TP-305 - Sistemas de Comunicações Móveis
1
Conteúdo
Revisão Histórica / Panorama Atual
Fundamentos de Sistemas Celulares
• Fundamentos de técnicas de comunicação celular e canais
• Sistema Centralizado x Sistema Celular
• Teoria dos Padrões de Reuso
• Interferências co-canal e canal adjacente
• Relação S/I
• Setorização
• Conceitos de Tráfego
• Capacidade dos sistemas celulares / Canalização
Conceitos sobre Sistemas Digitais
2
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
3
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
4
Revisão Histórica / Panorama Atual
5
1º Geração de SMC
1979 – NTT800
Sistema japonês desenvolvido pela NTT (Nippon Telegraph &
Telephone). O sistema operava em 800MHz e atingiu
aproximadamente 60 % da população.
1983 – AMPS
Colocado em operação na cidade de Chicago, EUA. O sistema
se tornou o mais difundido mundialmente.
1985 – TACS
O sistema TACS (Total Access Communication System) criado
pela Reino Unido se difundiu pela Europa na Áustria, Irlanda,
Itália.
1981 – NMT450
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.
1986 – NMT900
Implementado na Suíça com uma capacidade para 12 mil
assinantes.
1985 –
Implementado na Alemanha, obtendo suprir cobertura total no
Autotelefonnets C território alemão.
6
1º Geração de SMC – Interface Aérea
Japão
Vários
países
Vários
países
Vários
países
Alemanha
NTT
AMPS
TACS
NMT
C450
925-940
870-885
869-894
824-849
917-950
872-905
463-467.5
453-457.5
600
832
1320
180
222
5 a 15
2 - 20
2 - 20
1.8 - 40
5 - 30
Largura de faixa
do canal(Khz)
25
30
25
25
20
∆f modulação
analógica (kHz)
±5
± 12
± 9.5
±5
±4
Taxa na
sinalização (kbps)
0.3
10
8
1.2
5.28
Sistema
Frequência Tx
(MHz)
Nº de canais
Raio de
cobertura (km)
461.3-465.74
451.3-455.74
7
1º Geração de SMC no Brasil
Primeiro sistema de telefonia celular
1991 escolhido
pelo
Ministério
das
AMPS Telecomunicações é implantado na
cidade do Rio de Janeiro.
1993
AMPS
1993-1995
AMPS
Implantado na Grande São Paulo.
O sistema telebrás implanta em todo o Brasil o
sistema de telefonia celular baseado no padrão
americano.
8
1º para a 2º Geração
Objetivo: Solucionar o problema da demanda reprimida, devida a
capacidade dos sistemas analógicos.
baixa
Mundo Digital
O “mundo” digital possui algumas características importantes:
• Sinal digitalizado - Processamento digital
• Compactação
• Detecção de erros
• Correção de erros
• Criptografia
9
2º Geração de SMC
1982
GSM
Criação do comitê GSM (Groupe Spécial Mobile) pela
CEPT para desenvolver um sistema digital para a
telefonia celular.
1989
IS-54
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).
1993
CDMA
1994
IS-136
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.
A TIA divulga o IS-136 evolução do IS-54, incrementado
com novas aplicações como serviços de transmissão de
dados, mensagens de curta duração entre outras.
10
Evolução Européia da 2º Geração de SMC
TACS
NMT 450
C-450
NMT 900
GSM
Evolução Norte Americana da 2º Geração de SMC
AMPS
Analógicos
Digitais
D-AMPS
11
2º para a 3º Geração
Objetivo: Melhorar as taxas de transmissão, para usuários que necessitam de
maior banda para utilizações com múltiplas mídias. Também pretende melhorar
a interconexão entre os sistemas.
Mundo Digital com Taxas de Transmissão Mais Elevadas
O novo cenário possui mudanças interessantes:
• Codificação e Modulação adaptativa
• Algoritmos de equalização mais otimizados
• Orthogonal Variable Spreading Factor Codes – OVSF
• Antenas inteligentes
12
3º Geração de SMC
WCDMA
Definido pelo IMT - 2000
Europa – UMTS – WCDMA
Japão – WCDMA
Definido pelo IMT-2000
CDMA- 2000 América (UMTS – CDMA 2000)
Ásia (UMTS – CDMA 2000)
Coréia( UMTS – CDMA 2000)
TD-SCDMA
China(TD- SCDMA – Time Division - Synchronous Code Division
Multiple Access)
•UMTS: Serviço Universal de Telecomunicações Móveis.
