais de interferência:

Co-canal

Interferência entre células diferentes que utilizam o mesmo canal

Canal adjacente

Interferência entre sinais de uma mesma célula, em canais adjacentes

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Interferência co-canal

Relação Sinal-Interferência (SIR)

S I = S i0 X i=1 Ii

I S =potência do sinal desejado

I Ii =potência da interferência co-canal

I i0 =número de células interferentes

A A A A A A A

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Interferência co-canal

I Supondo BSs com mesma potência de transmissão e perda de propagação do tipo log-distância com expoenten:

S I ≈ R−n i0 X i=1 D_i−n = 1 i0 D R n = 1 6(3N ) n 2 I R: raio da célula

I Di= D: distância entre os centros das células co-canal mais próximas

I D

R =

√

3N no modelo de células hexagonais

I i0= 6para a primeira camada de células co-canal no modelo hexagonal

I Quanto maiorne maiorN maior a razão S_I

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Exemplo

Considere:

I i0= 6células interferentes

I Expoente de perda de percurson = 4

Pergunta:

Qual o tamanho mínimo do cluster para queS/I ≥ 18dB? 101.8 = ( √ 3N )4 6 = (3N )2 6 ⇒ N = 7

I Se o sistema suportarS/I menor, entãoN pode diminuir.

I Reuso de frequências é um método espacial de limitar a interferência. Existem outras estratégias.

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Cell-Splitting e Setorização

1.Cell-Splitting

As células são divididas em células menores (microcélulas): Densificação

2. Setorização

Utiliza antenas direcionais (setores de 60º ou

120º) ao invés de omni-direcionais 1 2 3 1 2 3 16 / 40

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Setorização de 120º

I Antena omni substituída por três antenas direcionais

I Conjunto de canais subdividido em três: menor capacidade

I O número de células interferentes é reduzido de 6 para 2: SIR⇑.

1 2 3 1 2 3

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Evolução das Comunicações

Celulares

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1G

AMPS

I

1983

I

FDMA

I

Modulação FM

I

30kHz por canal

I

Handoff

I

Voz

20 / 40

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2G

GSM

I

1990

I

TDMA/FDMA

I

GMSK

I

200kHz por canal

I

Data rate:

≈ 100

kbps

I

Voz, SMS, WAP

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2G

IS-95

I

1993

I

CDMA

I

DSSS: BPSK, QPSK

I

1.25 MHz o canal

I

Data rate:

≈ 64

kbps

I

Voz, SMS, WAP

21 / 40

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2G

GSM e IS-95

I

Mudança de paradigma:

Analógico

->

Digital

I

Compressão de voz

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3G

HSPA

I

2002

I

CDMA/TDMA

I

DSSS: QPSK, QAM

I

5MHz o canal

I

Data rate:

≈ 500

kbps

I

Voz

e

Dados

22 / 40

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3G

HSPA

I

Modulação e codificação adaptativa

I

Escalonamento dinâmico (diversidade de usuários)

I

Suporte a técnicas de HARQ

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4G

LTE

I

2009

I

OFDMA/SC-FDMA

I

OFDM: QPSK, QAM

I

1.4 a 20MHz o canal

I

Data rate:

≈ 2

Mbps

I

Dados

23 / 40

(27)

4G

LTE

I

MIMO

I

OFDM

(28)

4G

LTE

I

Reuso unitário (menos na borda)

I

Técnicas avançadas de cancelamento de interferência

I

Rede heterogênea (macro, micro, femto)

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5G - Requisitos

I Downlink peak: 20Gbps I Uplink peak 10Gbps I Downlink 95% > 100 Mbps I Uplink 95% > 50 Mbps I Latência URLLC: 1ms I Latência eMBB: 4ms I Banda > 100MHz I Densidade > 1 milhão/km2 https://5gobservatory.eu/info-deployments/5g-performance/

Report ITU-R M.2410-0, Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s), 2017

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5G vs 4G

Samsung 5G Vision

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5G - Soluções Tecnológicas

Hetnets

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5G - Soluções Tecnológicas

Hetnets

Desafios em gerenciamento, otimização e backhaul

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5G - Soluções Tecnológicas

mmWave

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5G - Soluções Tecnológicas

mmWave

Desafios em alcance e diretividade

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5G - Soluções Tecnológicas

massive MIMO

(38)

5G - Soluções Tecnológicas

massive MIMO

Multi-beam multiplexing, ao mesmo tempo na mesma frequência!

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5G - Soluções Tecnológicas

massive MIMO

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5G - Soluções Tecnológicas

D2D

Dispositivos comunicam diretamente. Menor atraso

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5G - Soluções Tecnológicas

D2D

(42)

5G - Soluções Tecnológicas

IoT

Viabilização massiva da IoT

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5G - Soluções Tecnológicas

IoT

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5G - Soluções Tecnológicas

IoT

Soluções para casos massivo e crítico muito diferentes

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5G - Soluções Tecnológicas

SON

Self-Configuration

Neighbor Cell List Operational Parameters Radio Parameters Self-Optimization Load Balancing Caching Coverage and Capacity Backhaul Mobility Handover Coordination Resource Optimization Self-Healing Fault Detection Fault Classification Cell Outage Management

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5G - Soluções Tecnológicas

SON

Self-Configuration

Neighbor Cell List Operational Parameters Radio Parameters Self-Optimization Load Balancing Caching Coverage and Capacity Backhaul Mobility Handover Coordination Resource Optimization Self-Healing Fault Detection Fault Classification Cell Outage Management

Requer mais inteligência na rede: machine learning

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5G

I Muitos outros pontos são chave para a realização do 5G:

I backhaul heterogêneo

I eficiência energética

I suporte a V2X

I redução do atraso na rede, etc

I Redes 5G já são uma realidade comercial.

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Non-Terrestrial Networks

X. Lin, S. Rommer, S. Euler, E. A. Yavuz, R. S. Karlsson, “5G from Space: An Overview of 3GPP Non-Terrestrial Networks",https://arxiv.org/abs/2103.09156, 2021

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Time Sensitive Networks

https://www.ericsson.com/en/reports-and-papers/ ericsson-technology-review/articles/5g-nr-evolution

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6G: Potenciais Casos de Uso

I Nova experiência de realidade virtual: smartphone integrado com sensores no corpo, óculos de alta definição, etc.

I Telepresença com imagem 3D de de alta resolução, robôs e drones

I Veículos autônomos para transporte de pessoas e logística

http://jultika.oulu.fi/Record/isbn978-952-62-2354-4

6G Research Visions 1: Key Drivers and Research Challenges for 6G Ubiquitous Wireless Intelligence, Matti Latva-aho, Kari Leppänen (eds.), 6G Flagship, University of Oulu, 2019

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Leituras

Livro Goldsmith, Capítulo 15 Moodle Artigos 5G e 6G 40 / 40