Sistemas de Comunicações Móveis. Redes Celulares

Transcrição

1 Redes Celulares

2 Sistemas Celulares SiCe (1/6) 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.

3 Sistemas Celulares SiCe (2/6) 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.

4 Sistemas Celulares SiCe (3/6) 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.

5 A arquitectura típica é: Sistemas Celulares SiCe (4/6) Handover [Fonte: Yacoub, 1993]

6 Sistema NAMTS NMT AMPS C TACS R2000 RMTS GSM IS-54 PDC cdmaone UMTS Início Sistemas Celulares País J N, S USA D UK F I EU USA J USA EU, J Banda [MHz] , , , SiCe (5/6) Canal [khz]

7 Sistemas Celulares Evolução da penetração em Portugal SiCe (6/6) Assin. [1 000] 1 Jan. 89 Jan. 90 Jan. 91 Jan. 92 Jan. 93 Jan. 94 Jan. 95 Jan. 96 Jan. 97 Jan. 98 Jan. 99 Jan. 00 Jan. 01 Jan. 02 Jan. 03 Jan. 04 Ano GSM-Vod. GSM-TMN C-TMN GSM-Opt. Total [Fonte: Anacom, 2004]

8 Arquitectura das Redes Estrutura actual do GSM MS BSS ArRe (1/9) PS (GPRS) [Fonte: Agilent, 2002] CN CS (voz,hscsd)

9 Arquitectura das Redes 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 ArRe (2/9)

10 Arquitectura das Redes A rede rádio do GSM é ArRe (3/9) Core Network A A BSS BSS BSC BSC Abis Abis Abis Abis BS BS BS BS Um Um Um Um Um Um MS MS [Fonte: ETSI, 1991] MS MS MS MS

11 onde Arquitectura das Redes Core Network ArRe (4/9) MSC/VLR SGSN A CS A PS A [Fonte: ETSI, 1997] A

12 Arquitectura das Redes ArRe (5/9) 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

13 Arquitectura das Redes A rede do UMTS (UTRAN) é ArRe (6/9) Core Network Iu Iu RNS RNC Iur RNS RNC Iub Iub Iub Iub Node B Node B Node B Node B Uu Uu Uu Uu Uu Uu UE UE [Fonte: 3GPP, 2000] UE UE UE UE

14 onde Arquitectura das Redes Core Network ArRe (7/9) MSC/VLR SGSN Iu CS Iu PS Iu [Fonte: 3GPP, 2000] Iu

15 Arquitectura das Redes ArRe (8/9) 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

16 Arquitectura das Redes Estrutura do UMTS sobre o GSM ArRe (9/9) [Fonte: Agilent, 2002]

17 Planeamento Celular PlCe (1/14) 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.

18 Planeamento Celular PlCe (2/14) No problema ideal, pretende-se cobrir a área de serviço com células iguais, sem lacunas ou sobreposições. Usando polígonos regulares com N l lados, onde o ângulo interno é dado por Nl 2 γ i = π N l é necessário que este seja um divisor inteiro de 2π 2π γ i =, p IN p

19 Planeamento Celular PlCe (3/14) 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.

20 Planeamento Celular PlCe (4/14) A área de serviço é coberta por células hexagonais r [Fonte: Yacoub, 1993]

21 Planeamento Celular PlCe (5/14) Considerando: R: raio de cobertura das células D r : distância de reutilização entre células cocanal d u : distância unitária entre os centros de duas células adjacentes d u = 3 R pode escrever-se D r = D n d u onde a distância de reutilização normalizada vem D 2 n = i 2 + ij + j 2., i, j IN 0, i = 0 j = 0

22 Planeamento Celular PlCe (6/14) 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, N cc = N cs /N cp onde N cc : número de canais por célula N cs : número de canais no sistema N cp : 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.

