INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS MÓVEIS CELULARES. Luiz A. R. da Silva Mello Márcio Eduardo C. Rodrigues

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1 INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS MÓVEIS CELULARES Luiz A. R. da Silva Mello Márcio Eduardo C. Rodrigues Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro Setembro de 00

2 ÍNDICE CAPÍTULO...4 CONCEITOS BÁSICOS DE SISTEMAS CELULARES UM POUCO DA HISTÓRIA CONCEITOS BÁSICOS DE SISTEMAS MÓVEIS CELULARES O Conceito Celular Componentes do Sistema Celular GEOMETRIA CELULAR Padrão regular quadrangular Padrão regular hexagonal Padrão regular hexagonal com simetria rotacional CARACTERÍSTICAS DAS CONFIGURAÇÕES CELULARES HEXAGONAIS Número de células por grupo Razão de reuso Interferência co-canal Setorização Interferência de Canal Adjacente...6 CAPÍTULO...8 TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO CELULAR TÉCNICAS DE MÚLTIPLO ACESSO Sistemas FDMA Sistemas TDMA Sistemas CDMA...33 CAPÍTULO TRÁFEGO E PLANOS DE REUSO DE FREQÜÊNCIA CONCEITOS DE TRÁFEGO Intensidade de tráfego Características de tráfego Probabilidade de bloqueio (Grau de Serviço) PLANOS DE REUSO DE FREQÜÊNCIAS Alocação da Banda de Frequências e a Numeração dos Canais Planos de Reuso de Frequências Plano de Reuso de Frequências N = 7 Omni (7/) Plano de Reuso de Frequências N = 7 setorizado em Plano de Reuso de Frequências Omni 4/ Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio

3 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares Plano de Reuso de Frequências Omni / CAPÍTULO ASPECTOS DE PROPAGAÇÃO CONCEITOS BÁSICOS Ondas Rádio-elétricas Rádio-propagação A atmosfera terrestre PROPAGAÇÃO TROPOSFÉRICA CARACTERÍSTICAS DAS FAIXAS DE FREQÜÊNCIA MODELOS CLÁSSICOS DE PROPAGAÇÃO Propagação no espaço livre Propagação sobre terra plana Propagação por difração PERDA DE PROPAGAÇÃO EM REGIÕES URBANAS, SUBURBANAS E RURAIS Modelo de Okumura Modelo de Hata (Okumura-Hata) Modelo estendido de Hata para PCS (COST-3): Modelo de Walfish Ikegami (COST 3) Modelos de ajustados localmente...75 CAPÍTULO CONCEITOS BÁSICOS DE PLANEJAMENTO CELULAR ROTEIRO PARA O PLANEJAMENTO DETERMINAÇÃO DA ÁREA DE COBERTURA Cálculo de enlace Cálculo do raio máximo das células ESCOLHA DA CONFIGURAÇÃO CELULAR Contagem de tráfego Definição do plano de reuso Interferências, plano de reuso e urbanização...83 REFERÊNCIAS E BIBLIOGRAFIA...86 Silva Mello, Rodrigues & Maia 3

4 CAPÍTULO CONCEITOS BÁSICOS DE SISTEMAS CELULARES.. Um pouco da história A mais antiga rede de comunicações de que se tem notícia foi utilizada no século V A.C. por Darius I, imperador persa (5-486 A.C.), que enviava notícias da capital às províncias do império através de uma linha de homens gritando sobre colinas. Com isto conseguia a transmissão das mensagens 30 vezes mais rápido do que por mensageiros. Em fins do século XVIII foi implantada na Europa uma extensa rede de telegrafia ótica cobrindo toda a França, países nórdicos e parte da Inglaterra. Esta rede utilizava torres de sinalização com braços movidos mecanicamente, cuja posição indicava seqüências de símbolos alfa-numéricos observados via telescópio pela estação seguinte. O sistema incluía um protocolo de comunicação para controle do fluxo de mensagens através da rede. Figura. Rede francesa de telegrafia ótica Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 4

5 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares No fim do século XIX, o cientista alemão H. G. Hertz demonstrou que, como previa a teoria desenvolvida por J. C. Maxwell, ondas eletromagnéticas podem se propagar através do espaço, viabilizando as comunicações sem fio e, em particular, das comunicações móveis. Em 895, M. G. Marconi realiza a primeira transmissão de rádio num percurso de 3 km em Bologna, Itália. O primeiro uso de comunicações móveis data ainda do final do século XIX, quando Marconi estabelece um enlace de 8 milhas entre uma estação em terra e um rebocador. Em 905, Marconi realiza a primeira transmissão transoceânica, entre Cornwall, na Inglaterra, e Newfoundland, na América do Norte. O transmissor de Bologna Marconi em Newfoundland Figura. Os experimentos de Marconi O primeiro sistema móvel terrestre data de 9. Foi implantado pelo departamento de policia de Detroit na freqüência de MHz com modulação AM (modulação em amplitude) para comunicação entre a central e as viaturas policiais. Era um sistema de despacho simplex, no qual a base transmitia ordens às viaturas policiais sem receber mensagens de retorno. Em 934 a FCC (Federal Communications Commision) norte-americana autorizou o uso de mais quatro canais entre 30 e 40 MHz e em 946 mais 6 canais na faixa de 50 MHz. Neste ano, é inaugurado o sistema MTS (Mobile Telephone System) da AT&T americana, um sistema duplex, mas com comutação manual via operador. Na realidade, devido às restrições tecnológicas da época (interferência entre canais adjacentes), somente 3 dos canais na faixa de 50 MHz podiam ser utilizados Silva Mello, Rodrigues & Maia 5

