Sistemas de Comunicações
Móveis
• Os sistemas de comunicações celulares baseiam-se no princípio da reutilização de um canal (frequência, tempo, código): um canal que é usado para cobrir uma dada área, a célula, é usado noutra área suficientemente afastada, de modo a manter a interferência co-canal dentro de limites razoáveis.
• O tipo de canal a reutilizar depende do tipo de acesso múltiplo do sistema.
Sistemas CelularesSiCe (1/6)
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Os sistemas convencionais caracterizavam-se por:• serem limitados pelo ruído; • servirem densidades de utilizadores baixas; • dependerem fortemente da disponibilidade do
espectro; • não efectuarem reutilização de frequências; • requererem estações base de potência elevada; • apresentarem células com áreas muito extensas; • não permitirem expansão modular; • não possibilitarem a transferência entre estações
base.
Sistemas CelularesSiCe (2/6)
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Os sistemas celulares caracterizam-se por:• serem limitados pela interferência, isto é, a
capacidade é limitada por interferência; • servirem densidades de utilizadores elevadas; • encararem a disponibilidade de espectro apenas
como um factor limitativo; • aproveitarem a reutilização de frequências; • usarem estações base com potências baixas;• terem células com área pequenas; • possibilitarem uma expansão modular; • permitirem a transferência entre estações base.
Sistemas CelularesSiCe (3/6)
Sistemas de Comunicações
Móveis
• A arquitectura típica é:
Sistemas CelularesSiCe (4/6)
[Fonte: Yacoub, 1993]
Handover
Sistemas de Comunicações
Móveis
Sistemas CelularesSiCe (5/6)
30800USA1991IS-54
EU, JUSA
J
EUIF
UKD
USAN, S
JPaís
200219961995
19911985198519851985198319811978Início
2 0001 800
900, 1 500
900, 1 800450200900450800
450, 900900
Banda [MHz]
5 000UMTS1 250cdmaOne
25PDC
200GSM25RMTS12.5R200025TACS20C30AMPS25NMT25NAMTS
Canal [kHz]Sistema
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Evolução da penetração em Portugal
Sistemas CelularesSiCe (6/6)
[Fonte: Anacom, 2004]
1
10
100
1000
10000
Jan. 8
9Ja
n. 90
Jan. 9
1Ja
n. 92
Jan. 9
3Ja
n. 94
Jan. 9
5Ja
n. 96
Jan. 9
7Ja
n. 98
Jan. 9
9Ja
n. 00
Jan. 0
1Ja
n. 02
Jan. 0
3Ja
n. 04
Ano
Ass
in. [
1 00
0]
GSM-Vod. GSM-TMN C-TMN GSM-Opt. Total
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Estrutura actual do GSM
Arquitectura das RedesArRe (1/9)
[Fonte: Agilent, 2002]CS (voz,HSCSD)
PS (GPRS)
BSSMS
CN
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Os elementos que compõem a rede são:• MS – Mobile Station• BTS – Base Transceiver Station• BSC – Base Station Controller• BSS – Base Station Subsystem• CN – Core Network• MSC – Mobile Switching Centre• VLR – Visitors Location Register• HLR – Home Location Register• SGSN – Serving GPRS Support Node• GGSN – Gateway GPRS Support Node
Arquitectura das RedesArRe (2/9)
Sistemas de Comunicações
Móveis
• A rede rádio do GSM é
Arquitectura das RedesArRe (3/9)
BSS
BSC
BS BS
Abis Abis
Core Network
A A
MS
Um
MS
Um
MS
Um
MS
Um
MS
Um
MS
Um
[Fonte: ETSI, 1991]
BSS
BSC
BS BS
Abis Abis
Sistemas de Comunicações
Móveis
onde
Arquitectura das RedesArRe (4/9)
[Fonte: ETSI, 1997]
Core Network
A A
SGSNMSC/VLR
A CS A PS
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Os serviços básicos actualmente suportados pelo GSM (Global System for Mobile Communications, anteriormente Group Spécial Mobile) são:
• CS – Circuit Switch• voz• SMS – Short Message Service• HSCSD – High Speed Circuit Switched Data
• PS – Packet Switch• GPRS – General Packet Radio System