•(IMT-2000): International Mobile Telecommunications-2000.
13
3º para a 4º Geração
Objetivo: permitir que o conceito qualquer lugar, qualquer momento, qualquer
mídia, qualquer pessoa, com altas taxas de serviço seja concretizado.
Qualquer pessoa
Qualquer lugar
Qualquer momento
Qualquer serviço
Mobilidade Total
14
4º Geração de SMC
• Tecnologia Software Defined Radio (SDR);
• Maiores larguras de faixa para as transmissões;
• Baixo custo;
• Maior Segurança;
• Rádio Cognitivo (identificar todas as necessidades de transmissão e as
possibilidades de recepção na sua região e utilizar todo o potencial dessa largura de
banda).
Dado
Tx Wireless
Rx Wireless
Dado
MIMO
Dado
Tx Wireless
SISO
Rx Wireless
Dado
15
4º Geração de SMC
• Conteúdo HDTV;
• Serviços básicos como voz e dados, sempre no conceito de uso em
qualquer local e a qualquer momento;
•Todos os serviços deverão ser prestados tendo como premissas:
Otimização do uso de espectro,
Grande capacidade de usuários simultâneos,
Interoperabilidade entre os diversos padrões de redes sem fio.
16
Dados dos Sistemas Móveis
Acessos Móveis por Plano
Pré-Pago
Pós-Pago
Total
Participação (%)
91.664.232
16.835.082
108.499.314
49,92
44.771.140
10.674.340
55.445.480
25,51
41.466.752
11.934.416
53.401.168
24,57
177.902.124
39.443.838
217.345.962
100
Fonte: ANATEL, Junho-2011
Acessos Móveis por Tecnologia
Tecnologia
Total
Participação (%)
Densidade (acessos/100 hab.)
AMPS
0
0
0
CDMA
2.542.172
1,17
1,31
TDMA
5
0
0
186.886.207
85,99
95,98
21.265.674
9,78
10,92
0
0
0
6.651.904
3,06
3,42
217.345.962
100
111,62
GSM
WCDMA
CDMA2000
Terminais de Dados
Total
17
Fundamentos de Sistemas Celulares
18
Sistema de TX/RX - Camada Física
•
•
•
•
•
•
•
Técnicas de diversidade;
Codificação/decodificação;
Multiplexagem e demultiplexagem;
Modulação, Demodulação;
Espalhamento e Compressão;
Sincronização em portadora e tempo;
Processamento de RF.
19
Sistema de TX/RX - Camada Física
Information
source
Format
From other
sources
Source
encode
Encrypt
Channel
encode
Multiplex
Pulse
modulate
Bandpass
modulate
Frequency
spread
Multiple
Access
X
M
T
hc(t)
Channel
impulse
response
C
h
a
n
n
e
l
Multiple
Access
R
C
V
Digital
input
Bit stream
Digital
baseband
waveform
Synchronization
Digital
bandpass
waveform
Digital
output
Format
Information
sink
Source
decode
Decrypt
Channel
decode
Demultiplex
Detect
Demodulate &
Sample
Frequency
despread
Optional
To other
destinations
Essential
Equalizador
Demodulador
20
Canal de Comunicação
simplex
Half duplex
Distância Duplex
Full duplex
21
Canal de Comunicação
• A figura ilustra como ocorrem os múltiplos percursos no canal de comunicação.
• Observe que cada percursos representa uma amplitude na resposta impulsiva do
canal de comunicação. Este modelo será utilizado por diversas tecnologias como
comunicações móveis no sentido de verificar o desempenho do receptor para
determinadas situações de propagação do sinal transmitido.
22
Canal de Comunicação
Dispersão Temporal
1
2
1
0
1
3
0
1
0
1
0
1
23
Canal de Comunicação
1) Perdas no percurso - perdas no espaço livre, obstruções por construções,
elevações do terreno e vegetação. Caracterização através de métodos de
predição outdoor (Okumura-Hata) e indoor (empíricos).
2) Desvanecimento por múltiplos percursos - interferência entre duas ou mais
versões do sinal transmitido que chegam ao receptor em diferentes instantes e
com diferentes fases e amplitudes.
24
Canal de Comunicação
Perdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata
O modelo empírico de Okumura é empregado me áreas urbanas, sendo
desenvolvido com base em experimentos de medidas. A expressão geral é:
L = L f + A( f , d ) − G (hte ) − G (hre ) − G (area )
Onde,
L - valor médio da perda devido ao caminho de propagação [dB];
 λ2 

