ESPECIALIZAÇÃO EM COMUNICAÇÕES MÓVEIS

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1 ESPECIALIZAÇÃO EM COMUNICAÇÕES MÓVEIS Mobile Access Network e 3G (Parte 1) 1

2 Professor Maurício Vianna Ø Pós-Graduado pela Universidade Estácio de Sá MBA em Planejamento Estratégico (2015) e pela PUC-Rio Redes de Computadores (2003); Engenheiro Eletrônico com ênfase em Telecomunicações pelo Inatel (Instituto Nacional de Telecomunicações) (1998) e Técnico em Eletrônica pela Escola Técnica Pandiá Calógeras (1992). Ø Trabalhou na BCP Telecomunicações, Telesp Celular e Nortel na área de design, otimização e planejamento de rede de acesso móvel, na Vivo como gerente responsável pela especificação de terminais e SIM cards e atualmente ocupa a função de especialista em planejamento em rede de acesso móvel da TIM Brasil, onde atuou também como coordenador e especialista em inovação e novas tecnologias. 2

3 Avaliação Ø Prova com 20 questões de múltipla escolha (4 alternativas). Ø Sem consulta e individual. Ø As questões serão formuladas com base nos slides desta apresentação marcados com Ø Será aplicada entre 20h30 e 21h30 da ultima aula deste módulo. Ø Os alunos que não comparecerem no dia determinado, deveram efetuar a avaliação em outra aula (de qualquer disciplina) do mesmo professor. O agendamento deve ser feito com a secretaria do curso. Ø Os alunos que não obtiverem a nota mínima (6,0), deverão apresentar um trabalho com tema a ser definido. Neste caso, a nota final será a média entre a nota da prova e a nota do trabalho. 3

4 Índice Introdução Rede de Acesso Móvel Tráfego Espectro de Frequência Propagação Antenas Interferências Link Budget Técnicas de Múltiplos Acessos Sistemas CDMA Sistemas móveis de 3a. Geração (3G) UMTS 4

5 Introdução 5

6 Introdução Objetivo do Curso Expor: O conceito básico da rede de acesso móvel, suas principais funcionalidades e características. Conceitos e características básicas de espectro de frequência, propagação, antenas, interferências e link budget, direcionados para aplicações em sistemas móveis. As técnicas de múltiplos acessos utilizados em sistemas móveis. Os principais conceitos, características e particularidades dos sistemas CDMA. Visão conceitual dos sistemas de terceira geração (3G). Visão detalhada das características e funcionalidades do sistema UMTS, com foco especificamente no UTRAN. 6

7 Introdução A evolução das comunicações sem fio Guglielmo Marconi ØA invenção do rádio - Bologna - 3Km - a letra S ØA 1a. transmissão trans-oceânica Cornwall (U.K) a Newfoundland (U.S.A.) Marconi em Newfoundland O transmissor de Bologna 7

8 Introdução A evolução das comunicações móveis 1921: Sistema rádio móvel da polícia de Detroit operando em 2 MHz - AM. 8

9 Introdução Histórico desenvolvimento do receptor super-heterodino invenção da modulação em frequência primeiro serviço móvel manual de telefonia pública nos Estados Unidos (150 MHz), consequência direta do desenvolvimento tecnológico realizado durante a 2ª Guerra Mundial serviço móvel para autoestrada (35 MHz) serviço móvel manual em 450 MHz serviço automático em 150 MHz denominado IMTS (Improved Mobile Telephone System) serviço automático (IMTS) em 450 MHz atribuição pela FCC (Federal Communication Commission) nos Estados Unidos da faixa de 800 MHz para telefonia móvel celular.

10 Introdução Histórico é instalado em Tóquio (Japão) a primeira rede móvel início da operação de uma rede móvel integrando os países nórdicos (Dinamarca, Suécia, Noruega e Finlândia) implementação do sistema Total Access Communication System - TACS no Reino Unido. Ainda na década de 80 foram iniciados estudos nos Estados Unidos, Europa e Japão visando desenvolver sistemas que operassem com tecnologia digital e atendessem a critérios de melhor qualidade, maior capacidade e robustez quanto a interferências. Tais sistemas foram implementados já na década de 90, resultando nos atuais padrões digitais que constituem a 2ª geração da telefonia celular: ØIS padrão digital americano com técnica de acesso TDMA ØIS-95 - padrão digital americano com técnica de acesso CDMA ØGSM - padrão digital europeu com técnica de acesso TDMA ØPDC - padrão digital japonês com técnica de acesso TDMA

11 Introdução Histórico Os sistemas móveis de 1a. Geração (analógicos) utilizam modulação FM, técnica de acesso FDMA e oferecem apenas serviços de voz, com baixa capacidade Os sistemas móveis de 2a. Geração (digitais) foram desenvolvidos para prover maior capacidade, utilizando técnicas de modulação mais avançadas, técnicas de acesso TDMA e CDMA, oferecendo principalmente serviços de voz mas também de dados a baixas taxas. 11

12 Introdução A Estrutura Celular Concebida nos Laboratórios Bell (Bell Labs - USA) em Somente após a decisão da FCC de atribuir uma faixa de frequência em 800 MHz para a telefonia celular foi possível iniciar testes de campo visando a implantação do novo serviço. Instalado em 1978 na cidade de Chicago (USA), um sistema experimental com base no padrão analógico AMPS (Advanced Mobile Phone System) desenvolvido nos Laboratórios Bell. Por problemas de regulamentação, este sistema começou a operar comercialmente 5 (cinco) anos mais tarde, em Neste período a telefonia celular foi introduzida em diversos outros países, com padrões também analógicos que tiveram o AMPS por referência.

13 Rede de Acesso Móvel 13

14 Estrutura da Rede de Acesso Móvel Genericamente constituído por 3 elementos básicos: Ø Terminal ou Estação Móvel (UE - User Equipment) Ø Ø É o elemento que possibilita ao usuário acessar determinado serviço oferecido pela rede (voz ou dados). Rede de Acesso (RAN - Radio Access Network) Constitui a interface entre o terminal móvel e o Núcleo da Rede através dos elementos Estação Rádio Base e Controlador de Rede de Acesso (opcional), tendo a responsabilidade de garantir a cobertura da célula, na qual os terminais móveis podem ocupar aleatoriamente qualquer posição. Núcleo da Rede (CN - Core Network) Provê a conexão com a rede de telefonia fixa (RTPC Rede de Telefonia Pública Comutada) ou Internet, sendo também o elemento responsável pelo controle, comutação, roteamento, tarifação das conexões e pelo gerenciamento da Rede de Acesso.