23 Planeamento Celular Dada a área de uma célula, S cel, S 2 cel = 3 2) du = ( (3 3 2) R e a área de um padrão, S pad, S = pad 2 2 ( 3 2) Dn du o número de células no padrão vem 2 PlCe (7/14) N cp = S pad /S cel = i 2 + ij + j 2, i, j IN 0, i = 0. j = 0 sendo valores possíveis N cp = 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13,

24 Planeamento Celular Exemplos de padrões celulares PlCe (8/14) r r r [Fonte: Yacoub, 1993]

25 Planeamento Celular PlCe (9/14) Um parâmetro usado para a caracterização dos padrões é a razão de reutilização co-canal, r cc : rcc = Dr / R = 3Ncp Um maior valor de r cc 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, N cp = 7, GSM, N cp = 4, UMTS, N cp = 1.

26 Planeamento Celular Exemplo de plano de cobertura, para N cp = 7. PlCe (10/14) [Fonte: Yacoub, 1993]

27 Planeamento Celular PlCe (11/14) Em condições reais, as células não possuem a forma hexagonal. [Fonte: Lee, 1989] As grelhas de hexágonos são importantes para localizar as estações base nos seus centros.

28 Planeamento Celular PlCe (12/14) Em condições reais, a distribuição do tráfego não é uniforme. [Fonte: E-Plus, 1999]

29 Planeamento Celular PlCe (13/14) Quando a densidade de tráfego não é uniforme, usam-se células de dimensões diferentes. [Fonte: Yacoub, 1993]

30 Planeamento Celular PlCe (14/14) 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.

31 Planeamento de Frequências PlFr (1/5) 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.

32 Planeamento de Frequências PlFr (2/5) O número de frequências (canais rádio) por célula, N cr, depende do padrão celular, N cp, e do total de frequências do sistema, N fs, N cr = N fs /N cp Devido à limitação do número de frequências, tem que haver um compromisso entre a relação portadora/interferência (N cp ) e a capacidade de tráfego (N cr ). A distribuição de canais pelas células deve minimizar a interferência de canal adjacente, maximizando-se a separação entre canais de uma mesma célula.

33 Planeamento de Frequências Num sistema celular simples, a atribuição de portadoras às células deve ser feita de acordo com f ij = i + N cp (j -1) PlFr (3/5) i = 1,..., N cp j = 1,..., N cr Quando se utiliza N sc sectores por célula, deve constituir-se subgrupos de canais com cada um dos sectores das células, isto é, f ijk = i + N cp (k -1) + N sc N cp (j -1) i = 1,..., N cp j = 1,..., N cr k = 1,..., N sc

34 Planeamento de Frequências PlFr (4/5) 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.

35 Planeamento de Frequências PlFr (5/5) 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.

36 Interferência Co-Canal InCC (1/15) Em geral, no receptor tem-se C I + N 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 C C I + N I

37 Interferência Co-Canal Esquematicamente, tem-se InCC (2/15) C/N Problemas de interferência Bom desempenho C/N limiar Problemas de cobertura Problemas de cobertura C/I limiar C/I

38 Interferência Co-Canal InCC (3/15) 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 P P r r r ( ) n = 0 0

39 Interferência Co-Canal Tome-se duas células interferentes R X InCC (4/15) A D r B as potências médias que atingem X são P r A Pr B logo C = I ( R r ) n [( D R) r ] n = P0 0 = P0 r 0 ( 1) n r cc

40 Interferência Co-Canal InCC (5/15) Num sistema celular em geral, a interferência é obtida a partir de todas as células co-canal, N Icc, C C = N I Icc I k k= 1 Normalmente, a interferência pode ser estimada a partir apenas das células do 1º anel de interferência C I = 6 C k= 1 I k

41 Interferência Co-Canal Geometria do 1º anel de interferência InCC (6/15) [Fonte: Shankar, 2002]

42 Interferência Co-Canal A interferência co-canal é estimada como n C R = n n n I 2 D R + 2D + 2 D + R ( ) ( ) r 1 = n n 2 rcc 1 + 2rcc + 2 rcc + 1 que pode ainda ser aproximada por ( ) ( ) n n C r = cc I 6 tomando-se, numa perspectiva pessimista, n ( 1) ( 3 1) n C r N cc cp = = I 6 6 r r InCC (7/15)

43 Interferência Co-Canal InCC (8/15) 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.

44 Interferência Co-Canal InCC (9/15) O valor limite tolerado (razão de protecção) R p = (C/I) min depende do tipo de sistema: analógicos, R p 18 db, GSM, R p =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.