Arquitectura das RedesArRe (5/9)
Sistemas de Comunicações
Móveis
• A rede do UMTS (UTRAN) é
Arquitectura das RedesArRe (6/9)
RNS
RNC
Node B Node B
Iub Iub
Core Network
Iu Iu
Iur
UE
Uu
UE
Uu
UE
Uu
UE
Uu
UE
Uu
UE
Uu
[Fonte: 3GPP, 2000]
RNS
RNC
Node B Node B
Iub Iub
Sistemas de Comunicações
Móveis
onde
Arquitectura das RedesArRe (7/9)
[Fonte: 3GPP, 2000]
Core Network
Iu Iu
SGSNMSC/VLR
Iu CS Iu PS
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Móveis
• Os elementos específicos que compõem a rede do UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), são:
• UE – User Equipment• Node B• RNC – Radio Network Controller• RNS – Radio Network Subsystem
Arquitectura das RedesArRe (8/9)
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Estrutura do UMTS sobre o GSM
Arquitectura das RedesArRe (9/9)
[Fonte: Agilent, 2002]
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Móveis
• Um bom planeamento celular é de importância crucial para um bom desempenho do sistema e para a prestação de uma boa qualidade de serviço.
• O planeamento celular consiste em • localizar estações base, e estabelecer cobertura; • gerir os canais disponíveis de forma óptima; • minimizar a interferência.
• O planeamento celular é feito com base em: • morfologia da área de serviço, e modelos de
propagação;• perfis de utilizadores, e modelos de tráfego.
Planeamento CelularPlCe (1/14)
Sistemas de Comunicações
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• No problema ideal, pretende-se cobrir a área de serviço com células iguais, sem lacunas ou sobreposições.
• Usando polígonos regulares com Nl lados, onde o ângulo interno é dado por
é necessário que este seja um divisor inteiro de 2π
Planeamento CelularPlCe (2/14)
πγ 2 l
li N
N −=
IN , 2 ∈= ppiπγ
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• Só há 3 formas polígonos regulares que são solução do problema:
• triângulo• quadrado• hexágono
• Normalmente usa-se a forma hexagonal, por ser a que mais se aproxima da cobertura teórica de uma antena omnidireccional.
Planeamento CelularPlCe (3/14)
Sistemas de Comunicações
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• A área de serviço é coberta por células hexagonais
Planeamento CelularPlCe (4/14)
[Fonte: Yacoub, 1993]
r
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• Considerando:• R: raio de cobertura das células• Dr: distância de reutilização entre células co-
canal• du: distância unitária entre os centros de duas
células adjacentes
pode escrever-seDr = Dn duonde a distância de reutilização normalizada vemDn
2 = i2 + ij + j2 , i, j ∈ IN0 , i = 0 ∨ j = 0
Planeamento CelularPlCe (5/14)
Rdu 3 =
.
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• A reutilização consiste em atribuir o conjunto de canais disponível no sistema a um grupo de células, o padrão celular, repetindo-se depois esse grupo por toda a área de serviço,Ncc = Ncs/Ncp
onde• Ncc: número de canais por célula• Ncs: número de canais no sistema• Ncp: número de células no padrão
• O padrão celular deve possuir as mesmas propriedades de uma célula, isto é, permitir a cobertura sem lacunas ou sobreposições.
Planeamento CelularPlCe (6/14)
Sistemas de Comunicações
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• Dada a área de uma célula, Scel,
e a área de um padrão, Spad,
o número de células no padrão vemNcp = Spad/Scel
= i2 + ij + j2 , i, j ∈ IN0 , i = 0 ∨ j = 0sendo valores possíveisNcp = 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, …
Planeamento CelularPlCe (7/14)
22 )233( )23( RdS ucel ==
22 )23( unpad dDS =
.
