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Aula 03 - ECO0066ECO0066 Sistemas de Comunicações Móveis O Conceito de Celular - Fundamentos de Projeto do Sistema Prof.: Yuri Victor Lima de Melo Universidade Federal do Ceará (UFC) Departamento de Computação (DC) Engenharia de Computação [email protected] 2017 Aula 03 - ECO0066 Sumário 1 Introdução 2 Reutilização de Frequência 3 Estratégia de Atribuição de Canal 4 Estratégia de Transferência 5 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Interferência do Canal Adjacente 6 Entroncamento e Qualidade do Serviço 7 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Aula 03 - ECO0066 Introdução 1 Introdução 2 Reutilização de Frequência 3 Estratégia de Atribuição de Canal 4 Estratégia de Transferência 5 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Interferência do Canal Adjacente 6 Entroncamento e Qualidade do Serviço 7 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Aula 03 - ECO0066 Introdução Conceito O conceito de celular foi um avanço importante na solução do problema de capacidade de usuários e congestionamento espectral. Adotando mudanças, tais como: Único Transmissor Vários Transmissores Célula Grande Células Pequenas Alta Potência Baixa Potência Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência 1 Introdução 2 Reutilização de Frequência 3 Estratégia de Atribuição de Canal 4 Estratégia de Transferência 5 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Interferência do Canal Adjacente 6 Entroncamento e Qualidade do Serviço 7 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Conceito Processo de selecionar e alocar grupos de canais para todas as estações base de celular dentro de um sistema. Nota Planejamento de frequência e reutilização de frequência possuem o mesmo conceito. Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência O Processo de Reutilização de Frequência O sistema celular realizam uma alocação e reutilização inteligente de canais em uma região de cobertura. Onde: 1 Cada estação base de celular recebe um grupo de canais de rádio a ser usados dentro de uma pequena área geográfica, chamada célula. 2 As estações base em células adjacentes recebem grupos de canais completamente diferentes. Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência O Processo de Reutilização de Frequência Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência O Processo de Reutilização de Frequência Cluster É um conjunto de células vizinhas que contém todas as frequências do sistema celular, ou seja, dentro de um cluster nenhuma frequência pode ser reusada. Tamanho do Cluster (N) Corresponde ao número de células que compõem o cluster. Valores comuns são 4, 7 ou 12. Fator de Reutilização de Frequência Corresponde ao inverso do tamanho do cluster, ou seja, 1 . N Indicativo da quantidade de canais disponı́vel numa célula em relação ao total. Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Relacionando Capacidade-Cluster-Reutilização de Frequência Considerando um sistema celular que possui um total de S canais duplex disponı́veis para uso. Se o total de canais duplex S forem divididos igualmente no cluster de tamanho N, então cada célula terá: S k= N Se um cluster for replicado M vezes dentro do sistema, o número total de canais duplex, C , pode ser usado como uma medida de capacidade e é dado por: C = MkN = MS Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Relacionando Capacidade-Cluster-Reutilização de Frequência Considerando o caso de uma região de cobertura, canais (S) e tamanho da célula fixa. Temos relações interessantes, onde: Diminuição do tamanho do cluster Aumento do número de cluster (M) para cobrir a região. Aumento da capacidade C . Aumento do tamanho do cluster Diminuição do número de cluster (M) para cobrir a região. Diminuição da capacidade C . Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Relacionando Capacidade-Cluster-Reutilização de Frequência Considerando o caso de uma região de cobertura, canais (S) e tamanho da célula fixa. Temos relações interessantes, onde: Diminuição do tamanho do cluster Diminuição da distância entre células co-canal. Aumento da interferência co-canal. Aumento do tamanho do cluster Aumento da distância entre células co-canal. Diminuição da interferência co-canal. Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Relacionando Capacidade-Cluster-Reutilização de Frequência Do ponto de vista do projeto, o N desejavel é o menor valor possı́vel a fim de maximizar a capacidade do sistema mantendo a qualidade da comunicação em nı́vel tolerável. Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência O Motivo de Utilizar Hexágono A forma do hexagonal é um modelo simplificado da cobertura de rádio de cada estação base. Utiliza-se o hexágono, pois: Permite a análise fácil e manejável de um sistema celular Torna-se fácil cobrir um mapa sem deixar lacunas ou criar regiões sobreposta. Hexágono se aproxima mais de um padrão circular (caso de uma antena omnidirecional) Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Tamanho do Cluster (N) - Baseado na Geometria dos Hexágonos Devido ao fato da geometria hexagonal: Ter exatamente seis células equidistantes. Cada um de seus vizinhos estarem separadas por múltiplos de 60 graus. É possı́vel determinar o tamanho do cluster (N), no qual não terá lacunas de células adjacentes. Caso a equação seja satisfeita: N = i 2 + ij + j 2 onde i e j são Z+ . Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Localizando Células Co-Canais - Baseado na Geometria dos Hexágonos Uma forma de encontrar vizinhos de co-canal mais próximo de uma célula em particular, é preciso fazer o seguinte: 1 Mova i células ao longo de qualquer cadeia de hexágonos. 2 Vire 60◦ em sentido anti-horário. 3 Mova j células. Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Exemplo Se 20 MHz do espectro total forem alocados para um sistema celular sem fio duplex e cada simplex tiver 25 kHz de largura de banda RF, encontre: a) O número de canais duplex. b) O número total de canais por local de célula, se a reutilização de célula N=4 for utilizada. Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Exemplo Uma pequena cidade é coberta por um cluster de tamanho 7 e antenas omnidirecionais nas Estações Rádio Base (ERBs). Foi alocada uma banda de 40 MHz para o sistema, com largura de canal duplex igual a 25 kHz. Considere serem necessários três canais de controle por célula. a) O número de canais disponı́veis. b) O número total de canais por local de célula, discriminando o número de canais de voz e controle. c) Quantos canais são desperdiçados? Qual o quantidade do desperdı́cio em kHz? Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Exemplo Para um fator de reutilização de frequência igual a 1/7 determine as células co-canais para a célula 1. Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Exemplo ANATEL-2009-Especialista em Regulação-Engenharia Acerca de conceitos relacionados com os sistemas de comunicações digitais celulares, julgue os itens abaixo como C-Certo ou E-Errado: Um sistema de comunicação móvel que emprega tecnologia FDMA, com 20 canais de 20 kHz cada, por célula hexagonal, e fator de reúso igual a 9, tem alocada banda de frequências, necessariamente, superior a 4 MHz. Aula 03 - ECO0066 Reutilização de Frequência Exemplo TJ-PI-2015- Analista Judiciário Telecomunicações A razão de reuso de células que utilizem o mesmo grupo de frequências (co-canais) é um importante parâmetro para o planejamento de sistemas celulares. Comparando o cluster de formato hexagonal formado por sete células em relação ao de três, é correto afirmar que o cluster com sete células possui: a) Maior capacidade de tráfego e melhor qualidade de transmissão. b) Menor capacidade de tráfego e melhor qualidade de transmissão. c) Menor capacidade de tráfego e pior qualidade de transmissão. d) Maior capacidade de tráfego e pior qualidade de transmissão. e) Possui a mesma capacidade de tráfego e melhor qualidade de transmissão. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Atribuição de Canal 1 Introdução 2 Reutilização de Frequência 3 Estratégia de Atribuição de Canal 4 Estratégia de Transferência 5 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Interferência do Canal Adjacente 6 Entroncamento e Qualidade do Serviço 7 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Atribuição de Canal Estratégias de Atribuição de Canal Fixa Cada célula recebe um conjunto predeterminado de canais de voz. Dinâmicas Célula possui a permissão de pedir/emprestar canais a células vizinhas. A Central de Comutação e Controle (MSC) supervisiona esses procedimentos de empréstimos e garante que o empréstimo de um canal não atrapalhe ou interfira em chamadas em andamento. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência 1 Introdução 2 Reutilização de Frequência 3 Estratégia de Atribuição de Canal 4 Estratégia de Transferência 5 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Interferência do Canal Adjacente 6 Entroncamento e Qualidade do Serviço 7 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Motivos de Estratégias de Transferência MOBILIDADE! Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Conceito Handoff (ou Handover) é o processo de transferência de canais as- sociado à conexão atual enquanto uma chamada está em progresso. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Tipos de Handoff Soft Handoff É criada uma conexão com a nova Estação Rádio Base antes de ser quebrada a antiga. Faça antes de quebrar (make-before-break). Hard Handoff Primeiro é quebrada a ligação e só depois é conectada á nova Estação Rádio Base. Quebre antes de fazer (break-before-make). Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Soft Handoff Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Soft Handoff Vantagens A conexão é sempre garantida, sem atrasos. Dificilmente a chamada poderá cair. Mais fácil garantir a satisfação por parte dos utilizadores. Desvantagens Mais canais são bloqueados. A interferência de downlink é aumentada. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Hard Handoff Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Hard Handoff Vantagens Requer um número muito menor de recursos. Menor interferência de downlink comparada ao soft handoff. Desvantagens Possı́vel problemas com a perde momentânea da conectividade. Essa perda de conectividade tem que ser garantidamente muito breve. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Demostração Hard Handoff e Soft Handoff Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Decisão de Handoff Nı́vel Relativo do Sinal A estação móvel passa da estação base A para estação base B. A decisão de handoff ocorre em L1 . Pode provocar efeito ping-pong. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Decisão de Handoff Nı́vel Relativo do Sinal com Limiar (Th2 ) A estação móvel passa da estação base A para estação base B. A decisão de handoff ocorre em L2 . A decisão de handoff só ocorre quando o sinal A está abaixo do limiar. Diminuição do efeito ping-pong. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Decisão de Handoff Nı́vel Relativo do Sinal com Histerese (H) A estação móvel passa da estação base A para estação base B. A decisão de handoff ocorre em L3 . Quando o sinal B é suficientemente mais elevado que o sinal de A (margem H). Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Decisão de Handoff Nı́vel Relativo do Sinal com Histerese (H) e Limiar (Th3 ) A estação móvel passa da estação base A para estação base B. A decisão de handoff ocorre em L4 . Quando o sinal estiver abaixo do limiar (Th3 ) e se o sinal B estiver mais elevado que o sinal de A por uma margem H. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Execução do Handoff Os handoffs devem ser feitos num curto espaço de tempo, sem prejudicar as comunicações já estabelecidas. Tempo de permanência Tempo em que uma chamada pode ser mantida dentro de uma célula sem transferência. Depende de propagação, interferência, distância, velocidade,... Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Execução de Handoff ∆ = Pr entrega − Pr mı́nimo . ∆ grande ocasiona sobrecarregamento na MSC. ∆ pequeno ocasiona perda excessiva de chamadas. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Quem Realiza a Decisão do Handoff? Estratégias de Handoff Transferência Controlada pela Estação Móvel (MCHO) Um dispositivo móvel verifica continuamente os sinais vizinhos, e verifica a sua qualidade em conjunto com a rede. DECT e PACS. Transferência Controlada pela Rede (NCHO) Somente a rede detém o controle de execução do handover, temos um handover controlado pela rede. AMPS. Transferência Assistida pela Estação Móvel (MAHO) Cada estação móvel mede a potência recebida das BS próximas e continuamente reporta os resultados para a BS na qual está localizada. GSM e IS-95. Transferência Assistida pela Rede (NAHO) Quando a rede fornece as informações e a decisão reside no terminal móvel. DECT. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Priorizando Transferências Canal de Guarda Fração do número total de canais do sistema é reservada para as requisições de handoff de chamadas de outros sistemas. Enfileiramento de Solicitações de Transferência Existe um intervalo de tempo finito entre o tempo em que o nı́vel do sinal recebido cai abaixo do patamar de transferência e o tempo no qual a chamada é terminada por nı́vel insuficiente. Não garante probabilidade zero de término forçado. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Priorizando Transferências Desvantagens Redução da capacidade de tráfego (menos canais serão dedicados a chamadas sendo originadas dentro do próprio sistema). Vantagens Do ponto de vista do usuário, ter sua chamada em curso repentinamente bloqueada é mais aborrecedor que obter um sinal de ocupado quando da tentativa de se completar uma chamada. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Considerações Práticas da Transferência Célula Guarda Chuva Arrasto de Célula Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Exemplo EAOEAR-2017-Primeiro Tenente-Telecomunicações Na rede celular, quando uma estação móvel se desloca entre várias áreas de cobertura a Central de Comutação Móvel (MSC), transfere automaticamente a chamada para um novo canal. Neste processo de transferência: a) Um método para dar prioridade às transferências é chamado conceito de canal de guarda, no qual uma fração dos canais totais disponı́veis é reservado para transferências. b) O enfileiramento de transferências não é possı́vel, pois o processo de handoff deve ser transparente e não pode interromper a conversação. c) O tempo pelo qual uma chamada pode ser mantida dentro de uma célula só depende do nı́vel do sinal entre o assinante e a estação base. d) Para um assinante parado o tempo de permanência em uma célula é constante. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Exemplo EAOEAR-2010-Primeiro Tenente-Telecomunicações Na rede celular existem caracterı́sticas quanto ao deslocamento da estação móvel entre várias áreas de abrangência. Sobre essas situações, assinale a alternativa correta. a) O handoff é uma função que permite a mudança de célula sem interromper a conversação. b) A central de controle e comutação (CCC) é dispensável durante o handoff. c) Somente a estação rádio base (ERB) realiza o handoff. d) O roaming é o processo que define qual ERB irá encaminhar uma chamada numa rede celular. Aula 03 - ECO0066 Estratégia de Transferência Exemplo Uma estação móvel se movimenta a 35 m/s dentro de um sistema celular com células de 500 metros de raio e tempo de execusão de handoff igual a 2 segundos. Sabendo que a potência recebida pela estação móvel pode ser expressão como −40log10 (d), determine: Expressão geral da margem de handoff ∆ em termo de d. Considere d = 500, qual o valor de ∆. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema 1 Introdução 2 Reutilização de Frequência 3 Estratégia de Atribuição de Canal 4 Estratégia de Transferência 5 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Interferência do Canal Adjacente 6 Entroncamento e Qualidade do Serviço 7 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Conceito A interferência é o maior fator limitador no desempenho dos sistemas de rádio-celulares. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Efeitos da Interferência Canal de Voz Degradação da qualidade da ligação Ligação cruzada Canal de Controle Provoca erros de sinalização Chamadas perdidas Chamadas bloqueadas Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Próprio Sistema Celular Interferência Co-canal Interferência de Canal Adjacente Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Interferência do Co-canal e Capacidade do Sistema Considerando o cenário no qual: Tamanho de cada célula é aproximadamente igual. Transmissão na mesma potência. A interferência Co-canal, torna-se: Independente da potência de transmissão. Dependente do raio da célula (R). Dependente da distância entre os centros das células co-canais próximas (D). Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Interferência do Co-canal e Capacidade do Sistema D Considerando a a razão , percebe-se: R Aumentando a razão Aumenta a separação espacial entre as células co-canais. Diminui a interferência (melhor isolamento). Diminui a capacidade do sistema. Diminuindo a razão Diminui a separação espacial entre as células co-canais. Aumenta a interferência (pior isolamento). Aumenta a capacidade do sistema. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Razão de reutilização do co-canal (Q) D A razão é chamado de razão de reutilização do co-canal, ou seja: R D √ Q= = 3N R N Q Capacidade Qualidade 3 3 Alta Baixa 7 4,58 . . 9 5,20 . . 12 6 . Baixa . Alta Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Exemplo Mostre que: D √ = 3N R Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Potência Média Recebida Em um canal de rádio móvel a potência média recebida é expressa como: −n d Pr = P0 d0 onde, Pr corresponde a potência recebida a uma distância d da estação base. P0 corresponde a potência recebida a uma distância d0 . Pequena distância da estação base. n corresponde ao expoente de perda de caminho. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Relação Sinal-Interferência Sendo i0 o número de células de interferência do co-canal. Então, A razão S sinal-interferência no receptor móvel que monitora um canal direto (downlink) será: I S S = Pi0 I i=1 Ii onde, i0 o número de células de interferência do co-canal. S é a potência de sinal desejado. Proveniente da estação base. Ii é a potência de sinais interferentes. Proveniente das estações base co-canais. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Relação Sinal-Interferência Em termos da potência média, a relação sinal-interferência no receptor móvel que monitora um canal direto (downlink) é dada por: S R −n = Pi0 I i=1 (Di ) −n onde, R é o raio da célula do sinal desejado. Di é a distância da i-esimo interferidor da estação móvel. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Relação Sinal-Interferência No caso da: Potência de transmissão de cada estação base ser igual. O expoente de perda de caminho o mesmo. Considerar apenas a primeira camada de células interferentes. Estações bases serem equidistantes. S Pode-se simplificar a relação : I √ S (D/R)n ( 3N)n = = I i0 i0 Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Pior Caso de Interferência Co-Canal no Canal Direto (Downlink) Quando uma estação móvel está no limite de uma célula, ela experimenta o pior caso de interferência co-canal. Pois: Recebe o sinal mais fraco de sua própria célula. Sujeita a fortes interferências. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Pior Caso de Interferência Co-Canal no Canal Direto (Downlink) S A relação pode ser expressa como: I S 1 = I 2(D − R) + 2(D + R)−n + 2D −n −n ou S R = I 2(Q − 1) + 2(Q + 1)−n + 2Q −n −n Nota A formula apresentada apresenta as distâncias baseadas nas aproximações de Lee1 . As distâncias reais são D-R, D-R, D+R/2, D, D-R/2 e D+R. 1 Elements of cellular mobile radio systems Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Nota Geralmente é estudado interferência de co-canal recebido pela estação móvel (i.e downllink). Embora a interferência co-canal ocorra na torre, é mais difı́cil estudar a interferência nessa situação devido à dificuldade em localizar as estações móveis nas diferentes células de co-canal. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Interferência do Canal Adjacente A interferência do canal adjacente ocorre: Devido a filtros receptores imperfeitos. Somente no canal reverso (uplink). Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Interferência do Canal Adjacente Para facilitar o entendimento da interferência do canal considere dois cenários: 1 Todas estações móveis estão na mesma distância da estação base. 2 Algumas estações móveis estão próximas e outras distantes da estação base. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Cenário 1 Considere o caso em que existem 10 estaç~ oes móveis que se comunicam com uma determinada estaç~ ao base usando canais adjacentes (consecutivos). Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Cenário 1 Como todos os telefones móveis est~ ao localizados a dist^ ancias iguais da estaç~ ao base, a pot^ encia recebida na estaç~ ao base proveniente de cada estaç~ ao móvel é praticamente a mesma. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Cenário 1 Para extrair qualquer um dos canais (por exemplo, o canal da estaç~ ao móvel 5) e rejeitar todos os outros canais, atenuando-os em cerca de 20 dB, por exemplo, um filtro simples. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Cenário 1 Uma atenuaç~ ao de 20 dB do canal adjacente em comparaç~ ao com o canal desejado é geralmente aceitável e significa que o processo de filtragem foi bem sucedido. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Cenário 2 No segundo cenário os mesmos 10 telefones celulares se comunicam com uma estaç~ ao rádio base, mas 9 dessas estaç~oes móveis est~ ao localizados a uma dist^ancia igual e muito perto da estaç~ ao base enquanto um deles está localizado em um ponto muito distante da estaç~ao base. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Cenário 2 A diferença entre a pot^ encia recebida pela estaç~ ao base das estaç~ oes móveis próximas e a estaç~ ao móvel distante corresponde a 60 dB devido a enorme diferença entre as dist^ ancias. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Cenário 2 Tentando extrair o canal da estaç~ ao móvel 5 (que é o sinal fraco) usando o mesmo filtro do cenário 1 (i.e atenuaç~ao de banda passante de 20 dB). Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Cenário 2 Claramente, o filtro n~ ao conseguiu extrair o canal da estaç~ ao móvel distante (estaç~ ao móvel 5) porque os canais adjacentes s~ ao muito mais fortes do que ele. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Cenário 2 Esta situaç~ao produz um fen^ omeno denominado efeito perto-distante (near-far effect) onde as pot^ encias recebidas pela estaç~ao base para diferentes canais variam significativamente. Em outras palavras, o transmissor que está próximo da estaç~ ao base provoca uma forte interfer^ encia de canal adjacente em outra estaç~ ao móvel. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Solução de Interferência do Canal Adjacente A solução para o problema de interferência adjacente é assegurar que os canais atribuı́dos a uma célula não sejam adjacentes. No caso de N = 7: Célula Canal 1 1 8 15 ... 