15 Estrutura da Rede de Acesso Móvel Tem a célula como sua unidade de referência. Em função de sua dimensão e hierarquia de camada de cobertura, a célula pode receber designações distintas, como, por exemplo: ØMacrocélula camada mais alta para cobertura e mobilidade de grandes áreas externas com raios entre centenas de metros ou dezenas de quilômetros, tipicamente em áreas urbanas menos densas, rurais e estradas. ØCélula camada intermediária para cobertura externa e interna de edificações com raios de cobertura entre centenas de metros ou poucos quilômetros, típicas de áreas urbanas entre médias e densas. ØMicrocélula para cobertura externa e interna pontualmente localizada com raios de cobertura entre poucas dezenas ou centenas de metros, típicas de áreas urbanas densas de alto tráfego. ØPicocélula para cobertura em ambientes interiores ou área externa muito pontual com raios de coberturas na ordem de poucas dezenas de metros. ØFemtocélula - ambientes interiores, com raios de coberturas de poucos metros.

16 Estrutura da Rede de Acesso Móvel Rede de Acesso (RAN) E R B E R B E R B E R B EM Controla dor da Rede de Acesso (Opciona l) Núcleo da Rede (CN) RTPC Núcleo da Rede (CN) Intern et E R B EM Estação Móvel (UE) ERB Estação Rádio Base RTPC Rede de Telefonia Pública Comutada RAN Radio Access Network CN Core Network

17 Reuso de Frequência O reuso de frequência constitui uma das mais importantes características da rede de acesso móvel, uma vez que possibilita o emprego otimizado do espectro de frequências. Permite que células e usuários separados por uma distância mínima, denominada distância de reuso, podem utilizar uma mesma frequência. Considerando uma área de serviço constituída por um determinado número de conjuntos (clusters) de células, o reuso de frequências consiste na distribuição integral do espectro disponível em cada um destes conjuntos. O fator de reuso é definido pela quantidade N de células que formam o conjunto.

18 Reuso de Frequência Fator de reuso N: número de células por cluster (correspondente ao número de subconjuntos em que os canais são divididos). Distância de reuso D: distância entre células de clusters adjacentes que utilizam o mesmo subconjunto de frequências. Clusters hexagonais de células hexagonais asseguram distâncias de reuso uniformes.

19 Conjunto de Células (Cluster)

20 Distância de Reuso

21 Reuso de Frequência Com base na geometria hexagonal empregada na representação gráfica de uma rede de acesso móvel, verifica-se a existência da seguinte relação entre distância de reuso (D), raio da célula (R) e fator de reuso (N): (u1, v1 ) (1,2) e (u 2, v 2 ) (3,-1) D i (i 2 2 1/2 ij j ) (u 2 - u1 ) e j (v 2 - v1 ) D R 3N O reuso é aplicável aos sistemas que empregam técnica de acesso FDMA e FDMA/TDMA. Nos sistemas com acesso FDMA/CDMA opera-se com reuso total (fator de reuso 1), correspondente a i=1 e j=0. Nos sistemas FDMA/TDMA o fator de reuso 1 constitui um caso limite, inviável de modo geral em termos práticos.

22 Número de Células por Cluster Seja a a área de uma célula hexagonal e A a área de um cluster hexagonal:

23 Razão de Reuso Raio da Célula: R Distância de Reuso D: distância entre co-células Co-células: células que utilizam o mesmo conjunto de canais Razão de reuso: D/R = (3N) N D/R 1 1,73 3 3,00 4 3,46 7 4,58 23

24 Reuso de Frequência (N= 7) Reuso de Frequencias Conjunto (cluster) B B G G C A F C A F D D E E

25 Reuso de Frequência (N=4) C B C B A C1 A3 A2 C3 C2 D D1 D3 B1 D2 B2 A1 B3 A A3 C1 A2 C2 D1 C3 D OMNIDIRECIONAL A1 D3 B1 D2 B3 B2 SETORIZADO

26 Divisão de Células

27 Exemplo de Cobertura de uma Região

28 Mobilidade Dois processos devem ser destacados: Handoff ou Handover Corresponde à passagem de um usuário de uma célula a outra em uma mesma área de serviço. Roaming Deslocamento do usuário em uma área de serviço diferente daquela para a qual foi habilitado.

29 Handoff ou Handover f1 f2 Célula A f3 f4 Estação Móvel em deslocamento Célula B

30 Roaming Roaming Estação Móvel em deslocamento Área de Controle A Área de Controle B Núcleo da Rede Núcle o da Rede RTP C RTP C Internet Internet

31 Arquitetura física da ERB Para-raios Antenas Amplificador Protetor contra Descarga Esteira Elétrica para Cabos Energia Equipamento de Transmissão Equipamento Bateria Rádio Base 31 Enlace de Microondas Protetor contra Descarga Elétrica Climatização Quadro de Distribuição

32 Compartilhamento Compartilhamento de Infraestrutura Utilização em conjunto dos recursos físicos do local por duas ou mais operadoras, porém sem o compartilhamento dos equipamentos (ex.: compartilhamento de espaço físico do local para instalação dos equipamentos e de espaço na torre para antenas). Compartilhamento de Rede Utilização simultânea dos equipamentos de rede por duas ou mais operadoras mantendo as configurações e serviços específicos de cada (ex.: RAN Sharing e Gateway Sharing). 32

33 Compartilhamento de Infraestrutura Operadora Operadora TowerCo Operadora Operadora A Operadora B TowerCo 33

34 Compartilhamento de Rede A denominação se dá conforme o ponto de interconexão entre as redes das duas ou mais operadoras. RAN Sharing Operadora A CN RAN RAN Radio Access Network Gateway Sharing Operadora A Operadora B CN CN RAN RAN Operadora B CN RAN CN Core Network 34

35 Compartilhamento de Rede Operadora A Operadora B Compartilham ento Gateway Sharing (cenário 1) Gateway Sharing (cenário 2) Gat eway / RAN Sharing (frequência compartilhada) RAN Sharing (frequência separada) HS S C or e Net wor k RAN C é l ul a 35

36 Tráfego 36

37 Teoria de Tráfego A teoria de Erlang permite estabelecer um relacionamento entre tráfego na célula: Número de canais (N) necessário para Grau de serviço do sistema. atender este tráfego. O tráfego corresponde ao número de ligações referido à hora de maior movimento (HMM) multiplicado pela duração média destas ligações. Tráfego = No. de chamadas na HMM x Duração média das chamadas (s) 3600 (s)

38 Teoria de Tráfego P( N ; T ) T N e T N número de canais ; T tráfego em Erlang N! Onde P(N;T) é a probabilidade de perda, sendo T o tráfego em Erlangs e N o número de canais disponíveis. O tráfego é medido em uma unidade denominada Erlang (Erl). O grau de serviço (probabilidade de perda em termos percentuais) é definido pela percentagem de ligações perdidas durante a HMM. Nos cálculos práticos, admite-se usualmente um grau de serviço entre 1 e 2% (1 a 2 chamadas são perdidas em cada 100). A fórmula utilizada em telefonia celular é denominada Erlang B ou de 1ª Espécie que supõe: Acesso pleno. Chamadas aleatórias. Sem fila de espera.