Sistemas de Comunicações
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• Exemplos de padrões celulares
Planeamento CelularPlCe (8/14)
[Fonte: Yacoub, 1993]
r
r
r
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• Um parâmetro usado para a caracterização dos padrões é a razão de reutilização co-canal, rcc:
• Um maior valor de rcc corresponde a:• menor interferência co-canal;• menor capacidade do sistema.
• O padrão é escolhido como o menor possível, de acordo com as restrições de interferência:
• analógicos, Ncp = 7,• GSM, Ncp = 4,• UMTS, Ncp = 1.
Planeamento CelularPlCe (9/14)
cprcc NRDr 3/ ==
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• Exemplo de plano de cobertura, para Ncp = 7.
Planeamento CelularPlCe (10/14)
[Fonte: Yacoub, 1993]
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• Em condições reais, as células não possuem a forma hexagonal.
• As grelhas de hexágonos são importantes para localizar as estações base nos seus centros.
Planeamento CelularPlCe (11/14)
[Fonte: Lee, 1989]
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• Em condições reais, a distribuição do tráfego não éuniforme.
Planeamento CelularPlCe (12/14)
[Fonte: E-Plus, 1999]
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• Quando a densidade de tráfego não é uniforme, usam-se células de dimensões diferentes.
Planeamento CelularPlCe (13/14)
[Fonte: Yacoub, 1993]
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• A utilização de células com dimensões diferentes:• conduz a um aumento da interferência, devido à
quebra da não-uniformidade da estrutura celular;
• requer cuidado na localização de células nas zonas de transição entre dimensões.
Planeamento CelularPlCe (14/14)
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• As bandas de frequência utilizáveis para cada tipo de serviço são decididas a nível internacional (ITU).
• A atribuição de canais dentro de uma banda a cada operador de um serviço é feita a nível nacional (ANACOM).
• O facto de o espectro ser limitado impõe uma utilização da banda tão eficiente quanto possível.
Planeamento de FrequênciasPlFr (1/5)
Sistemas de Comunicações
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• O número de frequências (canais rádio) por célula, Ncr, depende do padrão celular, Ncp, e do total de frequências do sistema, Nfs, Ncr = Nfs/Ncp
• Devido à limitação do número de frequências, tem que haver um compromisso entre a relação portadora/interferência (Ncp) e a capacidade de tráfego (Ncr).
• A distribuição de canais pelas células deve minimizar a interferência de canal adjacente, maximizando-se a separação entre canais de uma mesma célula.
Planeamento de FrequênciasPlFr (2/5)
Sistemas de Comunicações
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• Num sistema celular simples, a atribuição de portadoras às células deve ser feita de acordo comfij = i + Ncp (j - 1)
i = 1, ..., Ncpj = 1, ..., Ncr
• Quando se utiliza Nsc sectores por célula, deve constituir-se subgrupos de canais com cada um dos sectores das células, isto é,fijk = i + Ncp (k - 1) + Nsc Ncp(j - 1)
i = 1, ..., Ncpj = 1, ..., Ncrk = 1, ..., Nsc
Planeamento de FrequênciasPlFr (3/5)
Sistemas de Comunicações
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• O planeamento de um sistema é feito de acordo com o seguinte:
• o valor mínimo de C/I impõe o padrão celular; • estima-se o tráfego na célula escolhida; • determina-se o número de canais necessário
para o bloqueio especificado;• no caso do número de canais disponível não ser
suficiente, reduz-se o tráfego por redução da área de cobertura;
• efectua-se o plano de frequências e o desenho celular de acordo com o padrão celular escolhido.
Planeamento de FrequênciasPlFr (4/5)
Sistemas de Comunicações
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• Quando a estrutura celular não é regular, a distribuição de canais deve atender às necessidades de tráfego, e aos valores máximos de interferência co-canal e canal adjacente.