⇒ L f = 10 log
Lf - perda de propagação no espaço livre [dB];
 4π 2 d 2 
A (f, d) - valor em [dB] encontrado em curvas empíricas, dependente;


f – frequência [MHz];
d – distância entre a estação radio base receptora [km].
G(hte) – fator de ganho da estação transmissora [dB];
hte – altura efetiva da antena transmissora [m];
hre – altura efetiva da antena receptora [m];
G(hre) – fator de ganho da estação receptora [dB];
G(area) - valor em [dB] encontrado em curvas empíricas, expressa o ganho gerado devido ao
25
ambiente em que o sistema esta operando.
( )
Canal de Comunicação
Perdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata
•
•
•
•
O modelo empírico de Hata apresenta uma formulação prática do modelo de
Okumura.
O modelo de Hata leva em consideração área suburbana, área urbana e área
rural.
O modelo se aplica-se a uma faixa de frequências entre 150 e 1500 MHz.
Este modelo é mais adequado para macro células por cobrir áreas maiores que
1 km.
 hte 
G (hte ) = 20 log

200


 hre 
G (hre ) = 10 log

 3 
 hre 
G (hre ) = 20 log

3


30m < hte < 1000m
hre ≤ 3m
3m < hre < 10m
26
Canal de Comunicação
Perdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata
O valor médio da perda de propagação de uma área urbana é:
L = 69 ,55 + 26 ,16 log ( f ) − 13 ,82 log (hte ) − a (hre ) + (44 ,9 − 6 ,55 log (hte )) log (d )
Onde,
L - valor médio da perda devido ao caminho de propagação para área urbana [dB];
f – frequência [MHz];
hte – altura efetiva da antena transmissora [m];
hre – altura efetiva da antena receptora [m];
d – distância entre a estação radio base receptora [km];
a(hre) – fator de correção da altura efetiva da antena receptora da unidade móvel , a qual é
uma função do tamanho da área de cobertura [dB].
Este fator pode ser calculado por:
Para uma região urbana: a(hre) = (1,1log(f) – 0,7)hre – (1,56log(f) – 0,8).
Para áreas urbanas densas e f ≤ 300 MHz: a(hre) = 8,29(log(1,54hre))2 – 1,1)hre
Para áreas urbanas densas e f > 300 MHz: a(hre) =3,2(log(11,75hre))2–4,97)hre
27
Canal de Comunicação
Perdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata
O valor médio da perda de propagação de uma área suburbana é:
L = L(areas urbanas ) − 2(log( f / 28))2 − 5,4
O valor médio da perda de propagação de uma área rural aberta é:
L = L(areas urbanas ) − 4,78(log( f ))2 − 18,33 log ( f ) − 40,98
28
Canal de Comunicação
Perdas no percurso: Sombreamento – Log Normal
O sombreamento é caracterizado por variações aleatórias na potência do sinal recebido
devidas a obstruções causadas por objetos durante o percurso de propagação do sinal.
Este modelo foi estudado experimentalmente. Os resultados empíricos mostraram sua validade
para descrever as variações de potência recebida tanto no ar livre como em ambientes fechados
No modelo de sombreamento log-normal a potência recebida possui uma distribuição log-normal
com função densidade de probabilidade dada por dada por
xdB − µ dB )2
(
−
2
2σ dB
dB
dB
Onde:
xdB = 10 log10 ( x ) é a variável aleatória representando as variações do nível
da potência recebida.
µ dB , σ dB são, respectivamente, a média e o desvio padrão de x,ambos também expressos em
decibéis. A média pode ser baseada em um modelo analítico ou medida empiricamente. µdB,
quando medida empiricamente, é igual ao desvanecimento em larga escala médio, pois tanto a
perda de percurso quanto as perdas por sombreamento estão incorporadas nas medições. Para
o método analítico, µdB deve incorporar tanto a perda de percurso como a atenuação causada
29
pelo obstáculo.
f (x
)=
1
2π σ
e
Canal de Comunicação
Desvanecimento por múltiplos percursos :
Modelo: Canal com um múltiplo percurso – estático/tempo
Resposta Impulsiva (Temporal) do canal.
h(t ) = δ (t ) + kδ (t − τ )
h(t )
1
k
τ
t
30
Canal de Comunicação
Desvanecimento por múltiplos percursos :
Modelo: Canal com um múltiplo percurso – estático/tempo
Resposta em frequência do canal.
2
H( f ) 1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0
100
200
300
400
500
600
700
800
H (ω ) = 1 + e
− jωτ
2
arg( H( f ) ) 0
2
f ( kHz)
31
Canal de Comunicação
Desvanecimento por múltiplos percursos :
Modelo: Canal com um múltiplo percurso – variante/tempo
32