39 Tabela de tráfego Para uso prático, dispõe-se de tabelas que permitem a determinação da variável desejada a partir do conhecimento das outras duas. GOS > n % 2% 5% GOS > n % 2% 5%

40 Exemplo histórico e real Situação em New York em 1976: 6 canais do sistema MJ com 320 usuários (2400 em lista de espera). 6 canais do sistema MK com 225 usuários (1300 na lista de espera). tempo médio de chamadas de 1.76 minutos. Qual a probabilidade de bloqueio? 40

41 Início dos sistemas móveis (NY1976) Duração do tempo de chamada: 1,76 minutos. Sistema MJ: 6 canais e 320 usuários. Sistema MK: 6 canais e 225 usuários Carga total oferecida aos sistemas Ø Sistema MJ: Ø Sistema MK: TMJ TMK 1, , ,33 erlangs 6,51 erlangs Grau de Serviço Ø Sistema MJ: Ø Sistema MK: GOS MJ 45% GOS MK 30% 41

42 Espectro de Frequência 42

43 Espectro de Frequência Radiofrequência é a faixa do espectro eletromagnético de 8,3 khz a 3000 GHz, onde é possível a radiocomunicação. Bem público e de recurso limitado regulamentado pela: Órgão responsável por: Ø Atribuição (definição das faixas de frequência e um ou mais serviços) Ø Destinação (definição da segmentação, canalização e exploração conforme requisitos das tecnologias). Ø Distribuição (determinação da área geográfica de abrangência). Exemplo de atribuição, destinação e distribuição de Faixa de Frequência: 88 Rádio (MHz) TV (MHz) 108 FM VHF 216 VHF UHF

44 Espectro de Frequência (SMP) Serviço Móvel Pessoal Faixas de frequências destinadas à exploração pelas operadoras móveis no Brasil (fora de escala). 450 MHz 700 MHz 850 MHz 900 MHz 1800 MHz 1900 MHz 2100 MHz 2600 MHz MHz MHz MHz MHz 1880 MHz MHz MHz MHz

45 Propagação 45

46 Propagação Características O mecanismo mais elementar de propagação de uma onda eletromagnética corresponde a condição de espaço livre, onde nada afeta a trajetória da energia entre o transmissor e o receptor. Obviamente, trata-se de uma condição idealizada, pois é intuitivo concluir sobre os efeitos que o relevo do terreno, a vegetação, as construções em áreas urbanas e suburbanas das cidades, etc., podem causar na energia em propagação. FENÔMENOS BÁSICOS DE PROPAGAÇÃO ØDifração. ØReflexão. ØEspalhamento.

47 Propagação Propagação em Espaço Livre Ao 10 log Pt Pr A (db ) 32,4 20 log f MHz o A ( db ) o 92,5 20 log f GHz 20 log d km 20 log d m A0 Atenuação pt Potência transmitida gt Ganho da antena transmissora d Distância entre o transmissor e receptor

48 Propagação Difração Difração Visada Direta existência de energia na região de não É o fenômeno responsável pela visibilidade de um obstáculo. A intensidade do campo difratado da apresenta um valor sempre inferior ao que seria obtido em espaço livre. Matematicamente, o cálculo da atenuação por difração é mais complexo do que avaliar os efeitos da reflexão e transmissão dos sinais. Através da difração pelo relevo do terreno e nas quinas dos prédios, pode-se cobrir áreas de sombra de um transmissor.

49 Propagação Reflexão Quando a onda eletromagnética incide na superfície de separação de dois meios, parte da energia é refletida e parte é transmitida, penetrando no segundo meio. As parcelas correspondentes de energia são calculadas através dos coeficientes de reflexão e transmissão que dependem das propriedades elétricas dos meios em questão (permissividade elétrica e condutividade), da polarização da onda, da frequência e do ângulo de incidência sobre a superfície de separação, a qual deve ter dimensões muito maiores do que o comprimento de onda. Os raios refletidos no solo e nas paredes dos prédios fazem variar a intensidade do sinal recebido relativamente ao raio que se propaga em espaço livre.

50 Propagação Propagação sobre a terra plana Atp 10 log d4 h12 h log d km 20 log h1 m 20 log h2 m

51 Propagação Espalhamento Acontece quando o meio onde se propaga a energia possui obstáculos com dimensões da ordem ou inferior ao comprimento de onda. Comparado à reflexão e da difração, a análise teórica do espalhamento é bem mais difícil de ser modelada, razão pela qual os modelos empregados na prática são em geral empíricos obtidos a partir de dados experimentais. O espalhamento pela vegetação e diferentes morfologias urbanas são exemplos de interesse para as comunicações móveis.

52 Propagação Propagação Ponto-Área ERB acima do nível médio dos prédios Classificação das áreas ØUrbana Densa ØUrbana ØSuburbana ØRural

53 Propagação Propagação em Área Urbana Cobertura da ERB em cidades.

54 Propagação Variabilidade do Sinal Propagação abaixo do nível médio dos prédios

55 Propagação t i l pma Variabilidade do Sinal Distância

56 Propagação Variabilidade do Sinal

57 Propagação Desvanecimento Variabilidade da intensidade do sinal associada à mobilidade do terminal móvel: Desvanecimento rápido: Ø Observadas em janelas da ordem de dezenas de comprimentos de onda. Ø Distribuição de Rayleigh. Ø Distribuição de Rice-Nakagami (Ricean). Ø Multiplicidade de percursos, por reflexão e difração, da energia entre o transmissor e o receptor (desvanecimento multipercurso) que provoca uma dispersão do sinal e constitui um problema crítico no caso de sistemas digitais de faixa larga. Ø Velocidade de terminal móvel (desvio Doppler), introduz uma variação temporal no canal de propagação que afeta particularmente os sinais com baixa taxa de transmissão.

58 Propagação Desvanecimento Variabilidade da intensidade do sinal associada à mobilidade do terminal móvel: Desvanecimento lento: Ø Em janelas de centenas de comprimentos de onda. Ø Distribuição normal ou de Gauss. Ø Variação do valor mediano do sinal em função da distância o transmissor e receptor. Ø variação do valor mediano que se observa quando a distância transmissorreceptor se mantém fixa e o terminal móvel percorre uma circunferência de centro no transmissor. Ø Causado por obstáculos, naturais ou não, tais como elevações do terreno, construções, vegetação, etc., que se encontram no trajeto entre o transmissor e o receptor ( sombreamento ).

59 Propagação Curvas de Okumura (Desvanecimento Lento) Trabalho publicado por Okumura bastante abrangente, cobrindo diversos ambientes, como áreas urbanas e suburbanas de Tóquio e localidades vizinhas, áreas rurais e características peculiares do terreno como percurso inclinado, relevo irregular e trajetos mistos (terra-mar). Medidas realizadas nas frequências de 200, 453, 922, 1310, 1430 e 1920 MHz e antenas das ERBs com alturas efetivas entre 30 e 1000 metros. A altura efetiva de uma antena é definida por: he = ht, para ht > h he = h, para ht < h h altura da antena em relação à cota de sua base ht altura da antena em relação ao nível médio do terreno avaliado entre 3 e 15km a partir da base considerada. Para distâncias inferiores a 3 km, considerar he = h. Unidade móvel com alturas entre 1 e 10 metros de modo que os resultados fossem úteis também para radiodifusão.