Planeamento de FrequênciasPlFr (5/5)
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Móveis
• Em geral, no receptor tem-se
onde• C: potência da portadora do sinal desejado• N: potência de ruído• I: potência da portadora do sinal interferente
• Normalmente, nos sistemas de comunicações celulares pode desprezar-se o ruído
Interferência Co-CanalInCC (1/15)
NIC+
IC
NIC ≅+
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• Esquematicamente, tem-se
Interferência Co-Canal
C/Ilimiar
Problemas de cobertura
Problemas de cobertura
Problemas de interferência
Bom desempenho
InCC (2/15)
C/Nlimiar
C/I
C/N
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• A interferência co-canal é um mal aceite nos sistemas de telefone celular.
• A estimação de C/I é feita normalmente com os seguintes pressupostos:
• as células são todas iguais em dimensão• as potências radiadas pelas estações base são
todas iguais• as estações base têm antenas omnidireccionais• o decaimento médio da potência é da forma
Interferência Co-CanalInCC (3/15)
( ) nr rrPP −= 00
Sistemas de Comunicações
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• Tome-se duas células interferentes
as potências médias que atingem X são
logo
Interferência Co-CanalInCC (4/15)
D
R
A B
X
r
( ) nAr rRPP −= 00
( )[ ] nrBr rRDPP −−= 00
( )nccrIC 1 −=
Sistemas de Comunicações
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• Num sistema celular em geral, a interferência éobtida a partir de todas as células co-canal, NIcc,
• Normalmente, a interferência pode ser estimada a partir apenas das células do 1º anel de interferência
Interferência Co-CanalInCC (5/15)
∑=
=IccN
kkI
CIC
1
∑=
= 6
1
kkI
CIC
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• Geometria do 1º anel de interferência
Interferência Co-CanalInCC (6/15)
[Fonte: Shankar, 2002]
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• A interferência co-canal é estimada como
que pode ainda ser aproximada por
tomando-se, numa perspectiva pessimista,
Interferência Co-CanalInCC (7/15)
( ) ( )
( ) ( ) ncc
ncc
ncc
nr
nr
nr
n
rrr
RDDRDR
IC
−−−
−−−
−
+++−=
+++−=
122121
222
( ) ( )6
136
1 n
cpn
cc NrIC −
=−
=
6
nccr
IC=
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• A interferência pode ser reduzida:• usando sectorização das células;• inclinando para baixo o lobo principal de
radiação da antena da estação base;• baixando a antena da estação base;• escolhendo a localização da estação base;• usando a técnica de saltos em frequência;• usando controlo de potência.
Interferência Co-CanalInCC (8/15)
Sistemas de Comunicações
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• O valor limite tolerado (razão de protecção)Rp = (C/I)mindepende do tipo de sistema:
• analógicos, Rp ≈ 18 dB,• GSM, Rp = 9 dB.
• Na realidade, C/I é uma variável aleatória dependente de:
• localização do móvel;• desvanecimentos lento e rápido;• características das antenas;• localização das estações de base.
Interferência Co-CanalInCC (9/15)
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• A interferência co-canal pode ser medida através da probabilidade de falha, isto é, de C/I estar abaixo de um certo valor, P(C/I)
onde• Nia: número de células interferentes activas• P(C/I|k): probabilidade de falha condicionada
ao número de interferências• pcia(k): função densidade de probabilidade do
número de células interferentes activas.
Interferência Co-CanalInCC (10/15)
( ) ( ) ( )kpkICPICP cia
N
k
ia
∑=
=1
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Considera-se que existe interferência quando
resultando
onde• p(C), p(I): função densidade de probabilidade
das potências dos sinais.
Interferência Co-CanalInCC (11/15)
>>
⇔
<
>
p
min
min
minRCI
CC
IC
IC
NC
NC
( ) ( ) ( ) dCdIIpCpNICPp
min
RC
Cia ∫∫
∞
−=/
0
1
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Considerando que o sinal e a interferência sofrem desvanecimento descrito pela Distribuição de Rayleigh
vindo para o caso de interferência pura, Cmin = 0,
donde, quando as interferências são todas iguais,
Interferência Co-CanalInCC (12/15)
( ) ( )( ) 1,
1 0
1 1
1 =+
=∑∏= =
− ICRIC
RICNICP
iaN
k
k
l pl
plia
( ) ICxex
xp xx ,,1 == −
( ) ( )( )
iaN
p
pia RIC
RICNICP
+
−=1
1
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Não existe solução analítica para P(C/I|Nia) quando o desvanecimento do sinal e da interferência édescrito pelas Distribuições Log-Normal ou de Suzuki.