Canal de Comunicação
Desvanecimento por múltiplos percursos :
Modelo: Canal com um múltiplo percurso
tempo
T
T
T
IES
Solução do problema
Adiciona-se ao receptor um sistema capaz de compensar ou mitigar o efeito da
ISI no sinal recebido. Este sistema é chamado de Equalizador.
33
Software Defined Radio - SDR
Joseph Mitola, 1991. Publicação do primeiro artigo 1992.
O conceito do Software Defined Radio (SDR) é implementar todos os elementos
do sistema de comunicação (misturador, amplificador, modulador, demodulador,
detector, etc..) usando software no lugar do hardware.
Limitação – taxa de amostragem.
Possibilidade de utilizar radio cognitivo.
34
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.
I
Estágio de RF
cos(2πf ct )
ADC
LO
LNA
Banda Básica
sen (2πf ct )
ANALÓGICO
DIGITAL
Q
35
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.
36
Software Defined Radio - SDR
FPGA (Field Programmable Gate Arrays) :
• Pode ser re-configurada várias vezes ;
• Geralmente o FPGAs são usados em conjunto com DSPs, onde o DSP trata o fluxo
principal do algoritmo, e o FPGAs trata a intensiva repetição computacional das operações;
• Re-configuração é feita por download na configuração dos dados eletronicamente;
• Filtros FIR, Modulador, Codificador, FFT, etc...
Bloco Lógico
Conexões utilizados no momento
Fonte de Conexões
37
OFDM
•
•
Técnica FDM - não existe relacionamento entre as frequências no espectro.
As portadoras FDM são colocadas uma junto da outra.
• Num sistema OFDM, cada portadora possui uma frequência igual a um múltiplo
de uma frequência da base fundamental. Esta condição permite a ortogonalidade.
38
OFDM
39
s n = a n + j bn
cos(ω1t )
sen(ω1t )
cos(ω 2 t )
sen(ω 2 t )
cos(ω 3t )
sen(ω 3t )
+
+
s1 (t )
s 2 (t )
+
s (t )
Símbolo OFDM
40
OFDM
O Prefixo Cíclico é a repetição no início do símbolo OFDM de parte do sinal do
mesmo Símbolo OFDM.
s(t )
TG1
TU1
t
41
OFDM
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).
42
OFDM
ICI (Inter Carrier Interference)
Q
Q
bn
S n'
Sn
bn'
an'
an
I
I
H ( f n ) = H n e− jθn
H n é o ganho de amplitude e θ n é a fase em cada freqüência f n
43
OFDM
• Utiliza-se o estimador de canal para estimar a resposta em frequência do canal de
comunicação que será utilizado no algoritmo de equalização.
• A estimação é realizada usando as portadoras piloto e interpolando a resposta em
frequência entre as portadoras piloto.
Bits
Map
S/P
IFFT
P/S
Prefixo Cíclico
CANAL
Remoção do
Prefixo Cíclico
S/P
FFT
Equalização no
Domínio da
Freqüência
P/S
Demap
Bits
Sub Portadoras
Piloto
Dadosrx
FFT
Banco de
Equalização no
Domínio da
Freqüência
Mapequal
Estimação do canal
Mapequal = Dados rx / int erp
P
P
Interp
P
Sub Portadoras
Piloto
Estimação do canal
f (Hz)
44
Antenas Inteligentes
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.
x
w1
1
M
M
wl
xl
L
y (t )= ∑ xL (t )wL
1
Σ
M
xL
−
+
M
wL
d (t )
ε (t )
Adaptive
algorithm
45
Antenas Inteligentes
Simulação:
• Esta interface gráfica de simulação mostra o diagrama de irradiação no ponto de 60o, local
onde está o usuário desejado e o sinal interferente nas posições de 0o e 90o, onde aparecem
nulos do diagrama de irradiação.
46
Downtilt
horizonte
horizonte
horizonte
radiaçã
o
radi
radiação
Sem tilt
Tilt elétrico
ação
Tilt mecânico
47
Sistema Centralizado x Sistema Celular
Vantagens e Desvantagens
48
Componentes de um Sistema Celular
Sistema A
Handoff
AuC
VLR
EIR
HLR
Sistema B
MSC
AuC
VLR
EIR
HLR
MSC
Roaming
= ERB+BSC
PSTN
49
Cluster - Sistema Celular
• Cluster - Conjunto de células onde se divide todos os canais disponíveis no sistema.
CLUSTER 1
CLUSTER 2
50
Enlace – Direto / Reverso
Enlace Reverso
UPLINK
824-849 Mhz
AMPS
Enlace Direto
DOWNLINK
869-894 Mhz
AMPS
51
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.
52
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.
53
T
D
M
A
po
m
e
t
freqüência
Potência
F
D
M
A
Potência
Técnicas de Múltiplo Acesso
po
m
te
C
D
M
A
Potência
freqüência
po
m
te
freqüência
54
Teoria dos Padrões de Reuso
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.
R
A área real de cobertura
depende do ambiente onde a
ERB foi inserida.
55
Exercício:
1) Quais são os únicos polígonos regulares que podem gerar mosaicos regulares ?