6 simultaneamente. Em 947 foi inaugurado um sistema operando na faixa de 35 a 44 MHz na rodovia Boston-Nova York. Todos estes sistemas utilizavam o auxilio de operadores para efetuar as chamadas, com os usuários procurando manualmente um canal vago para realizar a solicitação de chamada. Em 955, com a evolução das técnicas de modulação, foi possível a redução do espaçamento entre canais de 60 khz para 30 khz, fazendo com que um total de canais pudessem ser utilizados na faixa de 50 MHz. Logo a seguir, em 956, o FCC autorizou mais canais na faixa de 450 MHz. Em 960 é inaugurado o sistema IMTS (Improved Mobile Telephone System), um sistema full-duplex com discagem direta e alocação automática de canais. Estes sistemas móveis convencionais, não celulares, apresentavam alta probabilidade de bloqueio, devido ao pequeno número de canais imposto pela limitação de espectro. Os sistemas operando em New York em 976 possuíam cerca de 600 usuários apenas, com uma probabilidade de bloqueio que podia chegar a 30% na hora de maior movimento. Mesmo com estes inconvenientes, o número de candidatos na fila de espera para se habilitar ao sistema ultrapassava em muito o de usuários, indicando uma alta demanda pelo serviço. Buscando um melhor desempenho, após um longo período de negociação entre as indústrias, a FCC alocou, em 975, uma faixa de 40 MHz na banda de 800 MHz para um sistema celular. Em 98 começaram os primeiros testes em campo do sistema celular e em 983 os primeiros sistemas celulares analógicos AMPS (Advanced Mobile Phone System), utilizando a técnica de múltiplo acesso por divisão de freqüência (Frequency Division Multiple Access FDMA), entraram em operação nos Estados Unidos. No ano anterior a FCC já havia concedido licenças de operação e alocado 0 MHz adicionais (denominados de espectro expandido) para este tipo de serviço. Em janeiro de 989 surge a ª. geração de sistemas móveis celulares com o primeiro padrão digital americano, denominado D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System) padrão IS-54, utilizando a técnica de múltiplo acesso por divisão de tempo (Time Division Multiple Acess TDMA). Em 993 surgiu o segundo padrão Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 6

7 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares digital americano o IS-95, que utiliza a técnica de múltiplo acesso por divisão de código (Code Division Multiple Acess CDMA). Na Europa, sistemas celulares analógicos de ª. geração foram desenvolvidos independentemente em diferentes países, como o TACS (Total Access Communication System) na Inglaterra, o NMT (Nordic Mobile Telecommunications) nos países nórdicos e o C450 na Alemanha. A falta de padronização entre estes sistemas limitou fortemente sua penetração comercial. Para corrigir este problema, os países europeus desenvolveram um sistema digital de ª. Geração, o GSM (Global System for Móbile Telecommunications), que utiliza tecnologia TDMA e é hoje o sistema de maior penetração global com cerca de 65% dos usuários do mercado mundial. ANO Fins do século XIX MARCO Hertz demonstra que ondas de rádio podem se propagar num meio sem fio. 895 Marconi estabele um enlace de 8 milhas entre uma estação em terra e um rebocador 9 Primeiro sistema móvel terrestre policia de Detroit (MHz) 934 FCC autoriza 4 canais entre 30 e 40 MHz 946 Alocação de mais 6 canais em 50 MHz sistema MTS 947 Sistema operando na faixa de 35 a 44 MHz 955 Alocação de canais de 30 MHz cada na faixa de 50 MHz 956 FCC autoriza canais na faixa de 450 MHz 964 Primeiro sistema automático (IMTS), na faixa de 50 MHz (fullduplex) 969 Sistema IMTS na faixa de 450 MHz 975 FCC aloca 40 MHz na faixa de 800 MHz para um sistema celular 978 Primeiros testes em campo do sistema celular 98 Alocação de 0 MHz adicionais pela FCC (espectro expandido) 983 Primeiros sistemas celulares analógicos (AMPS) Sistemas europeus de ª. Geração: TACS, NMT e C Surgem os padrões digitais de ª. geração IS-54 (D-AMPS) na América do Norte e GSM na Europa 993 Surge o segundo padrão digital americano, o IS-95 (CDMA) Tabela. - Evolução dos sistemas rádio celulares Silva Mello, Rodrigues & Maia 7

8 .. Conceitos básicos de sistemas móveis celulares... O Conceito Celular Os primeiros sistemas móveis terrestres surgiram da necessidade de comunicação de órgãos públicos norte-americanos, sendo seguidos de sistemas comerciais. Eram compostos, basicamente, de transmissores com alta potência situados em locais altos para garantir uma área de cobertura apropriada (quanto mais alto o transmissor, maior a área de cobertura), como ilustrado na figura.3. Como o número de canais disponíveis já era limitado pelo espectro de freqüências alocado para o serviço, os sistemas operavam com elevadas probabilidades de bloqueio, e a lista de candidatos pleiteando um terminal era maior do que a de usuários habilitados ao sistema. Esta situação só pode ser resolvida com a introdução do conceito de células, que deram o nome à telefonia celular. Figura.3 - Sistema móvel convencional A principal limitação dos sistemas convencionais era ter que cobrir uma grande região, como uma cidade inteira, com um número limitado de canais. Nos sistemas celulares esta grande região passa a ser dividida em áreas menores. denominadas células. Cada célula utiliza apenas um subconjunto dos canais do sistema, distinto dos utilizados nas células vizinhas. O conjunto de células vizinhas que utiliza todos os recursos do sistema é denominado grupo (ou cluster, em inglês), como indica a figura.4. Dentro do grupo, todo o espectro disponível pode ser utilizado, sendo os canais divididos entre as células de tal maneira que um determinado canal só estará presente em uma única célula do grupo. Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 8

9 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares Área total de cobertura Célula Grupo Figura.4 - Os conceitos de célula e grupo de células (cluster) O tamanho do grupo deve ser dimensionado para que o número de canais disponíveis seja suficiente ao atendimento aos usuários locais com o grau de serviço desejado. Como um só grupo não cobre toda a região de interesse, é necessário repetir este padrão de cobertura, como mostra a figura.5. Existe um espaçamento mínimo (distância de reuso) entre células que utilizam um mesmo conjunto de canais (mesmas co-células) que limita a interferência a níveis aceitáveis, viabilizando assim o reuso de freqüências entre grupos adjacentes. Para cobrir toda a região de interesse o grupo de células é repetido quantas vezes for necessário. A capacidade de cobertura de um sistema celular com reuso de freqüências é, teoricamente, ilimitada. Caso a densidade de usuários se torne mais elevada, fazendo com que os recursos (canais) alocados a cada célula se tornem insuficientes para atender à demanda, basta reduzir o raio de cobertura das células e repetir o padrão celular de modo a cobrir a área de serviço com um maior número de células menores, mantendo o número total de usuários por célula dentro dos limites de capacidade associados aos canais disponíveis. Cidade Co-células: Células que utilizam um mesmo subconjunto de canais Figura.5 - O conceito de reuso de freqüências Silva Mello, Rodrigues & Maia 9