60 Propagação Curvas de Okumura Atenuação Urbana de Referência

61 Propagação Curvas de Okumura Ganho de Altura da ERB

62 Propagação Curvas de Okumura Ganho de Altura da Estação Móvel

63 Propagação Curvas de Okumura Fatores de Correção para Áreas Suburbana e Rural

64 Propagação Curvas de Okumura Atenuação: A t ( db) = Ao (db) - A mur (db) - G h (db) - G h (db) + Fc (db) b m Ao Atenuação em espaço livre Amur Atenuação mediana urbana de referência Ghb Ganho de altura da ERB Ghm Ganho de altura da estação móvel Fc Fator de correção para áreas suburbanas e rurais

65 Propagação Método Okumura-Hata Método desenvolvido por Hata, com base em medidas realizadas na área de Tóquio por Okumura. Válido dentro dos seguintes limites: 150 MHz 30 m 1m 1 km f hb hm d 1500 MHz 200 m 10 m 20 km

66 Propagação Método Okumura-Hata Atenuação mediana de transmissão, correspondente à cobertura de 50% de uma área urbana (Abmu): Abmu(dB) = 69, ,16 x log[f(mhz)] -13,82 x log[hb(m)] - a[hm(m)] + {44,9-6,55 x log[hb(m)]} x log[d(km)] onde f é a frequência, d é a distância, hb é a altura da estação base, hm é a altura da estação móvel e o termo a(hm) é dado por: Ø Cidade pequena ou média a(hm) = {1,1 x log[f(mhz)] -0,7} x hm - {1,56 x log[f(mhz)] -0,8} Ø Cidade grande f f 200 MHz: a(hm) = 8,29 x {log[1,54 x hm(m)]2-1,1} 400 MHz: a(hm) = 3,2 x {log[11,75 x hm(m)]2-4,94} Ø Observar que para hm = 1,5m (altura típica de uma unidade móvel), tem-se a(hm) = 0.

67 Propagação Modelo COST 231 COST (Cooperation in the Field of Scientific and Technical) é uma cooperação intergovernamental da União Européia. Baseou-se no modelo de Hata, extendendo-o à faixa de frequênciasentre 1500 e 2000 MHz através da análise das curvas de propagação das frequências mais altas do modelo de Okumura no qual o modelo de Hata foi baseado. L Onde: ( db ) 46,3 33,9 log f ( MHz ) 13,82 log( h ) a ( h ) 44,9 6,55 log( h ) log( d ) te COST HATA te re fator de correção a(hre) dado pela equação a(hm) (Hata). fator de correção pelo terreno (Cm) 0 db para cidades de porte médio e centros suburbanos com média densidade de árvores. 3 db para centros metropolitanos. C m

68 Propagação Percentual da Área de Cobertura PCA = erf ( x ) Função Erro π M - x erf ( a ) t 2 e dt e a = 0 2 ab 1 b2 1 M σ 2 erf ab 1 b 10γ log e b= σ 2 margem de desvanecimento (db) definida pela diferença entre o valor mediano da atenuação e o nível do sinal recebido na percentagem considerada. - desvio padrão da distribuição log - normal na área em estudo.

69 Propagação Margem de Desvanecimento ( = 3,5) Desvio padrão (db) Cobertura (%) 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 90 3,3 3,9 4,4 4,9 5,5 6,0 6,6 7,1 7,7 8,2 8,8 9,4 95 5,9 6,6 7,3 8,0 8,7 9,4 10,2 10,9 11,6 12,4 13,1 13,9 98 9,3 10,2 11,2 12,1 13,1 14,0 15,0 16,0 16,9 17,9 18,9 19,9 γ = fator de variação da perda de propagação com a distância, com valor entre 2 e 5

70 Propagação Variabilidade do Sinal Pequena Escala Dispersão do Sinal ØDesvanecimento Plano ØDesvanecimento Seletivo Variação Temporal Do Canal ØDesvanecimento Lento ØDesvanecimento Rápido

71 Propagação Técnicas de Melhoria Aumento da ERP Ø ERP: Potência Efetiva Irradiada (Effective Radiated Power) Diversidade Equalização Códigos Corretores de Erro Espalhamento do Espectro Controle de Potência (Interferência Perto-distante)

72 Propagação Aumento da ERP (Effective Radiated Power) Parâmetros ØPotência de transmissão (Pt) ØGanho da antena transmissora (Gt) ØERP (dbw) = Pt(dBW) + Gt(dB) Aplicação ØCompensar a variação de grande escala

73 Propagação Diversidade Recepção de dois ou mais sinais contendo a mesma informação: Técnicas ØDiversidade de polarização ØDiversidade de espaço Aplicação ØDesvanecimento Plano

74 Propagação Diversidade de Espaço

75 Propagação Diversidade de Polarização

76 Propagação Equalização Compensação do efeito do desvanecimento multipercurso (desvanecimento seletivo).

77 Propagação Códigos Detectores e Corretores de Erros Códigos Usuais: ØReed-solomom ØCRC ØConvolucional ØConcatenado Aplicação: Ø Desvanecimento Plano Ø Desvanecimento Lento

78 Propagação Cobertura em ambientes interiores Cabo coaxial com ranhuras (LCX - leaky coaxial cable). Linha fendida (slotted line). Modos de propagação: ØRadiação transversal (radiating mode) ØRadiação longitudinal (coupling mode)

79 Propagação Cobertura em ambientes interiores

80 Propagação Cobertura em ambientes interiores

81 Antenas 81

82 Antenas Princípio de Funcionamento Dispositivo constituído de um arranjo de elementos irradiantes que conectado a um transmissor ou receptor converte energia elétrica em ondas eletromagnéticas.

83 Antenas Ganho Geralmente ganho especificado por duas referências: Antena Isotrópica (dbi) Antena teórica ideal, fisicamente não existe. Possui ganho unitário em todas as direções. Ganho = 0 (dbi) Antena Dipolo (dbd) Tipo básico de antena, formado por dois condutores retilíneos, cada um de comprimento igual 1/4 do comprimento de onda a ser transmitida ou recebida. Ganho = 2,14 (dbi) ou 0 (dbd)

84 Antenas Antenas para Rede de Acesso Móvel Antena Omnidirecional Antena Direcional

85 Antenas Antenas para Mobile Access Network Conjunto direcional com ajuste mecânico do diagrama de radiação.

86 Antenas Antenas para Rede de Acesso Móvel Inclinação mecânica do lobo principal (down-tilt)

87 Antenas Antenas para Rede de Acesso Móvel Inclinação do diagrama de radiação para evitar interferência co-canal a longa distância.

88 Antenas Antenas para Rede de Acesso Móvel Downtilt: Direcionamento do diagrama de irradiação da antena para o solo. Com esse direcionamento observa-se que o diagrama de irradiação no plano horizontal apresenta um notch (vale). Se esse notch coincidir com a direção das células cocanais, pode-se reduzir a interferência.