56
Sistema de Coordenadas
v =y
R
u
R 3
x
57
Distância entre células
v
(u2 ; v2 ) = (1;2)
u
D = R 3 i2 + i ⋅ j + j2
(u1; v1 ) = (0,0)
58
Exemplo de distância entre co-células para N=3
v
u
59
Exercício: 2) Calcule a distância entre co-células para N=7
v
u
60
Número de Células por Cluster
2
& = i +i⋅ j + j
2
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.
Razão de Reuso:
q=
D
= 3&
R
61
Número de células por cluster
2
1
1
1
& =1
1
3
1
2
1
1
2
1
1
1
3
1
3
2
1
3
2
1
1
4
1
4
2
2
3
3
2
1
4
2
3
2
3
2
3
2
4
2
1
3
3
6
4
7
5
3
4
6
4
& =7
1
3
1
4
2
7
2
5
1
6
5
6
& =4
3
6
3
7
1
4
6
2
5
7
3
1
4
2
5
2
3
1
4
6
7
1
7
3
7
1
4
1
4
2
3
1
3
4
& =3
1
3
2
2
5
5
62
Número de canais por célula ou setor
63 canais e N = 3
Sem Setorização
Com Setorização
63
Exercício:
3) Número de canais por célula ou setor:
63 canais e N = 7
Sem Setorização
Com Setorização
64
Comparação do Tamanho do Cluster
Cluster com 63 canais
N
q
Canais/Setor
Capacidade Interferência
de Tráfego
Q
1
3
4
7
65
Interferência Co- Canal
Interferência devido ao sinal das células de
outros clusters, que operam com o mesmo
conjunto de canais de RF.
5
3
7
1
6
2
4
5
3
7
1
6
2
4
66
Interferência Co-Canal
Célula intereferida
1
12
11
Células intereferentes
do 2º anel de cocélulas
2
1
6
10
Células intereferentes
do 1º anel de cocélulas
3
2
5
9
3
4
8
4
5
7
6
67
Interferência Co-Canal
Cálculo da relação S/I:
S
=
I
S
6
∑I
k 1=1
k1
12
18
k 2 =1
k 3=1
+ ∑ I k 2 + ∑ I k 3 + ...
S = C .d −γ
• intensidade do sinal da ERB a uma distância d do receptor.
I kn = C ⋅ Dkn−γ
• intensidade do sinal interferente devido a uma célula no nésimo 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 fatores de perda de propagação que não a
distância.
68
Cálculo da Interferência Co-Canal
Para um móvel na
fronteira da
célula (pior caso):
S
C ⋅ d −γ
=
I 6 ⋅ C ⋅ D −γ + 12 ⋅ C ⋅ (2 D )−γ + 18 ⋅ C ⋅ (3D )−γ + ...
S
1
=
−γ
∞
I
D
6  ⋅ ∑ k 1−γ
R
k =1
S
qγ
1
=
=
−γ
I
6
D
6 
R
Considerando
apenas o
1º anel:
Interferência co-canal para diferentes planos de reuso (γ=4).
N=4
N=7
N=9
N = 12
N = 19
S/I (dB)
69
Exercício:
4) Calcule a interferência co-canal relativa ao primeiro anel interferente.
S qγ
=
I
6
γ =2
N
Decimal
dB
γ =4
Decimal
dB
3
4
7
9
12
70
Exercício:
5) Calcule o acréscimo na interferência co-canal relativa ao segundo anel
interferente.
γ =2
N
Decimal
dB
γ =4
Decimal
dB
3
4
7
9
12
71
Setorização
•
Dividir a célula em setores, cada um servido por um conjunto diferente de
canais e iluminado por uma antena direcional.
•
Na prática, divisões em 3 ou 6 setores.
•
O grande benefício da setorização é reduzir a interferência co-canal.
•
Em sistemas FDMA e TDMA a setorização provoca uma redução na
capacidade de tráfego do cluster.
•
Em sistemas CDMA a setorização provoca um aumento da capacidade
de tráfego do cluster.
•
A setorização obriga que se execute um handoff quando o móvel passa de
um setor para outro da mesma célula, denominado handoff intra-celular.
72
Cálculo da Interferência Co-Canal
A relação sinal/interferência considerando
apenas o primeiro anel interferente com a
setorização tripla é dada por:
S qγ
=
I
2
73
Interferência de Canal Adjacente
Interferência de canal adjacente devido ao reuso de freqüência.
Interferência
Intercélula
Interferência
Intercluster
5
(5,12,19)
5
(5,12,19)
7
(7,14,21)
3
(3,10,17)
1
(1,8,15)
4
(4,11,18)
2
(2,9,16)
6
(6,13,20)
2
(2,9,16)
6
(6,13,20)
1
(1,8,15)
2
(2,9,16)
6
(6,13,20)
1
(1,8,15)
7
(7,14,21)
3
(3,10,17)
7
(7,14,21)
3
(3,10,17)
5
(5,12,19)
4
(4,11,18)
4
(4,11,18)
74
Interferência de Canal Adjacente
A interferência de canal adjacente é dada por
γ
 d cai 
 − IC
ICA = −10 Log10 
 dc 
d cai
• 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, depende do circuito de sintonia do
móvel (valor típico de 26 dB).
75
Tamanho das Células
Tipo
Macrocélula
Microcélula
Picocélula
Diâmetro
2 a 20 km
0,4 a 2 km
20 a 400 m
Potência tx
0,6 a 10 W
< 20 mW
alguns mW
Altura da Antena
> 30 m
> 10 m
Teto
γ
2a5
Terreno Plano
1,2 a 6,8
Tipo de Sinal
Rayleigh e
Rice e
Rice
Lognormal
Lognormal
Atraso
< 8 µs
< 2 µs
50 a 300 ns
Cobertura
Rural
Urbana
Indoor
76
Conceito de Tráfego e a
Capacidade dos Sistemas Celulares
• O objetivo da engenharia de tráfego consiste em prover serviços de comunicação,