10 Esta estrutura do sistema exige que, quando um usuário se movimenta da área coberta por uma célula para outra, o sistema realize uma rápida mudança nas freqüências de comunicação utilizadas por este usuário sem que haja queda da conexão. Este processo é denominado handoff ou handover e requer uma complexa configuração de controle. Por este motivo os sistemas celulares, embora baseados numa idéia simples e que já proposta desde a década de 950, só se tornaram viáveis na década de 980 com a evolução dos microprocessadores que são utilizados não apenas nas estações de controle do sistema, mas também nos próprios terminais móveis. Assim, os sistemas móveis celulares distinguem-se dos sistemas móveis convencionais por uma alta densidade de usuários, cobertura subdividida em pequenas áreas com transmissores de baixa potência, antenas pouco elevadas e reuso de freqüências e pela possibilidade de expansão modular teoricamente ilimitada. Principais características dos sistemas móveis Sistemas móveis convencionais Sistemas celulares Baixa densidade de usuários Alta densidade de usuários Não reutilizam freqüências Utilizam reuso de freqüências Alta potência de transmissão Baixa potência de transmissão Antenas elevadas Antenas pouco elevadas Grande área de cobertura Área de cobertura dividida em pequenas células Sem expansão modular Expansão modular ilimitada (teoricamente) Tabela. - Comparação entre os sistemas móveis... Componentes do Sistema Celular A arquitetura da rede celular varia dependento da tecnologia e padrão considerado, mas três elementos principais estão presentes em todos os sistemas, como ilustrado na figura.6: A estação ou terminal móvel EM (em inglês Mobile Station MS ) A estação rádio base ERB (em inglês Base Station BS) A central de comutação e controle CCC (Mobile Switching Center MSC) Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 0

11 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares ERB ERB CCC ERB ERB ERB Rede telefônica fixa Área de serviço ERB ERB ERB ERB Roaming CCC ERB ERB Área de serviço ERB ERB ERB ERB ERB ERB Handoff ERB Figura.6 - Componentes de um sistema celular (ref. []) A estação móvel consiste de um transceptor, que é responsável pela interface entre o usuário e a estação rádio base, convertendo sinais em banda base em sinais de radio freqüência (RF) e vice versa. Além de prover a comunicação de voz ou dados, a EM também realiza funções de controle e sinalização. Ela pode ser classificada de acordo com o tamanho e potência em quatro classes e três tipos: Classe Potência máxima nominal Tipo I 3 W veicular II, W transportável III-IV 0,6 W portátil Tabela.3 - Classes de estações móveis Embora originalmente o sistema tenha sido inicialmente desenvolvido para terminais móveis em viaturas (veiculares), atualmente mais de 98 % dos usuários utilizam terminais portáteis. A estação rádio base estabelece o enlace radio elétrico com o terminal móvel dentro da área de cobertura de uma célula. Ela é conectada por um enlace fixo (rádio ou fibra óptica) a CCC. Silva Mello, Rodrigues & Maia

12 A central de comutação e controle é a responsável pela coordenação das atividades relacionadas ao estabelecimento das chamadas e operação do sistema. É ela quem controla e interliga várias ERBs, supervisiona e administra o sistema, monitora e controla as chamadas, comanda e controla o processo de handoff e provê interface entre a Rede Telefônica Pública Comutada RTPC (ou em inglês Public Switched Telephone Network - PSTN) e o sistema celular..3. Geometria celular Idealmente, assumindo que as condições de propagação não mudem ao longo dos diferentes radiais, a área de cobertura de uma estação rádio base é um círculo (cobertura omnidirecional). É necessário dispor as estações rádio base de forma a obter áreas de superposição de cobertura, tanto para garantir a cobertura total da área desejada como para permitir os processos de handoff. Assumindo as mesmas condições de propagação sobre toda a área das células, e na ausência de bloqueios naturais ou artificiais à propagação do sinal, o melhor servidor em cada ponto será o de menor distância ao terminal, e a fronteira entre áreas de cobertura é o lugar geométrico eqüidistante das estações rádio base (figura.7). (a) (b) Fronteira de melhor servidor Figura.7 - Cobertura em sistemas de múltiplas células Assim, num sistema de múltiplas células a cobertura do melhor servidor em cada ponto corresponde, idealmente, a um polígono. Dependendo da simetria escolhida na disposição das ERBs, as células são representadas por padrões regulares de polígonos como hexágonos, no caso de macro-células, ou quadrados, no caso de micro-células (figura.8). Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio

13 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares Figura.8 - Geometria de padrões regulares Para a determinação da distância de reuso e o cálculo da interferência em sistemas de múltiplas células utiliza-se a geometria de padrões regulares, tomando como distância unitária o raio do círculo circunscrito ao polígono considerado. Alguns casos particulares são analisados a seguir..3.. Padrão regular quadrangular Numa geometria formada de quadrados, o sistema de coordenadas mais conveniente possui o usual ângulo de 90 o entre os eixos (figura.9). Usando as coordenadas (u; v), os centros das células estarão localizados nas seguintes posições: ( u;v) R i ; R j ( R i ; R j) = c c = c c (.) onde : i = 0,,, 3,... j = 0,,, 3,... v y i = i = i =3 C n j =4 j =3 R c D j = j = u x Figura.9 - Padrão regular quadrado A distância entre dois pontos quaisquer C (u,v ) e C (u,v ) é dada por: D = (u (.) u) + (v v) Silva Mello, Rodrigues & Maia 3

14 Em particular, a distância do centro da célula à origem do sistema de coordenadas pode ser calculada tomando (u ;v ) = (0, 0). Usando a expressão (.) para (u ; v ) tem-se : D + = R c i j (.3).3.. Padrão regular hexagonal Numa geometria hexagonal, o sistema de coordenadas mais conveniente possui inclinação de 60 o entre os eixos (figura.0). Usando as coordenadas (u;v) os centros das células, neste sistema de coordenadas, estarão localizados nas seguintes posições: 3 3 ( u,v) R i ; R j = ( 3R i ; 3R j) ( Ri ; Rj) = c c c c = (.8) onde : i = 0,,, 3,... j = 0,,, 3,... Passando o ponto C n das coordenadas (u n ;v n ) para coordenadas retangulares, através das suas projeções tem-se: 0 0 (xn, yn ) = (un cos30 ;vn + unsen30 ) (.9) v y i = i = j = D C n j = u 30 x R c R Figura.0 - Padrão regular hexagonal A distância D entre dois pontos C (u ;v ) e C (u ;v ) pode ser calculada por: 0 [(v v ) + (u u )sen ] D = (u (.0a) 0 u) cos Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 4