89 Antenas Antenas para Mobile Access Network Downtilt: Possibilidade de aumento de capacidade devido à redução de interferência co-canal e correspondente possibilidade de redução no tamanho do cluster. O downtilt pode ser mecânico ou elétrico. É utilizado normalmente na prática como ferramenta para redução na área de cobertura de células, em conjunto com a redução de potência de transmissão. É utilizado também como ferramenta para a redução de áreas de sombra que normalmente se formam nas proximidades do transmissor da estação rádio base.

90 Antenas Antenas para Rede de Acesso Móvel Conjunto setorizado

91 Antenas Antenas para Rede de Acesso Móvel Recepção em diversidade de espaço em ERBs.

92 Propagação Diversidade de Espaço

93 Antenas Antenas para Rede de Acesso Móvel Recepção em diversidade de polarização em ERBs.

94 Antenas Antenas para Rede de Acesso Móvel Recepção em diversidade de espaço em veículos.

95 Antenas Antenas para Rede de Acesso Móvel Recepção em diversidade em terminais. Diversidade de Espaço GPS Antena Diversidade de Polarização Horizontal LTE Antena 1 Vertical CDMA Antena 1 LTE Antena 2 CDMA Antena 2 WiFi Antena

96 Interferências 96

97 Interferências Relação Sinal-Ruído Razão da potência de um sinal e a potência do ruído sobreposto ao sinal (SNR Signal-to-Noise Ratio), geralmente expressa em Decibel. SNR SNRdB PSinal PRuído 10 log PSinal PRuído 97

98 Interferências Tipos de Interferências Interferência co-canal. Interferência de canal adjacente. Interferência perto-distante.

99 Interferências Interferência Co-Canal Interferência causada pelas células dos clusters vizinhos que possuem o mesmo reuso de frequência (mesmos canais).

100 Interferências Interferência Co-Canal O fator de reuso adequado para cada padrão é determinado em função da relação portadora-interferência mínima aceitável. Por exemplo, o padrão GSM opera com um valor mínimo de SNR de 12 db, enquanto o padrões AMPS e DAMPS (IS-136) necessitam de um SNR mínimo de 17 db. No caso de células omnidirecionais e considerando apenas o primeiro anel interferente, a relação SNR é dada por SNR = 10log{[1/6][D/R] } onde é o fator de variação da atenuação de propagação com a distância. Supondo = 4, pode-se verificar que os fatores de reuso adequados para os padrões GSM e IS-136 são, respectivamente, 4 e 7. No caso de células com 3 setores, a expressão equivalente é dada por, SNR = 10log{[1/2][D/R] }

101 Interferências Interferência Co-Canal 6 células interferentes S SINR n i 1 I S = Sinal desejado I = Sinal interferente R = Distância ao transmissor desejado D = Distância 1 ao transmissor SINR interferente 6 1 SINR 1 6 D R D R 101

102 Interferências Interferência de Canal Adjacente Interferência causada pelas células ou clusters vizinhos que utilizam as frequências (canais) anterior ou posterior ao canal observado.

103 Interferências Interferência Perto-Distante Particularmente importante no caso de sistemas CDMA, quando um terminal esta próximo e o outro distante da ERB à qual estão ligados, pois supondo que os terminais estejam utilizando a mesma potência de transmissão, o terminal próximo constitui uma substancial fonte de interferência para o terminal distante. A solução para contornar este problema é o emprego de um efetivo controle de potência, fazendo com que os sinais dos terminais móveis atinjam a ERB aproximadamente com a mesma intensidade. d1 << d2 E R B d 1 d 2

104 Interferências Setorização A interferência pode ser reduzida sem aumentar N (sem reduzir a capacidade) utilizando-se antenas diretivas. A técnica é conhecida como setorização e consiste em dividir cada célula em setores utilizando-se antenas diretivas e designando a cada setor um subconjunto de frequências. Na prática são utilizadas divisões em 3 ou 6 setores. 104

105 Interferências Redução da Interferência 3 Setores 1 SINR 2 1 SINR 1 2 D R 2 setores interferentes D R Ganho de 4,8 db 105

106 Interferências Redução da Interferência 6 Setores 1 SINR 1 1 SINR D R 1 setor interferente D R Ganho de 7,8 db 106

107 Interferências SNR vs. Capacidade de Tráfego A utilização do reuso como forma melhoria do SNR deve ser também observada em relação de compromisso com a capacidade de tráfego. 107

108 Link Budget 108

109 Link Budget Definição Cálculo dos ganhos e perdas do transmissor ao receptor através do meio (espaço livre, cabo, guia de onda, fibra, etc.) em um sistema de comunicação. No sistema móvel, aplica-se à interface aérea. Forma de balancear as transmissões e recepções nos enlaces direto e reverso de cada célula e de encontrar a distância entre estações (grid de cobertura). E R B 109

110 Link Budget Máxima Atenuação do Enlace Direto (downlink) ER B P(dB) PTx GAnt ACo n Propagaçã o EM A Atenuação G Ganho P Potência S - Sensibilidade ADes. Lento ADes.Rá pido AInt/H off AIndo or 110 GAnt ACorp o GDiv ACo n SRx G/A(dB ) Prof.: Mauricio Vianna

111 Link Budget Máxima Atenuação do Enlace Reverso (uplink) Propagaçã o EM P(dB) PTx ER B A Atenuação G Ganho P Potência S - Sensibilidade GAnt ACo n ACorpo AIndo or GAnt Ades. Lento Ades. Rápido GDiv ACo n SRx Aint/H off G/A(dB) 111

112 Link Budget Exercício Prático A cidade XYZ possui uma área urbanizada de 10 km2, população de habitantes, morfologia com características suburbana e topologia plana. Em seu planejamento de negócio, a operadora ABC está planejando cobrir a cidade com uma rede de acesso móvel que possui as seguintes características: Faixa de frequência 850 MHz Largura da faixa de frequência 10 MHz Potência de transmissão da ERB 40 dbm Sensibilidade de recepção da ERB -110 dbm Altura das antenas da ERB 40 m Ganho das antenas da ERB 17 dbi Antenas da ERB com diversidade de espaço Número de setores da ERB 3 Potência de transmissão do Terminal Sensibilidade de recepção do Terminal Ganho da antena do Terminal Sim 30 dbm -104 dbm 0 dbi 112

113 Link Budget Exercício Prático Dados adicionais, considerar: Ganho de diversidade de espaço 4,5 db Atenuação dos cabos e conectores da ERB 3 db Atenuação do corpo 3 db Perda de penetração indoor 9 db Desvio Padrão 6 db Probabilidade de cobertura 95 % Margem de desvanecimento rápido 3 db Margem de interferência 2 db Margem de handover 3 db Quantas ERBs serão necessárias para se cobrir a cidade? 113