numa determinada área geográfica, para um determinado número de usuários, com
um certo grau de serviço (GOS).
• O GOS é definido como o valor percentual da probabilidade de bloqueio, ou seja, a
probabilidade de que o assinante não consiga acesso imediato ao serviço por
inexistência de canal disponível ou incapacidade do sistema de completar a
conexão, baseado na demanda de serviço na hora de maior movimento (HMM).
• A engenharia de tráfego deve estabelecer e garantir um GOS que represente:
• (a) um bom compromisso entre o custo de implantação e a operação do
sistema,
• (b) uma boa receita e satisfação do usuário.
77
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.
ρC
PrB = Erl ( ρ , C ) =
C!
C
∑
i =0
ρi
i!
onde ρ é o tráfego oferecido, PrB a probabilidade de bloqueio e C o número
de canais do sistema.
78
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:
& assinantes
ρ ⋅ Tobs
=
µ ⋅n
• Nassinantes é o número de assinantes,
• Tobs é o tempo de observação do sistema,
• µ é o tempo de duração médio de uma chamada feita por um assinante,
• n é o número médio de chamadas durante o tempo de observação que um
assinante faz na HMM.
79
Tabela de Tráfego
C
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
1%
0.010
0.153
0.455
0.869
1.361
1.909
2.501
3.128
3.783
4.461
5.160
5.876
6.607
7.352
8.108
8.875
9.652
10.437
11.230
12.031
12.838
13.651
14.470
15.295
16.125
2%
0.020
0.223
0.602
1.092
1.657
2.276
2.935
3.627
4.345
5.084
5.842
6.615
7.402
8.200
9.010
9.828
10.656
11.491
12.333
13.182
14.036
14.896
15.761
16.631
17.505
5%
0.053
0.381
0.899
1.525
2.218
2.960
3.738
4.543
5.370
6.216
7.076
7.950
8.835
9.730
10.633
11.544
12.461
13.385
14.315
15.249
16.189
17.132
18.080
19.031
19.985
10%
0.111
0.595
1.271
2.045
2.881
3.758
4.666
5.597
6.546
7.511
8.487
9.474
10.470
11.473
12.484
13.500
14.522
15.548
16.579
17.613
18.651
19.692
20.737
21.784
22.833
50%
1.000
2.732
4.591
6.501
8.437
10.389
12.351
14.320
16.294
18.273
20.254
22.238
24.224
26.212
28.201
30.191
32.182
34.173
36.166
38.159
40.153
42.147
44.142
46.137
48.132
C
26
27
28
29
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
100
110
120
130
140
150
1%
16.959
17.797
18.640
19.487
20.337
24.638
29.007
33.432
37.901
42.409
46.950
51.518
56.112
60.728
65.363
70.016
74.684
79.368
84.064
84.064
93.493
102.964
112.471
122.041
131.656
2%
18.383
19.265
20.150
21.039
21.932
26.435
30.997
35.607
40.255
44.936
49.644
54.376
59.129
63.900
68.688
73.490
78.306
83.133
87.972
87.972
97.678
107.419
117.190
127.006
136.837
5%
20.943
21.904
22.867
23.833
24.802
29.677
34.596
39.550
44.533
49.539
54.566
59.609
64.667
69.738
74.820
79.912
85.014
90.123
95.240
95.240
105.494
115.771
126.066
136.388
146.694
10%
23.885
24.939
25.995
27.053
28.113
33.434
38.787
44.165
49.562
54.975
60.401
65.839
71.286
76.741
82.203
87.672
93.146
98.626
104.110
104.110
115.089
126.082
137.087
148.105
159.126
50%
50.128
52.124
54.120
56.117
58.113
68.099
78.088
88.079
98.072
108.066
118.061
128.057
138.053
148.050
158.047
168.044
178.042
188.040
198.038
198.038
218.035
238.032
258.029
278.028
298.026
80
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.
81
Planejamento de frequências
• Cada conjunto de 395 canais de voz é dividido em 21 subconjuntos
com 19 canais cada.
• Em cada cluster de 7 células, cada célula utiliza 3 subconjuntos de
forma que a separação mínima entre canais seja de 7 bandas de um
canal - redução de interferência de canal adjacente.
• Como mostrado na tabela a seguir, cada célula num cluster utiliza
canais dos subconjuntos iA, iB e iC, i = 1, 2, ..., 7.
• O número máximo de canais de voz por célula é de 57 (podem existir
mais, mas nessa situação pode haver aumento excessivo de
interferência de canal adjacente, pois a regra de distribuição acima
mencionada será quebrada).
• Cada célula terá de 1 a 3 canais de controle.
82
CDMA
Planejamento de frequências
1A
1
22
43
64
85
106
127
148
169
190
211
232
253
274
295
313
670
691
712
1003
2A
2
23
44
65
86
107
128
149
170
191
212
233
254
275
296
314
671
692
713
1004
3A
3
24
45
66
87
108
129
150
171
192
213
234
255
276
297
315
672
693
714
1005
4A
4
25
46
67
88
109
130
151
172