15 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares 0 0 ( u u ) ( cos 30 + sen 30 ) + ( v v ) + ( u u ) ( v v ) ( ) D = (.0b) ( u u ) + ( v v ) + ( v v ) ( u ) D = (.) u A distância do centro da célula à origem do sistema de coordenadas pode ser calculada tomando (u ; v ) = (0 ; 0) e usando a expressão (.) para (u ; v ): D + = R c 3 i + i j + j = R i + i j j (.).3.3. Padrão regular hexagonal com simetria rotacional Esta geometria enfatiza a simetria rotacional do sistema, usando a noção de anéis hexagonais de células, em volta de uma célula central, como mostra a figura.a. O diagrama consiste de uma célula central e seis setores de 60 o em torno da origem. As coordenadas de uma célula num setor são (n, i), aonde n é o número do anel e i =,,..., n são os índices das células no n-ésimo anel. A distância da i-ésima célula do n-ésimo anel é dada por: d 0 ( n, i) ( nr) + ( ir) ( nr)( ir) cos60 = 4R ( n + i ni) = (.3) d ( n, i) R n + i ni = R 3 n + i ni = (.4) As distâncias das células dos diferentes anéis estão ilustradas na figura.b e na tabela.4. n c 3 D ir 60 0 nr 3 i Dois primeiros anéis Figura.a - Padrão regular hexagonal com simetria rotacional Silva Mello, Rodrigues & Maia 5

16 4R 3,46R 4R R c 3,46R R R 3,46R R 4R R 0 R 4R 3,46R R R 3,46R 4R 3,46R 4R Figura.b - Distâncias entre células no padrão hexagonal com simetria rotacional n i Distância Número de células R = R c 3 6 R 3 = 3R c 6 4R = R c R 7 = R c 6 R 7 = R c 6 3 6R = 3R c R 3 = R c R 3 = 6R c 6 3 R 3 = R c R = 4R c n i R n + i ni = 6 Rc 3 n + i ni Tabela.4 - Distâncias entre células no padrão hexagonal com simetria rotacional Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 6

17 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares.4. Características das configurações celulares hexagonais Em configurações macro-celulares, correspondendo a células com raios de cobertura acima de km, a geometria normalmente utilizada é a hexagonal com simetria rotacional. Este padrão assegura uniformidade nos níveis de interferência entre células utilizando o mesmo conjunto de canais em grupos (clusters) distintos. A cobertura de um grupo básico de 7 células, com este tipo de simetria, é ilustrada na figura.. Esta configuração básica, embora seja a mais óbvia, não é a única possível, como será mostrado a seguir. Figura. - Cobertura de um grupo hexagonal de 7 células.4.. Número de células por grupo Considerando cluster de formato hexagonal, iremos agora determinar os números possíveis de células que o compõem. Sendo a área da célula a e a área do grupo A, tem-se: R c D a = 3 célula R c 3 A = cluster D 3 Figura.3 - Áreas de uma célula e de um grupo (cluster) Silva Mello, Rodrigues & Maia 7

18 O número de células do grupo é obtido por: A D N = = (.5) a 3R c onde : N = número de células por grupo a = área da célula A = área do cluster R c = raio da célula D distância entre dois grupos Como a distância em células hexagonais é dada por ( D = i + ij + j 3R ), c temos: N + = i + ij j (.6) Como i e j são números inteiros, o cluster só irá acomodar determinado número de células, como por exemplo, (i=0 j= ou i= j=0), 3 (i= j=), 4 (i=0 j= ou i= j=0), 7 (i= j= ou i= j=), 9 (i=0 j=3 ou i=3 j=0), (i= j=),..., células por cluster (figura 4). D D R c R c D R c R c D D Figura.4 - Configurações celulares hexagonais (ref.[]) Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 8

19 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares.4.. Razão de reuso O parâmetro D/R c = q é conhecido como razão de reuso co-canal e pode ser expresso por: D q = = 3N (.7) Rc A razão de reuso co-canal é um parâmetro fundamental no planejamento de sistemas celulares, pois determina a interferência co-canal (interferência entre células que utilizam o mesmo conjunto de canais) e ao mesmo tempo que limita a capacidade de tráfego do sistema. Aumentando-se a razão de reuso, a interferência co-canal se reduz, como será visto a seguir. Entretanto, o número de células por cluster aumenta, o número de canais por célula diminui (considerando que o número total de canais é constante) e, conseqüentemente, diminui também a capacidade de tráfego do sistema. A escolha da razão de reuso co-canal é, portanto, um compromisso entre a capacidade de tráfego e a qualidade do sistema (quanto menor a interferência co-canal, maior a qualidade do sistema). Células / cluster D/R c Capacidade de tráfego Qualidade de transmissão.73 Maior Pior Menor Melhor Tabela.5 - Razão de reuso, capacidade de tráfego e qualidade A figura.5 mostra a distribuição dos canais para o plano de reuso de frequência N= Interferência co-canal Quando se utiliza uma configuração celular com simetria hexagonal, a interferência causada pelo reuso de freqüências em grupos adjacentes pode ser calculada considerando 6 células interferentes a uma distância D, células interferentes a uma distância D e assim sucessivamente. Silva Mello, Rodrigues & Maia 9

20 5 (5,, 9) 3 (3, 0, 7) 7 (7, 4, ) 6 (6, 3, 0) (, 8, 5) (, 9, 6) 4 (4,, 8) (a) (b) Figura.5 - (a) Plano de reuso de frequência N = 7; (b) Sistema celular de 7 grupos Célula interferida Célula interferente do o anel de co-células Célula interferente do o anel de co-células Figura.6 - Interferências em configurações celulares hexagonais Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 0