114 Link Budget Exercício Prático: Cálculo do Link Budget Link Budget - Morfologia Suburbana Faixa de Frequência (a) Parêmetro de Equipamento 850 MHz Unidade EM ERB 40,00 Potência de Transmissão (b) dbm 30,0 Perda de Cabo e Conectores (c) db 0,0 3,0 Ganho da Antena (d) dbi 0,0 17,0 Sensibilidade de Recepção (e) dbm -104,0-110,0 Ganho de Diversidade (f) db 0,0 4,5 Unidade Uplink Dow nlink m 1,5 40,0 # 0 3 db 3,0 3,0 db 3,0 3,0 db 2,0 2,0 db 3,0 3,0 Parâmetro do Sistema Altura da Antena Número de Setores Perda no Corpo Margem de Desvanecimento Rápido Margem de Interferência Margem de Handoff Probabilidade de Cobertura Desvio Padrão Perda de Penetração (g) (h) (i) (j) (k) (l) (m) (n) (o) Balanceamento Margem de Desvanecimento Lento Margem Total Mobile Access EiRP Network / 3G (p) (q) (r) 114 % 95,0% 95,0% db 6,0 6,0 db 9,0 9,0 Unidade Uplink Dow nlink db 5,9 5,9 Curva Okumura? db 22,9 22,9 =j+k+l+o dbm 30,0 Prof.: Vianna 54,0 Mauricio =b-c+d

115 Parêmetro de Equipamento Unidade EM ERB (b) dbm 30,0 40,00 (c) db 0,0 3,0 (d) dbi 0,0 17,0 Sensibilidade de Recepção (e) dbm -104,0-110,0 Ganho de Diversidade (f) db 0,0 4,5 Link Budget Potência de Transmissão Perda de Cabo e Conectores Ganho da Antena Exercício Prático: Cálculo do Link Budget Parâmetro do Sistema Altura da Antena Número de Setores Perda no Corpo Margem de Desvanecimento Rápido Margem de Interferência Margem de Handoff Probabilidade de Cobertura (g) (h) (i) (j) (k) (l) (m) (n) (a) (o) Unidade Uplink Dow nlink m 1,5 40,0 # 0 3 db 3,0 3,0 db 3,0 3,0 db 2,0 2,0 db 3,0 3,0 Link Budget - Morfologia Suburbana % 95,0% Desvio Padrão Perda Penetração Faixadede Frequência Parêmetro de Equipamento Balanceamento Potênciade dedesvanecimento Transmissão Margem Lento Perda detotal Cabo e Conectores Margem Ganho da Antena EiRP Sensibilidade de Recepção Atenuação Total Ganho de Diversidade Total Atenuação Balanceada EiRP Balanceada Parâmetro do Sistema Nível de Sinal Balanceado de Dow nlink (Outdoor) Altura da Antena Número de Setores Modelo de Propagação (Okumura-Hata) Perda no Corpo Fator de Correção Hata Margem de Desvanecimento Rápido Coeficiente de Propagação Margem de Interferência 1 km Margem de Handoff Probabilidade de Cobertura Raio e Área de Cobertura Desvio Padrão Raio de Cobertura Perda de Penetração Área de Cobertura Separação entre ERBs Balanceamento Margem de Desvanecimento Lento Margem Total EiRP Atenuação Total Total Atenuação Mobile Access Balanceada Network / 3G (b) (p) (c) (q) (d) (r) (e) (s) (f) (t) (u) (w) (g) (h) (i) (x) (j) (y) (k) (z) (l) (m) (n) (aa) (o) (bb) (cc) (p) (q) (r) (s) (t) 95,0% db 6,0 MHz db 9,0 Unidade EM Uplink ERB Dow nlink dbm db 30,0 5,9 40,00 5,9 Tabela db dbi dbm 0,0 22,9 0,0 30,0 3,0 22,9 17,0 54,0 =j+k+l+o dbm db db db -104,0 132,6 0,0-110,0 132,1 4,5 dbm Unidade dbm m Uplink 1,5 # 0 db db db db db db db 3,0 % 95,0% db km db km ^2 6,0 Unidade Unidade km Unidade 3,0 2,0 3,0 9,0 Uplink 6, ,1 54,0-78 Suburbano 0,0 34,4 124,0 Suburbano 1,71 5,73 2,57 9,0 Dow nlink 40,0 =b-c+d =r-q-i+d+f-c-e =min[r(me);rerb)] =q(erb)- max[0;r(erb)-r(me)] =t-s 3 3,0 3,0 2,0 3,0 =0 <urbano> ou =3 <urbano denso> =44,9-6,55*LOG(g) =69,55+26,16*LOG(a)-13,82*LOG(g)+x 95,0% 6,0 9,0 Dow nlink =10^((t-z)/y) =1,949*aa^2 =1,5*aa db 5,9 5,9 Tabela db 22,9 22,9 =j+k+l+o dbm 30,0 54,0 =b-c+d db 132,6 132,1 =r-q-i+d+f-c-e db ,1 =min[r(me);rerb)] Prof.: Mauricio Vianna

116 Link Budget Exercício Prático: Cálculo do número de ERB Do resultado do Link Budget: Ø Área de cobertura da ERB = 5,73 km2 Número de ERBs necessárias para cobrir 15 km2: ERBs ACidade AERB 10 1,75 5,73 ERBs 2 116

117 Planejamento Exercício Prático: Cálculo da Capacidade Continuando o exercício, qual a porcentagem da população desta cidade estaria atendida para o serviço de chamada de voz, considerando os seguintes parâmetros. Reuso de frequência 1:3 Largura de frequência do canal 200 khz Número de time slots de voz por canal 10 Tempo de retenção da chamada de voz 1,5 min Grau de serviço 2% Número de chamada por usuário na HMM 117 1

118 Planejamento Exercício Prático: Cálculo da Capacidade Número de canais disponíveis: Canais BW BWTot BWCanal BW Bandwidth (largura da faixa de frequência) Número de canais disponíveis com reuso de frequência: Canais Re uso SetoresTot Re usofator Canais BW Número total de slots de voz disponíveis: SlotsVoz CanaisRe uso SlotCanal

119 Planejamento Exercício Prático: Cálculo da Capacidade Número de chamadas nas de voz disponíveis na HMM: Tráfego Númerochamada Duraçãochamada

120 Planejamento Exercício Prático: Cálculo da Capacidade Número de chamadas na HMM: Númerochamada 991,9 60 1, Assumindo por premissa 1 chamada por usuário na HMM: População Atendida % Notar que esta capacidade acima está relacionada apenas com a interface aérea, para o correto dimensionamento, todos os elementos de rede utilizados necessitam ser dimensionados conforme suas respectivas regras para absorver a demanda de tráfego. 120

121 Planejamento Ferramenta de predição Software utilizado para estimar a cobertura de uma ou mais células em uma determinada região, baseado em: Ø Modelo de propagação ajustável. Ø Base de topologia (altura do terreno). Ø Base de morfologia (lagos, vegetações, densidades e alturas das edificações, etc.). Ø Base de informação das ERBs (altura das antenas, potência de transmissão, etc.). Ø Matriz de tráfego (opcional). ERB 121

122 Planejamento Ferramenta de predição 122

123 Técnicas de Múltiplos Acessos 123

124 Técnicas de Múltiplos Acessos Tipos Atualmente existem 3 técnicas distintas de acesso à interface aérea do sistema móvel: ØFDMA Acesso múltiplo por divisão em frequência (Frequency Division Multiple Access) ØTDMA Acesso múltiplo por divisão no tempo (Time Division Multiple Access) ØCDMA Acesso múltiplo por divisão em código (Code Division Multiple Access)

125 Técnicas de Múltiplos Acessos FDMA Primeira técnica utilizada nos sistemas móveis. Divisão do espectro em um determinado número de canais. Cada canal ocupado por um único usuário durante o tempo de conexão. Atribuição de canais é feita de acordo com a demanda dos usuários que solicitam o serviço. Atribuição de duas frequências ou portadoras, geralmente a mais alta para o enlace direto (ERB EM) e a segunda para o enlace reverso (EM ERB). A separação entre as frequências dos enlaces direto e reverso é chamada duplexação por divisão de frequência (FDD Frequency Divison Duplex), permitindo comunicação simultânea nos dois sentidos (full duplex).