193
214
235
256
277
298
316
673
694
715
1006
5A
5
26
47
68
89
110
131
152
173
194
215
236
257
278
299
317
674
695
716
1007
6A
6
27
48
69
90
111
132
153
174
195
216
237
258
279
300
318
675
696
1008
7A
7
28
49
70
91
112
133
154
175
196
217
238
259
280
301
319
676
697
1009
1B
8
29
50
71
92
113
134
155
176
197
218
239
260
281
302
320
677
698
1010
2B
9
30
51
72
93
114
135
156
177
198
219
240
261
282
303
321
678
699
1011
3B
10
31
52
73
94
115
136
157
178
199
220
241
262
283
304
322
679
700
991
1012
4B
11
32
53
74
95
116
137
158
179
200
221
242
263
284
305
323
680
701
992
1013
5B
12
33
54
75
96
117
138
159
180
201
222
243
264
285
306
324
681
702
993
1014
6B
13
34
55
76
97
118
139
160
181
202
223
244
265
286
307
325
682
703
994
1015
7B
14
35
56
77
98
119
140
161
182
203
224
245
266
287
308
326
683
704
995
1016
1C
15
36
57
78
99
120
141
162
183
204
225
246
267
288
309
327
684
705
996
1017
2C
16
37
58
79
100
121
142
163
184
205
226
247
268
289
310
328
685
706
997
1018
3C
17
38
59
80
101
122
143
164
185
206
227
248
269
290
311
329
686
707
998
1019
4C
18
39
60
81
102
123
144
165
186
207
228
249
270
291
312
330
687
708
999
1020
5C
19
40
61
82
103
124
145
166
187
208
229
250
271
292
331
667
688
709
1000
1021
6C
20
41
62
83
104
125
146
167
188
209
230
251
272
293
332
668
689
710
1001
1022
Os canais de controle estão marcados em amarelo.
7C
21
42
63
84
105
126
147
168
189
210
231
252
273
294
333
669
690
711
1002
1023
83
Exercício:
7) Calcule a capacidade (N = 7, 3 setores) de um sistema com 395 de voz.
84
Conceitos Sobre Sistema Digitais
85
Interface Aérea - TDMA
Parâmetro
Especificação
Múltiplo acesso
TDMA / FDD
Modulação
π/4 DQPSK
Largura do canal
30 kHz
Taxa de dados (ambos enlaces)
48,6 kbps
Eficiência espectral
1,62 b/s/Hz
Codificação de canal
CRC de 7 bit e convolucional de taxa1/2 e k=6
Usuários por canal
3 (full-rate), vocoder de 7,95 kbps/usuário
86
Interface Aérea - TDMA
Exercício:
8) Calcule o número simultâneo de usuários que um sistema com 416 canais
ocupando uma largura de faixa disponível de 12,5 Mhz com BWcanal = 30 Khz, 7
células, tri setorizadas com 3 slots/canal. Suponha ainda que existam 21 canais de
controle com as mesma especificações digitais.
87
Interface Aérea - TDMA
1
6 slots em cada quadro
2
3
4
5
6
Slot
324 bits
6,66... ms
Canais Half-Rate 3,975 kbps
Quadro TDMA
40 ms
Canais Full-Rate 7,95 kbps
1 slot por usuário
2 slot por usuário
6 usuários por canal de RF
3 usuários por canal de RF
30kHz
f
30kHz
f
88
Interface Aérea - TDMA
Exercício:
9) Calcule a capacidade (N = 7) de um sistema baseado na técnica TDMA para 395
de voz e 21 de controle.
89
Interface Aérea - TDMA
Exercício:
10) Calcule as seguintes taxas do sistema digital TDMA com as características
apontadas:
a) Taxa total do sistema.
b) Eficiência espectral.
90
Interface Aérea – TDMA - 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
91
Interface Aérea – TDMA - GSM
200 kHz
1
2
3
4
5
7
6
8
Slot
576,875 µs
Quadro TDMA - 4,615 ms
200 kHz
f
92
Interface Aérea – TDMA - GSM
Eficiência Espectral
Eficiência é uma das características mais desejadas em um sistema de comunicação.
Bω & C
B &
1
ηm = C
∴η m =
Bω & C AC
BC &AC
onde: η m ⇒ eficiência da mod ulação (canais / MHz / km 2 )
Bω ⇒ L arg ura de faixa do sistema (MHz )
BC ⇒ Espeaçamento do canal (MHz )
& C ⇒ &úmero total de células na área de cobretura
& ⇒ Fator de reuso de freqüencia do sistema
AC ⇒ Área de cobertura da célula
93
Interface Aérea – TDMA - GSM
Eficiência Espectral
Outra definição de eficiência espectral da modulação é feita em Erlangs/MHz/ km2.
Tráfego total do sistema
ηm =
(L arg ura de faixa )(Cobertura total )
94
Interface Aérea – TDMA - GSM
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
•No médio de chamadas por usuários durante a hora de maior movimento = 1.2
•Tempo médio de manutenção de uma chamada = 100 s
•Probabilidade de bloqueio de chamada = 2%
•Fator de reuso = 4.
95
Eficiência Espectral para Múltiplo Acesso
•
Eficiência Espectral FDMA.
BC & T
ηa =
≤1
Bω
onde: η a ⇒ eficiência espectral do múltiplo acesso
&T ⇒ &úmero total de canais de voz na área de cobertura
•
Eficiência Espectral TDMA.
onde: τ ⇒ Duração de um time slot
τ MT
η a = 
 Tf
 Bu & u