21 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares Considerando uma lei de potência para a perda de propagação com a distância, a relação entre o sinal desejado e a interferência co-canal é dada por: S I = 6 k= S 8 I k + I k + I k k= k3= (.8) onde : γ S = C d intensidade do sinal desejado transmitido a uma distância d do transmissor; I intensidade do sinal interferente devido a uma célula no n- γ kn = C D kn ésimo anel, a uma distância D kn do transmissor; γ = fator de variação da perda de propagação com a distância, com valor entre e 5; C = parâmetro cujo valor depende das características do sistema de transmissão e de outros parâmetros que influenciam a propagação além da distância, como freqüência, altura de antenas, grau de urbanização, etc.; Considerando um móvel na fronteira da célula (pior caso), tem-se d R c. Para D>>R c tem-se D kn nd. Conseqüentemente, S I 6 C D S I γ 6 S I C d + C (D) D R c γ 6 γ γ + 8 C (3D) γ γ γ ( ) D R c γ k = k γ +... (.9a) (.9b) (.9c) Como o sinal interferente cai proporcionalmente com a distância do transmissor interferente elevada à potência γ, as células que mais causam interferência são as mais próximas. Uma aproximação usual consiste em considerar apenas o o anel interferente. Neste caso tem-se: Silva Mello, Rodrigues & Maia

22 S I γ q = (.0) γ D 6 6 R c D D D R D D D (a) (b) Figura.7 - (a) Distância ao transmissor interferente; (b) distância ao transmissor desejado. Esta aproximação pode apresentar um erro significativo dependendo do valor de γ. Para estimar este erro considere-se o efeito do segundo anel interferente: S I o e o aneis int erferentes = 6 c D R γ γ ( + ) (.) S I o e o aneis int erferentes S = o I anel int erferente γ ( + ) (.) A degradação causada pelas células do o anel é dada pela a tabela a seguir: γ Interferência adicional devida ao segundo anel: 0 log (+ -γ ).74 db db db db Tabela.6 - Influência do segundo anel interferente Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio

23 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares Da expressão (.9c) observa-se que, para um número fixo de anéis e um mesmo valor de γ, quanto maior é o fator de reuso cocanal, ou seja, maior o valor de N, maior é a relação S/I. Entretanto, um aumento no fator de reuso cocanal (aumento no valor de N) implica um menor número de canais por célula disponíveis para atender o tráfego, acarretando uma redução na capacidade do sistema. Tem-se por tanto um forte compromisso entre a capacidade e a interferência. A Tabela.7 apresenta os números de canais por célula para o sistema AMPS e a relação S/I, calculada pela expressão (.0), para os planos de reuso N = 4 a 9. N = 4 N = 7 N = 9 N = N = 9 S/I (db) n Tabela.7 - Interferência cocanal e número de canais por célula (γ = 4, n = M/N, com M = número total de canais = 395, sem setorização).4.4. Setorização Esta técnica consiste em dividir a célula em setores, cada um servido por um conjunto diferente de canais e iluminado por uma antena direcional. Na prática são utilizadas divisões em 3 ou 6 setores. O grande benefício da setorização é reduzir a interferência. Em sistemas FDMA e TDMA a setorização provoca também uma redução na capacidade de tráfego do cluster. Já em sistemas CDMA a redução da interferência se reflete diretamente num aumento (substancial) da capacidade de tráfego. A setorização obriga que se execute um handoff quando o móvel passa de um setor para outro da mesma célula, denominado handoff intra-celular Cálculo da redução da interferência setorização tripla Como podemos perceber na figura.8, a interferência das ERBs do o anel interferente fica restrita a um dos setores das ERBs 5 e 4 e a interferência do móvel a ERB fica restrita a um dos setores das ERBs e. Silva Mello, Rodrigues & Maia 3

24 Interferência no móvel devida às células adjacentes Interferência na ERB devida aos moveis de outras Figura.8 - Interferência com setorização tripla (ref. []) A relação sinal interferência (considerado apenas o primeiro anel interferente) com a setorização tripla é dada por: S I k = D R c γ γ q = (.3) Pode-se então definir ganho de setorização como: Neste caso G S I S I célula setorizada = (.4) célula sem setorização q / G = 3 q / 6 = γ γ (.5a) G (db) = 0 log(g) = 4,78dB (.5b) Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 4

25 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares Cálculo da redução da interferência com 6 setores por célula: Como podemos perceber na figura.9, a interferência das ERBs do o anel interferente fica restrita a um dos setores da ERB 4 e a interferência do móvel a ERB fica restrita a um dos setores das ERB Interferência no móvel devido as células adjacentes Interferência na célula devido aos moveis de outras Figura.9 - Interferência com setorização sextupla (ref. []) A relação sinal interferência (só com o primeiro anel interferente) com a setorização sextupla fica: S I k = D R c γ = q γ (.6) Neste caso, o ganho de setorização é dado por: q G = 6 q / 6 = γ γ (.7a) G (db) = 0 log(g) = 7,78dB (.7b) Silva Mello, Rodrigues & Maia 5

26 .4.5. Interferência de Canal Adjacente O problema causado pela interferência de canal adjacente é significativo se um usuário de uma célula opera num canal adjacente ao canal utilizado por outra célula próxima. A interferência de canal adjacente é dada por: γ d I ICA = 0 log - IC d (.8) C onde: d I = Distância entre a ERB que contem o canal adjacente interferente e o móvel. d C = Distância entre a ERB que possui o canal desejado e o móvel. IC = Isolamento de canal adjacente, dependente da filtragem (valor típico 6 db) O pior caso de interferência de canal adjacente acontece quando o móvel está próximo à fronteira entre duas células que operam em planos de frequência que utilizam canais adjacentes. Neste caso as distâncias d I e d C são aproximadamente iguais e ICA = - IC. A figura.0a mostra a versão otimizada do plano de reuso de frequência N = 7 do ponto de vista da interferência de canal adjacente, que só é significativoaentre duas duplas de células: - e -7. No caso não otimizado da figura.0b, têm-se 7 duplas de células com interferência de canal adjacente. Estas duplas são: -, -7, -3, 3-4, 4-5, 5-6 e 6-7. O reuso de frequência produz um aumento das duplas de células com interferência de canal adjacente, como ilustra a figura.0c. 5 (5,, 9) 3 (3, 0, 7) 7 (7, 4, ) 6 (6, 3, 0) (, 8, 5) (, 9, 6) 4 (4,, 8) 3 (3, 0, 7) (, 9, 6) 4 (4,, 8) 7 (, 8, 5) 5 (7, 4, ) 6 (5,, 9) (6, 3, 0) (a) (b) Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 6