126 Técnicas de Múltiplos Acessos FDMA / FDD Tempo... N Downlink C anal 2 C anal Separação FDD C anal C anal C anal N 2 C anal C anal C anal C anal C anal Uplink... Freq.

127 Técnicas de Múltiplos Acessos TDMA Permite o compartilhamento de um mesmo canal para diferentes usuários. Cada usuário transmite a informação em um espaço de tempo específico denominado janela (slot). Os sistemas móveis utilizam uma técnica combinada com FDMA entre canais e TDMA entre os usuários. separação A duplexação pode ser: ØComo no FDMA, separação FDD entre os enlaces direto e reverso. ØSeparação dos enlaces direto e reverso por duplexação por divisão de tempo (TDD Time Divison Duplex).

128 Técnicas de Múltiplos Acessos TDMA / FDD Tempo Slot N Slot 4 N 4... C anal C anal 2 3 C anal 1 C anal C anal... N 4 Slot 2 C anal C anal 2 3 C anal 1 C anal C anal Slot 3 Slot 1 Uplink Separação FDD Downlink Freq.

129 Técnicas de Múltiplos Acessos TDMA / TDD Tempo... Slot N Slot 4 Slot 3 Slot 2 Slot 1 Downlink / Uplink (e.: 2:1, 3:1, etc.) Freq.

130 Técnicas de Múltiplos Acessos CDMA Técnica na qual todos os usuários compartilham o mesmo canal e somente são reconhecidos pelo sistema pela atribuição de uma sequência de código individual. Este código permite que a informação seja espalhada de tal forma que o sinal resultante se confunde com ruído. A recuperação do sinal somente é possível para o receptor que dispõe do código utilizado na transmissão. Usualmente implementada com FDD entre os enlaces direto e reverso, porém há também implementações TDD.

131 Técnicas de Múltiplos Acessos CDMA / FDD Usuários Usuário N Usuário N Usuário 4 Usuário 4 Usuário 3 Usuário 3 Usuário 2 Usuário 2 Usuário 1 Usuário 1 Freq. Tempo Uplink Separação FDD Downlink

132 Técnicas de Múltiplos Acessos CDMA / TDD Usuários... Usuário N Usuário 4 Usuário 3 Usuário 2 Usuário 1 Freq. Tempo Downlink / Uplink (ex.: 2:1, 3:1, etc.)

133 Sistemas CDMA 133

134 Sistemas CDMA Princípio de Espalhamento do Sinal Princípio de transmissão: b(t): sinal de entrada Ø c(t): código de espalhamento Ø y(t): produto do sinal espalhado Ø fc: frequência de modulação Ø S(t): sinal transmitido Ø Espalhamen to b(t) x y(t) Modulação x S(t) = b(t). c(t). cos(2 fct) c(t) Código cos(2 f ct) 134

135 Sistemas CDMA Princípio de Espalhamento do Sinal Princípio de recepção: Ø S(t): sinal transmitido Ø fc: frequência de demodulação Ø FPB: filtro passa-baixa (remoção do produto espectral não desejado) Ø y(t): sinal banda-base Ø c(t): código de espalhamento Ø Integrador: recomposição do sinal no intervalo de bit do sinal original (Tb) Ø b(t): informação de entrada Demodulação S( t) x De-espalhamento y(t) FPB x Tb 0 dt b(t) c(t) cos(2 f ct) Código 135

136 Sistemas CDMA Bloco Básico de Espalhamento do Sinal Espalhamento, modulação e transmissão de um sinal de voz. Sinal de Voz (12 kbps) XOR Modulador Amplificador de Potência 3,84 Mcps Gerador de Código Portadora 136

137 Sistemas CDMA Espalhamento de Múltiplos Sinais Teoria da Informação: quando o espectro de frequência ocupado pelo sinal é expandido, o nível da potência decresce. Quando um sinal de faixa estreita (ex.: voz) é espalhado em uma faixa larga, a amplitude do sinal é substancialmente reduzida. Considere se vários sinais são espalhado na mesma faixa larga, a potência total do sistema será acrescida pela soma de todos os sinais espalhados. Pot. Pot. Sinal Faixa Estreita Margem Sinais Espalhados Faixa Larga Faixa Larga Freq. 137 Freq.

138 Sistemas CDMA Fator de Espalhamento (Spreading Factor SF) Um código é composto de uma sequência binária que são denominados de chips. Portanto, um único bit de informação apresentará sua taxa multiplicada pela taxa de chip do código. Exemplo, se uma informação possui uma taxa de 16 kbps e for transmitida com um código de espalhamento igual a 8, sua taxa final será de 128 kbps. O fator de espalhamento pode ser determinado de acordo com o número de chips do código contidos dentro de um intervalo de bit da informação. Spreading Factor (SF) = Taxa de Chip / Taxa de Bit SF = 8/ =8 bit bit bit bit 1 Informação chip Código Informação x Código 138

139 Sistemas CDMA Sequência de Código Para que o sistema descrito funcione, as sequências ou códigos utilizados para espalhamento do espectro devem: Ø Serem ortogonais (correlação cruzada zero). Ø Serem de natureza pseudo-aleatória (igual número de 1s e - 1s). Ø Terem auto-correlação normalizada igual a

140 Sistemas CDMA Correlação no Receptor A informação pode ser regenerada pelo valor médio dos chips através da integração dos chips no intervalo de bit: Informação Código Info x Código Transmissão na interface aérea Código no receptor Integração 140

141 Sistemas CDMA Correlação Incorreta no Receptor Situação de correlação com código incorreto (ou desalinhamento no sincronismo): Informação Código Info x Código Transmissão na interface aérea Correlação incorreta no receptor Integração 141

142 Sistemas CDMA Código de Walsh (Códigos Ortogonais) Todos os códigos devem ser únicos e sem relação entre si, sendo esta a propriedade matemática da ortogonalidade. Para gerar a árvore de códigos ortogonais, a matriz de Walsh-Hadamard é utilizada: Código 1 Código 2 142

143 Sistemas CDMA Código de Walsh (Códigos Ortogonais) O sistema pode suportar quantos usuários simultâneos forem a quantidade de códigos únicos e ortogonais disponíveis para cada. Utilizado no enlace direto devido necessidade de sincronismo. Desde que sincronizados, um usuário pode ser perfeitamente separados dos demais. Código 1 Código 1 Integraç ão 143