 B
 ω



T f ⇒ Duração do quadro( frame )
M t ⇒ número de time slots por quadro
Bu ⇒ L arg urade faixa de um usuário durante o seu time slot
& u ⇒ &úmero de usuáiros compartilhando o mesmo time slot no sistema,
mas tendo acesso em freqüências diferentes
96
Eficiência Espectral para Múltiplo Acesso
Exercício:
12) Em um sistema celular TDMA, a largura de faixa de downlink é de 12.5 MHz.
O espaçamento de canal é de 30KHz, e existe 395 canais de voz neste sistema.
A duração de um quadro é 40 ms, com 6 times slots por quadro. Calcular a
eficiência do sistema TDMA.
97
Eficiência Espectral do Quadro TDMA
•
Eficiência Espectral do quadro TDMA.
η=
&u R
(bits / seg / Hz )
Bω
onde: R ⇒ Taxa de bit de inf ormação
& u ⇒ &úmero total de canais por célula
98
Eficiência Espectral do Quadro TDMA
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.
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.
99
Interface Aérea – CDMA - DSSS
• Utiliza técnica de espalhamento espectral por sequência direta.
• Enlace direto: Códigos Walsh para ortogonalidade entre os usuários,
sequência longa (comprimento de 242 - 1 chips), espalhamento em
quadratura por sequências piloto de comprimento 215 chips a
1,2288Mchips/s.
• Enlace reverso: Códigos Walsh para modulação ortogonal; espalhamento
pelo código longo (1,2288Mchips/s).
100
Interface Aérea – CDMA - DSSS
3
2
Código P& = x + x + 1
1
0
1
0
•
•
50
100
150
200
250
300
Função de auto-correlação entre duas sequências PN iguais.
Função de correlação cruzada entre duas sequências PN distintas.
101
Interface Aérea – CDMA - DSSS
Código Ortogonal: Walsh
 H1
H1 = [1] → H 2 = 
 H1
H1 
H 2
→ H4 = 

− H1 
H 2
H2 
H 4
→ H8 = 

− H2 
H 4
H4 
− H 4 
1 1 1 1
1 − 1 1 − 1
1 1


→
=
H1 = [1] → H 2 = 
H
4

1 1 − 1 − 1
1
−
1




1 − 1 − 1 1
102
Interface Aérea – CDMA - DSSS
Funcionamento do Código de Walsh
w1 (t )
w1 (t )
s1 (t )
w2 (t )
r (t )
s2 (t )
Filtro
w3 (t )
s3 (t )
w4 (t )
s4 (t )
∑
s~1 (t )
1 1 1 1 w1
1 − 1 1 − 1 w
 2
H4 = 
1 1 − 1 − 1 w3


1
−
1
−
1
1

 w4
103
Interface Aérea – CDMA - DSSS
Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência (FDMA)
Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA)
104
Interface Aérea – CDMA - DSSS
CDMA- Ganho de Processamento
Uma das maiores vantagens de um sistema SS é sua robustez contra interferência. O ganho de
processamento (Gp) quantifica o grau de rejeição a interferência. O ganho de processamento é
a taxa entre a largura de faixa de RF e a taxa de informação.
GP =
Bω
R
Tipicamente o ganho de processamento está entre 20 e 60 dB.
Exercício:
15) Calcule o ganho de processamento para um sistema DSSS que tem 10 Megachips por
segundo (Mcps) de taxa de relógio e 4.8 kbps de informação. Qual será amelhora no
ganho de processamento se a taxa de geração de código é alterada para 50 Mcps? Existe
alguma vantagem em aumentar a taxa de geração para uma taxa de informação de 4.8
kbps?
105
Interface Aérea – CDMA - DSSS
CDMA - Desempenho do sistema
A relação entre o número de usuários móveis, M, o ganho de processamento Gp e a relação
sinal ruído (Eb/No) pode ser calculada por:
GP
1
1
M=
.
.α . .λ
Eb & o 1 + β
υ
Onde: β ⇒ int erferência de células vizinhas na mesma freq. CDMA. β (0.4 − 0.55)
α ⇒ Potência de controle. (0.5 − 0.9)
υ ⇒ int erferência devido a atividade vocal (0.45 − 1)
λ ⇒ fator int erferente entre as antenas.(tri _ setor : λ = 2,55)
106
Interface Aérea – CDMA - DSSS
CDMA- Desempenho do sistema
Exercício:
16) Um sistema CDMA, opera em uma taxa de Chip de 1,2288Mcps com uma taxa de dados
de 9.6 kbps. Eb/No igual a 6.8 dB. Estimar o número médio de usuários que podem ser
atendidos por uma célula tri-setorizada. Assuma: Interferência entre células vizinhas
50%; fator de atividade vocal 60%; fator de controle de potência 0.85 e fator de
interferência entre as antenas 2,55.
Exercício:
17) Estimar o número de usuários móveis que podem ser atendidos por uma sistema CDMA
usando uma largura de faixa em RF de 1,25 MHz para transmitir dados a uma taxa de
14.4 kbps e 384 kbps. Assuma: Eb/No = 6 dB; interferência entre células vizinhas 60%;
fator de atividade vocal 50%; fator de controle de potência 0.80 e fator de interferência
entre as antenas 2,55.
107
FIM
108