2 2 9 16 ... 3 3 10 17 ... 4 4 11 18 ... 5 5 12 19 ... 6 6 13 20 ... 7 7 14 21 ... Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Solução de Interferência do Canal Adjacente Retornando ao cenário 2 utilizando a soluç~ ao proposta. A pot^encia de cada estaç~ ao móvel se distancia uma das outras. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Solução de Interferência do Canal Adjacente A larga banda de guarda entre os canais permite usar um filtro simples (ordem baixa) que tenha alta banda passante e atenuaç~ ao de 80 dB para extrair o sinal fraco e rejeitar os sinais fortes. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Solução de Interferência do Canal Adjacente Resultando em 20 dB de diferença entre o sinal desejado e interferentes. Aula 03 - ECO0066 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Canal Adjacente Controle de Potência Nos sistemas práticos existe técnicas de controle de potência, onde os nı́veis de potência das estações base e móveis são modificados a partir do ambiente inserido objetivando: Reduzir a interferência. Melhorar a relação sinal-interferência. Prolongar a vida da bateria. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço 1 Introdução 2 Reutilização de Frequência 3 Estratégia de Atribuição de Canal 4 Estratégia de Transferência 5 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Interferência do Canal Adjacente 6 Entroncamento e Qualidade do Serviço 7 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Conceito Entroncamento é o conceito no qual permite que um grande número de usuários use um número menor de canais da maneira mais efi- ciente possı́vel. O grau de serviço (GOS) é o conceito que relaciona à capacidade de uma estação móvel acessar um sistema entroncado durante a hora de maior movimento. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Caracterı́sticas do Sistema Rádio Entroncado Em um sistema de rádio entroncado: 1 Cada usuário é alocado a um canal em um esquema por chamada. 2 O canal é desocupado no término da chamada. 3 O canal ocupado é retornado ao conjunto de canais disponı́veis. 4 O entrocamento explora o comportamento estatı́sticos dos usuários. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Fundamentos da Teoria de Entroncamento Desenvolvido por Agner Krarup Erlang. Estudo de como uma grande população poderia ser acomodada por um número limitado de servidores. Atualmente a medida de intensidade de tráfego recebe seu nome Erlang. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço O que é 1 Erlang ? Um Erlang representa a quantidade de intensidade de tráfego transportada por um canal completamente ocupado. Por exemplo: 1 Erlang = 1 chamada com duração de 1 hora em um canal = 2 chamadas com duração de 0,5 horas sobre o canal = 60 chamadas com duração de 1 minuto sobre o canal Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Intensidade de Tráfego Cada usuário em um sistema truncado gera uma intensidade de tráfego por usuário de Au Erlang, dada por: Au = λH onde, λ é o numero médio de solicitações de chamada por unidade de tempo [Chamadas/tempo]. H é a duração média de uma chamada [Tempo/chamada]. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Intensidade de Tráfego Para um sistema contendo U usuários, a intensidade total de tráfego oferecido, A, e dada por: A = U Au Em um sistema de canal entroncado com C canais, se o tráfego for distribuı́do igualmente entre os canais, então a intensidade de tráfego por canal, Ac , é dada como: U Au Ac = C Quando, Intensidade Total de Tráfego Oferecido > Máxima Capacidade do Sistema O tráfego transportado torna-se limitado devido a capacidade limitada do sistema. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Sistemas Entrocados Dentre os sistemas entrocados, temos: Sistema Entroncado Sem Enfileiramento. Sistema Entroncado Com Enfileiramento. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Sistema Entroncado Sem Enfileiramento Neste tipo de sistema, se o usuário solicitar um canal é: Possuir canal disponı́vel na estação base. Usuário recebe acesso imediato a um canal. Não possuir canal disponı́vel na estação base. Usuário é bloqueado e estará livre para tentar novamente. Nota Esse tipo de entroncamento é denominado chamadas bloqueadas liberadas. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Sistema Entroncado Sem Enfileiramento Devido as seguintes caracterı́sticas: Solicitações sem memória. Usuário bloqueado pode solicitar um canal a qualquer momento. Probabilidade de um usuário ocupar um canal é distribuı́da exponencialmente. Chamadas mais longas ocorrem com menor probabilidade. Existe um número finito de canais. Foi possı́vel derivar uma formulação chamada Erlang B, onde determina a probabilidade de bloqueio. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Sistema Entroncado Sem Enfileiramento O Erlang B é dado por: AC C! Pr [bloqueado] = PC Ak = GOS k=0 k! onde, C é o número de canais entroncados oferecidos por um sistema. A é o tráfego total oferecido. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Gráfico Erlang B Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Tabela Erlang B Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Sistema Entroncado Com Enfileiramento Neste tipo de sistema, se o usuário solicitar um canal é: Possuir canal disponı́vel na estação base. Usuário recebe acesso imediato a um canal. Não possuir canal disponı́vel na estação base. Usuário é inserido em uma fila de solicitações. Nota Esse tipo de entroncamento é denominado chamadas bloqueadas adiadas. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Sistema Entroncado Com Enfileiramento Neste tipo de sistema, a probabilidade de uma chamada ser adiada por qualquer perı́odo de tempo superior a zero é fornecida pela Erlang C: AC Pr [atraso > 0] = P A C −1 Ak AC + C ! 1 − C k=0 k! e a probabilidade de uma chamada ficar atrasada por um perı́odo de tempo maior do que alguns t é: −t(C −A) Pr [atraso > t] = Pr [atraso > 0]e H onde, o atraso médio D para todas as chamadas em um sistema enfileirado é : H D = Pr [atraso > 0] C −A Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Gráfico Erlang C Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Exemplo Uma certa área é coberta por um sistema de rádio celular com 84 células e um tamanho de cluster N. Trezentos canais de voz estão disponı́veis para o sistema. Os usuários estão distribuı́dos uniformemente pela área de coberta pelo sistema celular, e o tráfego oferecido por usuário é de 0,04 Erlang. Suponha que as chamadas bloqueadas sejam liberadas e a probabilidade de bloqueio designado seja Pb = 1 por cento. a) Determine o tráfego oferecido por célula se o tamanho do cluster for 4 e 7. b) Determine o número máximo de usuários que podem ser atendidos se o tamanho do cluster for 4 e 7. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Exemplo Supondo que cada usuário em um sistema gere uma intensidade de tráfego de 0,2 Erlangs, quantos usuários podem ser suportados por 0,1% de probabilidade de bloqueio em um sistema Erlang B para um conjunto de 60 canais. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Exemplo Um sistema Erlang B possui 10 canais, GOS = 0.001 e 300 usuários. a) Duração média do usuário, sabendo que ele solicita apenas uma chamada por hora. b) Quantidade de solicitações, sabendo que a duração média da chamada é 18,54 segundos. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Exemplo Um sistema célula utilizando Erlang C possui 50 canais por célula, probabilidade de uma chamada ser atrasada corresponde a 0,05 e a duração média de uma chamada é 5 minutos. Encontre: a) A intensidade de tráfego oferecida por célula. b) A probabilidade de uma chamada ser atrasada por mais de 3 segundos. b) O atraso médio das chamadas. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Exemplo ANATEL-2014-Especialista em Regulação-Engenharia Acerca de conceitos relacionados com os sistemas de comunicações digitais celulares, julgue os itens abaixo como C-Certo ou E-Errado: Se um sistema comutado por circuitos carrega um tráfego de E erlangs em N canais com uma probabilidade de bloqueio de 2%, então, caso metade desses canais fiquem indisponı́veis por problemas técnicos, o sistema poderá carregar E /2 erlangs com a mesma probabilidade de bloqueio. Aula 03 - ECO0066 Entroncamento e Qualidade do Serviço Exemplo Câmara dos Deputados-2012-Analista-Engenharia Eletrônica Um sistema de comunicação troncalizado utiliza tecnologia TDMA (time-division multiple access) e permite transmitir 4 canais de voz ou de dados por canal fı́sico de radiofrequência (RF). A largura dos canais de RF é de 25 kHz, a modulação utilizada é a DQPSK e a taxa de modulação (ou taxa baud) é de 18.000 sı́mbolos por segundo. A respeito desse sistema e das tecnologias a ele relacionadas, julgue os itens abaixo como C-Certo ou E-Errado: Se o sistema em questão utilizar o procedimento de chamadas bloqueadas liberadas (blocked calls cleared), será apropriado utilizar a fórmula Erlang-B para estimar o grau de serviço (grade of service — GoS) do sistema ou, inversamente, estimar o número de canais necessário para que o sistema proporcione o GoS exigido. Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares 1 Introdução 2 Reutilização de Frequência 3 Estratégia de Atribuição de Canal 4 Estratégia de Transferência 5 Interferência e Capacidade do Sistema Interferência do Co-canal Interferência do Canal Adjacente 6 Entroncamento e Qualidade do Serviço 7 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Contexto À medida que a demanda por serviços sem fio aumenta, o número de canais atribuı́dos a uma célula eventualmente se tornará insuficiente para admitir o número exigido de usuários. Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Técnicas para Expansão da Rede Existente Capacidade Divisão de Células Setorização Cobertura Repetidoras Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Divisão de Células A técnica de divisão de células consiste em subdividir uma célula congestionada em células menores. Ou seja cada nova célula terá: Sua própria estação base Redução da potência de transmissão Consequentemente: Aumento da capacidade do sistema celular Aumento da quantidade de repetições dos canais em determinada região. Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Divisão de Células Nota O conceito de divisão de células, se bem aplicado, permite a um sistema crescer através da substituição de grandes células por células menores, sem atrapalhar o esquema de alocações de canais mantendo a razão de reuso. Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Setorização A setorização busca: Aumenta a relação SIR. Mantém a potência de transmissão. Diminui a interferência co-canal. Após o aumento da SIR está apto a elevar a capacidade do sistema diminuindo o tamanho do cluster (N). Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Setorização O primeiro passo da setorização e aumentar SIR, através da divisão da célula em setores. Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Setorização-Caso 120o O número de interferentes do primeiro anel da célula central reduziu de 6 para 2 . Reduzindo a interferência, portanto aumentando SIR. Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Setorização-Caso 60o O número de interferentes do primeiro anel da célula central reduziu de 6 para 1. Reduzindo a interferência, portanto aumentando SIR. Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Setorização O segundo passo é realizar a diminuição do cluster (N), uma vez que se obteve um aumento da relação SIR. Com a diminuição do cluster: Aumentar a capacidade do sistema. Número maior de cluster para cobrir uma região. Aumento da interferência Não será significativa uma vez que o número de interferentes diminui utilizando a técnica da setorização. Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Setorização Portanto a setorização proporciona: Aumentar da capacidade do sistema. Número maior de cluster para cobrir uma região. Aumento do numero de antenas Cada estação base irá utilizar várias antenas direcionais. Diferentemente do caso sem setorização, onde utiliza apenas uma antena ominidirecional. Aumento do número de Handoffs. Área de cobertura de determinado número de canais é reduzido. Diminuição da eficiência do entroncamento. Quebra o conjunto de canais entroncados disponı́veis em conjuntos menores. Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Exemplo Encontre a formula da SIR em função de Q para estação móvel na borda R, considerando a primeira camada de células interferentes, potência de cada estação base igual, expoente de perda de caminho igual, estações bases equidistantes e: a) Setorização de 120o . b) Setorização de 60o . c) Sem setorização. Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Exemplo Considere um sistema celular em que uma chamada normal dura 2 minutos e a probabilidade de bloqueio de que 1 %. Suponha que cada assinante faça uma chamada por hora, em média. Se houver um total de 395 canais de tráfego para um sistema com cluster de tamanho igual a 7. Encontre: a) Número de chamadas por célula no caso sem setorização. b) Número de chamadas por célula utilizando setorização de 60o . c) Número de chamadas por célula utilizando setorização de 120o . Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares Repetidoras para Extensão de Alcance Os retranmissores de rádio ou repetidoras são utilizadas para oferecer cobertura dedicada para áreas de difı́cil acesso (i.e interior de prédios, tuneis). Possuem certas caracterı́sticas como: Bidirecionais Capacidade de amplificar o sinal Não acrescenta capacidade ao sistema Aula 03 - ECO0066 Melhorando a Cobertura e a Capacidade nos Sistemas Celulares ECO0066 Sistemas de Comunicações Móveis O Conceito de Celular - Fundamentos de Projeto do Sistema Prof.: Yuri Victor Lima de Melo Universidade Federal do Ceará (UFC) Departamento de Computação (DC) Engenharia de Computação [email protected] 2017

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