27 Conceitos Básicos de Sistemas Celulares 5 (5,, 9) 3 (3, 0, 7) (, 8, 5) 6 (6, 3, 0) 4 (4,, 8) 7 (7, 4, ) (, 9, 6) 5 (5,, 9) 3 (3, 0, 7) (, 8, 5) 6 (6, 3, 0) 4 (4,, 8) (c) 7 (7, 4, ) (, 9, 6) Figura.0 - Interferência de canal adjacente devido ao reuso de freqüências Silva Mello, Rodrigues & Maia 7

28 CAPÍTULO TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO CELULAR.. Técnicas de Múltiplo Acesso O compartilhamento de recursos de um sistema rádio entre diversos usuários é denominado técnica de múltiplo acesso. Há três formas principais de múltiplo acesso em uso atualmente: Múltiplo Acesso por Divisão de Frequência (FDMA); Múltiplo Acesso por Divisão de Tempo (TDMA); Múltiplo Acesso por Divisão de Código (CDMA). Quanto à implementação de comunicação bidirecional full-duplex, pode-se utilizar divisão no tempo (TDD - Time Division Duplex) ou na frequência (FDD Frequency Division Duplex). No modo FDD, cada sentido de transmissão utiliza faixas distintas de freqüência, separadas convenientemente para evitar interferências. No TDD, as duas direções de comunicação utilizam uma mesma faixa de freqüências, mas em intervalos de tempo (slots) distintos. O TDD requer sincronização e tempo de guarda entre os slots para evitar interferência.... Sistemas FDMA A maneira usual de se realizar um esquema FDMA é através da associação de uma portadora a cada canal. Esse esquema é conhecido por Canal Único por Portadora (SCPC Single Channel per Carrier). A representação da técnica FDMA é mostrada na Figura.. Usualmente, o que se denomina um canal são as duas faixas de freqüência associadas a um par de portadoras de transmissão no sentido direto (base para móvel) e reverso (móvel para base). Sistemas FDMA são sempre FDD e normalmente utilizam canais de faixa estreita. Tanto sistemas analógicos como digitais podem ser implementados com a técnica FDMA. 8

29 Tráfego e Planejamento de Frequências tempo canais reversos canais diretos c a n a l c a n a l c a n a l c a n a l c a n a l c a n a l c a n a l c a n a l c a n a l c a n a l 3 4 n 3 4 n freqüência Figura. - Técnica de acesso FDMA com duplexação FDD As principais características dos sistemas FDMA são: Transmissão contínua uma vez alocados, os canais são usados continuamente pela base e pelo móvel até o fim da comunicação; Banda estreita como cada canal de freqüência é utilizado por um único usuário, a banda necessária para sinais de voz é relativamente pequena, variando de 5-30 khz em sistemas analógicos. Em sistemas digitais, o uso de codificação de voz a baixa taxa pode reduzir ainda mais a banda necessária; Baixa interferência intersimbólica este problema, associado à existência de múltiplos percursos de propagação produzindo sinais defasados no tempo no receptor afeta apenas sistemas digitais. Para sistemas FDMA digitais, que normalmente utilizam baixas taxas de transmissão, esse não é um problema crítico; Baixa sobrecarga de informações de controle (overhead) Pelo uso contínuo no tempo dos canais alocados, pouca capacidade adicional é necessária para controle em comparação com sistemas TDMA; Eletrônica simples a pouca ou nenhuma necessidade de processamento para combater interferência intersimbólica permite o uso de equipamentos mais simples; Uso de duplexadores como a transmissão é full-duplex, com apenas uma antena para transmissão e recepção, é necessário o uso de duplexadores para a filtragem entre recepção e transmissão; Silva Mello, Rodrigues & Maia 9

30 Alto custo de estações base a arquitetura SCPC requer que um transmissor, um receptor, dois codecs (codificador/decodificador) e dois modems (modulador/ demodulador) sejam usados para cada canal numa estação base; Handoff perceptível pelo fato da transmissão ser contínua, a comutação entre freqüências no processo de handoff é perceptível (audível) ao usuário.... Sistemas TDMA Nos sistemas TDMA uma mesma portadora é compartilhada por vários usuários. O canal físico (faixa de freqüência) é alocado a cada usuário por determinado intervalo de tempo limitado, denominado slot. Em cada slot de tempo apenas um usuário terá acesso a esta faixa de freqüências. No sinal transmitido pela rádio-base, diferentes intervalos de tempo contêm informação dirigida a diferentes usuários móveis que devem decodificar apenas os sinais a eles dirigidos. A transmissão do móvel para a base é feita em rajadas, ocorrendo apenas em intervalos de tempo (slots) reservados. Nos demais intervalos, outros usuários móveis poderão ter acesso à mesma portadora sem que as transmissões interfiram entre si. A Figura. ilustra o conceito TDMA/FDD. O canal TDMA é definido pelas duas combinações de faixa de freqüências e slot alocadas ao usuário, nos enlaces direto e reverso. tempo canais reversos canais diretos canal n canal n canal 4 canal 3 canal canal canal 4 canal 3 canal canal freqüência Figura. - Técnica de acesso TDMA com duplexação TDD Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 30

31 Tráfego e Planejamento de Frequências A figura.3 ilustra o conceito TDMA/TDD. O canal TDMA é definido pelas duas combinações de faixa de freqüências e slots alocadas ao usuário, nos enlaces direto e reverso. tempo canal n canal 4 canal 3 canal 4 canal 3 canal canal canal canal freqüência Figura.3 - Técnica de acesso TDMA com duplexação TDD As principais características dos sistemas TDMA são: Vários canais por portadora como visto, cada portadora é utilizada em vários intervalos de tempo distintos, cada qual correspondendo a um canal (usuário). No sistema D-AMPS, utiliza-se três slots por portadora com canais de 30 khz, enquanto que no sistema GSM cada portadora atende a oito slots com canais de 00 khz; Transmissão em rajadas (bursts) como cada portadora é compartilhada no tempo, cada usuário transmite ou recebe sua informação numa rajada dentro dos respectivos slots. Essa forma de transmissão permite um menor consumo de bateria nos terminais móveis; Alta interferência intersimbólica como a taxa de transmissão é normalmente muito mais alta nos sistemas TDMA do que nos sistemas FDMA digitais, a duração de símbolos é comparável ao espalhamento de retardos (delay spread) entre os sinais recebidos por diferentes percursos entre transmissor e receptor. É necessário um tratamento especial para minimizar esse problema, em especial em sistemas com taxas mais altas, como o GSM; Silva Mello, Rodrigues & Maia 3