144 Sistemas CDMA Árvore de Códigos Árvore construída através da matriz Walsh-Hadamard com cada ramo dobrando o comprimento do código e do fator de espalhamento (SF). 144

145 Sistemas CDMA Árvore de Códigos Conhecidos como OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor). Para o sistema suportar diferentes taxas de dados, os códigos são tomados dos pontos apropriados da árvore. No sistema CDMA, a taxa de chip é constante em 3,84 Mcps, porém o número de chips que representam um bit de informação pode variar. Conforme definido na especificação do sistema WCDMA (3G), o número mínimo de chips por bit é de 4, resultando em uma taxa máxima de informação de 3,84 Mcps / 4 = 960 kbps. Enquanto o número máximo de chips por bit é de 256, resultando em uma taxa mínima de informação de 3,84 Mcps / 256 = 15 kbps. 145

146 Sistemas CDMA Sequência PN (Pseudo-random Noise) Sequências binárias que exibem características de sequência aleatória, porém são determinísticas. Possuem o mesmo número de zeros e uns, com a diferença de somente um. Utilizado no enlace direto (curto) e reverso (longo). São extremamente úteis em dois papéis-chave: Ø Espalhamento da informação em uma banda larga para outros usuários será detectada como ruído branco. Ø Separação do sinal apesar da sequência PN não apresentar a propriedade de ortogonalidade perfeita, no entanto pode ser usada para separar diferente sinais, pois no receptor apresenta forte correlação enquanto os outros sinais exibem baixa correlação. 146

147 Sistemas CDMA Sequência PN (Pseudo-random Noise) Sequencias geradas através de shift-registers. Saída do último estágio forma o código. L = 2N -1 Onde: Ø L é o comprimento do código Ø N é o número de estágios. 147

148 Sistemas CDMA Sequência PN (Pseudo-random Noise) Importante propriedade de auto-correlação. Máxima correlação N quando o intervalo de tempo está perfeitamente alinhado. A correlação decresce tão rapidamente quanto o tempo de 1 chip. Utilizado para sincronismo do enlace direto através dos canais piloto e sincronismo como guarda-chuva dos códigos de Walsh. Utilizado para sincronismo do enlace reverso, pois não há como implementar canais de sincronismo. 148

149 Sistemas CDMA Sequência PN (Pseudo-random Noise) Gerado através de realimentações de shift-registers. A saída do último estágio forma o código. Estágio 1 1 Estágio 2 0 Estágio 3 1 p = [ ] (saída do código) Somador 149

150 Sistemas CDMA Ganho de Processamento Quanto maior o intervalo de bit, maior o intervalo de integração e maior a amplitude em relação ao resultado final da soma do sinal. O ganho de processamento (Gp) é diretamente proporcional ao fator de espalhamento (SF) utilizado. Gp = 10 log (Taxa de Chip / Taxa de Bit) Exemplo para uma conexão de voz de 12,2 kbps: Gp = 10 log (3,84 Mcps / 12,2 kbps) = 25 db Portanto, quanto maior for o fator espalhamento ou menor for a taxa da informação, maior será o ganho de processamento. Por exemplo, um dispositivo móvel poderá realizar uma conexão de voz a 12,2 kbps mais distante de uma ERB comparado a uma conexão de dados a 364 kbps. 150

151 Sistemas CDMA Ganho de Processamento Eb: energia de bit de um único usuário Eb/Nt: valor requerido conforme tipo de conexão, taxa e BLER (atuação d controle de potência). Gp: ganho processamento relativo ao fator de espalhamento Nt: ruído total Elevação do piso de ruído com recebimento da potência dos demais usuários Nth: ruído térmico (ktb + NF) Ec: energia de chip de um único usuário Pode estar abaixo do Nth antes do deespalhamento 151

152 Sistemas CDMA Propagação em Multi-percurso e Diversidade Razão pela qual um sistema móvel funciona, pois há comunicação entre o dispositivo e a ERB mesmo sem visada direta. O sinal refletido percorre uma distância maior que o de visada direta, causando maior atraso, atenuação e diferença de fase. Auto-correlação da sequencia PN pode ser utilizada com vantagem em sinais em multi-percurso, pois sinais com atrasos maiores que 1 chip podem ser classificados como multi-percurso e especificamente tratados. Sinal 1 Sinal 2 Sinal 3 152

153 Sistemas CDMA Propagação em Multi-percurso e Diversidade Para uma taxa constante de 3,84 Mcps, obtem-se um tempo de chip de aproximadamente 0,26 µs. Tipicamente uma área urbana possui multi-percurso da ordem de 1 a 2 µs. Há uma grande probabilidade de se obter 3 a 4 sinais com potência suficiente para serem detectados. Picos de auto-correlação Perfil de Multi-percurso 153 Tempo

154 Sistemas CDMA Receptor Rake Todos os ramos são alimentados com o mesmo sinal recebido. Cada ramo possui um módulo para estimar a diferença de fase do sinal original. O módulo de atraso ajusta os diferentes picos recebidos para serem somados de forma a se combinarem positivamente (MRC maximum ratio combining). Processo conhecido como microdiversidade. Equal. Atraso Gerador PN Estim. de Fase Equal. Atraso Gerador PN Estim. de Fase Equal. Atraso Gerador PN Estim. de Fase 154

155 Sistemas CDMA Soft/Softer Handover Vantagem intrínseca de sistemas CDMA, pois operam em uma única frequência. Possibilidade de conexão em mais de uma célula simultaneamente, diferentemente de sistemas FDMA e TDMA que necessitam de desconexão antes de uma nova conexão. Estabelecimento de conexão na célula alvo antes da desconexão da célula servidora, melhorando taxa de queda e qualidade da conexão. Durante uma conexão, um ramo do receptor Rake realiza medidas das células próximas como potenciais candidatas à handover. Desvantagem: exige capacidade extra do sistema para suportar múltiplas conexões. 155

156 Sistemas CDMA Soft/Softer Handover Soft Handover Softer Handover f1 f1 f1 f2 Estação A f2 Estação Móvel em deslocamento Estação B Célula C f2 f2 f1 Célula A Célula B Estação Móvel em deslocamento

157 Sistemas CDMA Controle de Potência e Desvanecimento Extremamente necessário devido ao problema perto-distante, para que um usuário perto da ERB não se sobreponha a um usuário longe. Assegurar que o controle de potência dos sinais recebidos estejam equalizados: Ø Aumento e atenuação da potência conforme distância do receptor. Ø Desvanecimento por características específicas do ambiente. Ø Desvanecimento devido ao deslocamento do dispositivo. Por exemplo, um sistema WCDMA que atua na frequência de 2 GHz possui um comprimento de onda de 150 mm. Um deslocamento de 75 mm resulta em um diferente padrão de interferência e controle de potência que necessita ser ajustado rapidamente. Em sistemas WCDMA, o controle de potência é realizado com a frequência de 1,5 khz. 157