45 Interferência Co-Canal InCC (10/15) 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) P N ( C I ) = P( C I k ) p ( k ) ia k= 1 cia onde N ia : número de células interferentes activas P(C/I k): probabilidade de falha condicionada ao número de interferências p cia (k): função densidade de probabilidade do número de células interferentes activas.

46 Interferência Co-Canal Considera-se que existe interferência quando C C > N N C > C min min C C I > C R < p I I min resultando P ( C I N ) = 1 p( C) p( I ) di dc ia C min C / R InCC (11/15) onde p(c), p(i): função densidade de probabilidade das potências dos sinais. 0 p

47 Interferência Co-Canal InCC (12/15) Considerando que o sinal e a interferência sofrem desvanecimento descrito pela Distribuição de Rayleigh 1 x x p( x) = e, x = C, I x vindo para o caso de interferência pura, C min = 0, N ( C I 1) ( ) = ia k l Rp P C I Nia, C I0 = 1 1+ C I R k= 1 l= 1 ( ) donde, quando as interferências são todas iguais, N ( ) ia C I Rp P( C I Nia ) = 1 1+ C I R ( ) l p p

48 Interferência Co-Canal InCC (13/15) Não existe solução analítica para P(C/I N ia ) quando o desvanecimento do sinal e da interferência é descrito pelas Distribuições Log-Normal ou de Suzuki. Considera-se a ocupação dos canais descrita pela Distribuição de Bernouli sc 1 sc p( sc ) = Pca (1 Pca), sc = 0,1 onde s c : estado do canal (1- activo, 0- inactivo) P ca : probabilidade de o canal estar activo

49 Tomando canais independentes, com Distribuição Uniforme, o número de canais interferentes activos é descrito pela Distribuição Binomial, resultando para N Icc = 6, p cia com ( N ia 6 ) = N ia = s c k= 1 Interferência Co-Canal k 6 N ia P N ca (1 P ia N ia ca ) 6 InCC (14/15)

50 Interferência Co-Canal A probabilidade de falha vem P(C/I) σ = 6 db P ca = 0.75 InCC (15/15) P(C/I 6) σ = 6 db P(C/I 1) σ = 6 db P(C/I) σ = 0 P ca = 0.75 P(C/I 1) σ = 0 P(C/I 6) σ = 0 [Fonte: Yacoub, 1993] ( C I ) [db] R p

51 Sectorização Sect (1/3) 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.

52 Sectorização No caso de tri-sectorização tem-se. Sect (2/3) [Fonte: Stueber, 1996]

53 Sectorização Sect (3/3) A interferência co-canal vem reduzida, tendo-se para a tri-sectorização. C 1 = n I r cc + r + 1/ 2 ( ) n cc

54 Interferência Canal Adjacente InCA (1/4) 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.

55 Interferência Canal Adjacente InCA (2/4) O isolamento entre canais adjacentes pode ser estimado por KF [db/oit] fsc fcr IFca [db] = log fcr / 2 onde f cr : largura de banda do canal f sc : separação dos canais K F : característica do filtro

56 Interferência Canal Adjacente InCA (3/4) A interferência canal adjacente é também afectada pela atenuação de propagação, isto é, há que considerar também a diferença de percursos (efeito perto-longe) ds Lpca [db] = 10 nlog di onde n: parâmetro do decaimento médio da potência d s : distância do emissor do sinal ao receptor d i : distância do emissor da interferência ao receptor

57 A interferência canal adjacente pode ser estimada por C/I ca [db] = P Tx [db] + I Fca [db] - L pca [db] onde Interferência Canal Adjacente InCA (4/4) P Tx : diferença entre as potências transmitidas pelos emissores do sinal e interferente. A interferência total é dada por C I + I ca