32 Alta sobrecarga de informações de controle (overhead) a característica de transmissão em rajadas requer um controle mais preciso no que diz respeito à sincronização. Os bits requeridos para este controle além da necessidade de tempos de guarda entre slots, geram um alto overhead; Eletrônica complexa por utilizar tecnologia digital, muitos recursos podem ser agregados na unidade móvel, aumentando sua complexidade; Não requer o uso de duplexadores nos sistemas TDMA/TDD como transmissão e recepção acontecem na mesma freqüência mas em slots de tempo distintos. Nos sistemas TDMA/FDD, é possível defasar os slots de transmissão e recepção para que a comunicação nos dois sentidos não ocorra exatamente no mesmo instante dispensando-se também o uso de duplexadores; Baixo custo de estações base como são usados múltiplos canais por portadora, o custo de transceptores pode ser reduzido proporcionalmente; Handoff eficiente o handoff pode ser realizado nos instantes em que o transmissor do móvel é desligado, tornando-se imperceptível ao usuário; Vantagens inerentes a sistemas digitais, como a capacidade de monitoração da comunicação quadro-a-quadro, por exemplo. A Figura.4 ilustra um quadro (frame) de informação usado em sistemas TDMA. Cada slot é composto de um preâmbulo e bits de informação associados a um ou mais usuários. O preâmbulo tem como função prover identificação, controle e sincronização na recepção. Tempos de guarda são utilizados para minimizar a interferência entre canais (cross talk). Os sistemas TDMA permitem alocar diferentes números de slots por quadro para cada usuário, provendo uma forma de alocação de banda por demanda de acordo com as necessidades de taxa de transmissão de dados de cada usuário. quadro preâmbulo slot slot slot n preâmbulo preâmbulo usuário usuário... usuário m tempo de guarda Figura.4 - Quadro (frame) do TDMA Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 3

33 Tráfego e Planejamento de Frequências..3. Sistemas CDMA Na técnica de acesso CDMA todos os usuários podem transmitir simultaneamente, numa mesma banda de freqüências. Um conjunto de seqüências pseudo-aleatórias ortogonais (com correlação cruzada idealmente igual a zero), é usado para codificar as informações de diferentes canais. No receptor a aplicação das diferentes seqüências de código ao sinal recebido permite reconstituir os sinais individuais de cada canal, conhecendo o código, decodifica o sinal recebido e recupera os dados de cada canal de informação. Para que o sistema funcione de forma eficiente, as seqüências de código são longas, sendo transmitidas a taxas muito mais elevadas que os sinais de informação. Conseqüentemente, o sinal codificado ocupa uma banda de freqüências muito mais larga que a banda dos sinais de informação original. Por este motivo, o CDMA é conhecido também como Múltiplo Acesso por Espalhamento Espectral (em inglês Spread Spectrum Multiple Access SSMA). A Figura.5 ilustra a técnica de acesso. Tempo Canal Canal Canal 3 Canal 4 Frequência Código Figura.5 - Técnica de acesso CDMA No processo de espalhamento espectral a energia total de cada sinal é mantida, sendo distribuída por toda a banda, assemelhando-se ao espectro de ruído branco. Todos os sinais oriundos dos diversos usuários/estações base e o próprio ruído agregado à transmissão são superpostos no espectro. Através da aplicação do código apropriado, a informação do usuário desejado é extraída deste ruído. Há duas formas principais de se realizar o espalhamento espectral: Salto em Frequência Frequency Hopping (FH) e Sequência Direta Direct Sequency (DS). Na técnica de espalhamento por salto em freqüência, a portadora de cada canal salta entre as várias freqüências do espectro alocado, segundo uma seqüência pseudoaleatória. A faixa original do sinal é mantida, porém, como a portadora percorre Silva Mello, Rodrigues & Maia 33

34 rapidamente uma faixa muito grande de freqüências, o efeito final é de espalhamento espectral. Um sistema FH pode ser encaradoado como um sistema FDMA com diversidade de freqüência. Esta técnica provê um alto nível de segurança, uma vez que um receptor que tente interceptar a comunicação sem dispor da seqüência pseudoaleatória usada para comandar os saltos, precisará buscar freqüências de sintonia de forma muito rápida e determinar a freqüência em uso em cada instante e no slot de tempo exato. A Figura.6 ilustra essa técnica. freqüência usuário usuário usuário 3 usuário 4 usuário 5 usuário 6 tempo Figura.6 - Salto em frequência (Frequency Hopping) Na técnica de espalhamento por seqüência direta, o sinal de cada canal é multiplicado por uma seqüência binária de um conjunto ortogonal. Duas seqüências são x e y são ortogonais quando sua correlação cruzada é igual a zero. Para duas seqüências de comprimento L dadas por x = (x, x, x 3,... x L ) e y = (y, y, y 3,... y L ), a correlação cruzada é dada por R L xy = xi yi = 0 i= Além disto, a autocorrelação é igual ao comprimento da seqüência, ou seja R xx = L x x = R = L i i yy i= i= y y i i = L O processo de espalhamento por seqüência direta e a recuperação dos sinais num sistema DS-CDMA são ilustrados na Figura.7 e na Figura.8 de forma simplificada, considerando apenas duas mensagens m e m codificadas por duas seqüências c e c. Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 34

35 Tráfego e Planejamento de Frequências m m c A B integrador C decisor m c A canal c m m c integrador decisor m c c Figura.7 - Processo de espalhamento espectral por sequência direta Figura.8 - DS-CDMA Simais no domínio do tempo Silva Mello, Rodrigues & Maia 35

36 O processo de espalhamento no domínio da freqüência é ilustrado na Figura.9. Sinal espalhado (CDMA) Usuário Transmissão Recepção Sinal de informação Usuário f Sinal espalhado (CDMA) Usuário f Sinal transmitido (CDMA) f Sinal recebido (CDMA) Recuperação do sinal de informação do usuário f f Sinal de informação Usuário f f Recuperação do sinal de informação do usuário f Figura.9 DS-CDMA Sinais no domínio da freqüência A alta imunidade do CDMA a sinais interferentes pode ser melhor compreendida através da Figura -0, que mostra um sinal interferente de faixa estreita adicionado no canal, após o processo de espalhamento espectral já ocorreu. Na recepção, quando for aplicado o código para extrair o sinal desejado, o sinal interferente será espalhado, tendo seu efeito muito atenuado. transmissão recepção Sinal espalhado (CDMA) f Sinal recebido = sinal CDMA + sinal interferente f Sinal recebido após a aplicação do código f Figura -0 - Imunidade a interferência de faixa estreita no DS-CDMA Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 36