• Considera-se a ocupação dos canais descrita pela Distribuição de Bernouli
onde• sc: estado do canal (1- activo, 0- inactivo)• Pca: probabilidade de o canal estar activo
Interferência Co-CanalInCC (13/15)
1 ,0 , )1( )( 1 =−= −c
sca
scac sPPsp cc
Sistemas de Comunicações
Móveis
• Tomando canais independentes, com Distribuição Uniforme, o número de canais interferentes activos é descrito pela Distribuição Binomial, resultando para NIcc = 6,
com
Interferência Co-CanalInCC (14/15)
iaia Nca
Nca
iaiacia PP
NNp −−
= 6)1(
6 )(
∑=
=6
1 k
kcia sN
Sistemas de Comunicações
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• A probabilidade de falha vem
Interferência Co-CanalInCC (15/15)
[Fonte: Yacoub, 1993]
P(C/I)σ = 6 dBPca = 0.75
P(C/I|1)σ = 0
P(C/I|6)σ = 6 dB
P(C/I|6)σ = 0P(C/I|1)
σ = 6 dB
P(C/I)σ = 0Pca = 0.75
( ) [dB] pRIC
Sistemas de Comunicações
Móveis
• A sectorização é usada para diminuir a interferência co-canal, através da divisão da célula em sectores, conseguida com a utilização de antenas sectoriais na estação base.
• Cada sector passa a funcionar como uma célula.• Obtém-se uma redução da distância entre células
co-canal, pelo que se aumenta a capacidade.• Tipicamente, usa-se uma sectorização em 3 ou 6
sectores.
SectorizaçãoSect (1/3)
Sistemas de Comunicações
Móveis
• No caso de tri-sectorização tem-se.
SectorizaçãoSect (2/3)
[Fonte: Stueber, 1996]
Sistemas de Comunicações
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• A interferência co-canal vem reduzida, tendo-se para a tri-sectorização.
SectorizaçãoSect (3/3)
( ) ncc
ncc rrI
C−− ++
=2/1
1
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Móveis
• A interferência canal adjacente consiste no aparecimento de sinal interferente, proveniente de um canal adjacente, na banda do sinal desejado.
• A interferência canal adjacente pode ser diminuída através de:
• uso de filtros com uma boa característica de rejeição;
• aumento da separação entre canais de uma mesma célula;
• uso de controlo de potência.
Interferência Canal AdjacenteInCA (1/4)
Sistemas de Comunicações
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• O isolamento entre canais adjacentes pode ser estimado por
onde• ∆fcr: largura de banda do canal• ∆fsc: separação dos canais• KF: característica do filtro
Interferência Canal AdjacenteInCA (2/4)
−=2/
log0.301
[dB/oit][dB]
cr
crscFFca f
ffKI
∆∆∆
Sistemas de Comunicações
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• A interferência canal adjacente é também afectada pela atenuação de propagação, isto é, há que considerar também a diferença de percursos (efeito perto-longe)
onde• n: parâmetro do decaimento médio da potência• ds: distância do emissor do sinal ao receptor• di: distância do emissor da interferência ao
receptor
Interferência Canal AdjacenteInCA (3/4)
=
i
spca d
dnL log10 [dB]∆
Sistemas de Comunicações
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• A interferência canal adjacente pode ser estimada porC/Ica [dB] = ∆PTx [dB] + IFca [dB] - ∆Lpca [dB]
onde• ∆PTx: diferença entre as potências transmitidas
pelos emissores do sinal e interferente.• A interferência total é dada por
Interferência Canal AdjacenteInCA (4/4)
caIIC+
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