37 Tráfego e Planejamento de Frequências No DS-CDMA a potência agregada de todos os usuários, com exceção do usuário desejado, corresponde ao nível mínimo de ruído no receptor no momento do desespalhamento (retirada da informação desejada através da aplicação do código apropriado). Se a potência de cada usuário não é controlada, de forma que todos os sinais cheguem ao receptor com a mesma intensidade, ocorre o problema perto-distante (near-far). Neste caso, os sinais mais fortes elevarão o nível mínimo de ruído na recuperação dos sinais mais fracos e tenderão a mascará-los. Para combater o problema, adota-se um rígido esquema de controle de potência, no qual a estação base monitora os terminais de maneira e indica a cada um a potência a transmitir para que todos os sinais sejam nela recebidos com o mesmo nível. Resumindo as principais características dos sistemas DS-CDMA, temos Usuários comunicam-se usando as mesmas freqüências, simultaneamente, sendo separados por códigos ortogonais; Ao contrário do FDMA e do TDMA, o CDMA não há um limite de capacidade bem definido. Ao aumentar o número de usuários, o nível de ruído interferente no sistema aumenta. Quando este nível atinge um limiar pré-definido, o sistema para de aceitar novos usuário; Efeitos de desvanecimentos seletivos em freqüência são minimizados já que o sinal original estar espalhado por uma banda muito larga. Além disto, o receptor utilizado (receptor RAKE) permite combinar os sinais recebidos por multipercurso, aumentando a qualidade do sinal; No caso de handoff, mais de uma estação base monitora o nível do móvel e a central de controle pode escolher a melhor versão do sinal, sem necessitar comutar freqüências. Este processo é denominado soft handoff; O sistema requer um controle de potência muito eficiente para evitar o efeito pertodistante. Para permitir a recuperação de todos os canais, os sinais das estações móveis devem ser recebidos com a mesma potência independentemente de sua posição em relação à ERB. Uma vantagem básica do CDMA é sua maior capacidade de tolerar sinais interferentes, se comparado a FDMA e a TDMA. Como resultado propriedade, Silva Mello, Rodrigues & Maia 37

38 problemas de alocação da banda e interferência entre células adjacentes são simplificados em relação aos sistemas FDMA e TDMA que requerem um plano de alocação de canais (freqüências e slots) para evitar interferência, exigindo filtros sofisticados e tempos de guarda entre slots. Um aumento de capacidade no CDMA pode ser conseguido utilizando-se taxa de transmissão variável em função da atividade de voz detectada no canal. Em termos de capacidade o CDMA possui, teoricamente, uma vantagem sobre sistemas analógicos por um fator da ordem de 0. Por outro lado, a realização prática deste aumento de capacidade exige o atendimento a uma série de requisitos como controle de potência eficiente, ortogonalidade entre códigos e sincronismo perfeito (bases são sincronizadas utilizando o GPS Sistema de Posicionamento Global, e passam o sincronismo aos móveis). Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 38

39 Tráfego e Planejamento de Frequências CAPÍTULO 3 TRÁFEGO E PLANOS DE REUSO DE FREQÜÊNCIA 3.. Conceitos de Tráfego O problema da engenharia de tráfego consiste em prover serviços de comunicação, numa determinada área geográfica e para um determinado número de usuários caracterizados por certos hábitos de utilização, com um certo grau de serviço. O grau de serviço (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. Um sistema superdimensionado pode prover graus de serviço baixíssimos (no limite, um sistema com um número de canais maior ou igual ao de assinantes e uma rede de transmissão sem falhas terá grau de serviço igual a zero) mas não será economicamente viável. Por outro lado, um sistema com alto grau de serviço também perderá receita, seja pela insatisfação do usuário, sua redução de utilização do serviço, eventual migração para um prestador concorrente, seja pela própria perda das conexões demandadas e, consequentemente, de receita. Estabelecer e garantir um grau de serviço que represente um bom compromisso entre, de um lado, o custo de implantação e operação do sistema e, de outro, uma boa receita e satisfação do usuário, é o objetivo da engenharia de tráfego Intensidade de tráfego A informação fundamental para a engenharia de tráfego é a demanda pelo serviço na região a ser atendida. Esta demanda, ou intensidade de tráfego, pode ser determinada a partir de dados demográficos e características de utilização do serviço pelo usuário, sendo normalmente expressa em Erlangs por unidade de área. Um Erlang é definido como um circuito de comunicação em uso por uma hora, sendo o tráfego dado por o. N de chamadas tempo médio de chamada (min) Tráfego(Erlangs) = (3.) 60 Silva Mello, Rodrigues & Maia 39

40 3... Características de tráfego A principal dificuldade no dimensionamento do sistema reside no fato de que o tráfego passa por grandes variações horárias, diárias e até sazonais. O pico de tráfego, para o qual deve ser dimensionada a probabilidade de bloqueio do sistema, varia dependendo do tipo de área (comercial, industrial ou residencial) considerada mas, normalmente, ocorre no final da manhã e no final da tarde. Durante a noite o tráfego de voz é, evidentemente, muito baixo mas, em alguns sistemas, observa-se um alto tráfego de dados. Um exemplo de possível característica de tráfego é mostrado na figura 3.. Figura 3. - Exemplo de característica de tráfego (ref. [3]) Probabilidade de bloqueio (Grau de Serviço) A probabilidade de bloqueio do sistema depende das distribuições estatísticas do número de chamadas solicitadas pelos usuários, do tempo de duração das chamadas e o destino dado às chamadas bloqueadas. Em teoria de tráfego, é amplamente aceito e testado que a distribuição de chegada de chamadas é uma distribuição de Poisson e que os tempos de retenção apresentam uma distribuição do tipo exponencial negativa. A partir destas suposições, é possível mostrar que a probabilidade de bloqueio tem um de dois comportamentos, dependendo do destino das chamadas bloqueadas: Coelho, Garcia, Rodrigues & Silva Mello CETUC-PUC/Rio 40