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TP-305 - Sistemas de Comunicações Móveis

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ConteúdoRevisão Histórica / Panorama Atual

Fundamentos de Sistemas Celulares

• Fundamentos de técnicas de comunicação celular e canais• Sistema Centralizado x Sistema Celular• Teoria dos Padrões de Reuso• Interferências co-canal e canal adjacente• Relação S/I• Setorização• Conceitos de Tráfego • Capacidade dos sistemas celulares / Canalização

Conceitos sobre Sistemas Digitais

3

Referências Bibliográficas

1 – Foundations of Mobile Radio EngineeringMichel Daoud YacoubCRC PressISBN 0-8493-8677-2

2 – Wireless TechnologyMichel Daoud YacoubCRC Press

3 – IS-95 CDMA and CDMA 2000Vijay K. GargPrentice Hall PTRISBN 0-1308-7112-5

4 – Wireless Communications: Principles and PracticeTheodore S. RappaportPrentice HallISBN 0-1304-2232-0

4

Referências Bibliográficas

5 – Cellular Mobile Systems EngineeringSaleh FaruqueArtech House PublishersISBN 0-8900-6518-7

6 – Digital CommunicationsJohn G. ProakisMcGraw HillISBN 0-0723-2111-3

7 – Principles and Applications of GSMVijay K. Garg and Wilkis, J.E.,Prentice HallISBN 0-1394-9124-4

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Revisão Histórica / Panorama Atual

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1º Geração de SMC

Sistema japonês desenvolvido pela NTT (Nippon Telegraph &

Telephone). O sistema operava em 800MHz e atingiu aproximadamente 60 % da população.

Colocado em operação na cidade de Chicago, EUA. O sistema se tornou o mais difundido mundialmente.

O sistema TACS (Total Access Communication System) criado pela Reino Unido se difundiu pela Europa na Áustria, Irlanda, Itália.

O sistema NMT(Nordic Mobile Telephone) foi o resultado do trabalho conjunto de vários países escandinavos (Dinamarca, Noruega, Suécia e Finlândia). Operava na faixa de 450 MHz.

Implementado na Suíça com uma capacidade para 12 mil assinantes.

1979 – NTT800

1983 – AMPS

1985 – TACS

1981 – NMT450

1986 – NMT900

1985 –Autotelefonnets C

Implementado na Alemanha, obtendo suprir cobertura total no território alemão.

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1º Geração de SMC – Interface Aérea

JapãoVáriospaíses

Váriospaíses

Váriospaíses Alemanha

NTT AMPS TACS NMT C450

925-940870-885

917-950872-905

463-467.5453-457.5

461.3-465.74451.3-455.74

600 832 1320 180 222

5 a 15 2 - 20 2 - 20 1.8 - 40 5 - 30

25 30 25 25 20

± 5 ± 12 ± 9.5 ± 5 ± 4

Sistema

Frequência Tx(MHz)

Nº de canais

Raio de cobertura (km)

Largura de faixa do canal(Khz)

∆f modulação analógica (kHz)

Taxa na sinalização (kbps) 0.3 10 8 1.2 5.28

869-894824-849

8

1º Geração de SMC no Brasil

1991AMPS

Primeiro sistema de telefonia celular escolhido pelo Ministério das Telecomunicações é implantado na cidade do Rio de Janeiro.

1993AMPS

Implantado na Grande São Paulo.

1993-1995AMPS

O sistema telebrás implanta em todo o Brasil o sistema de telefonia celular baseado no padrão americano.

9

1º para a 2º GeraçãoObjetivo: Solucionar o problema da demanda reprimida, devida a baixa capacidade dos sistemas analógicos.

O “mundo” digital possui algumas características importantes:

• Sinal digitalizado - Processamento digital• Compactação• Detecção de erros• Correção de erros• Criptografia

Mundo Digital

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2º Geração de SMC

Criação do comitê GSM (Groupe Spécial Mobile) pela CEPT para desenvolver um sistema digital para a telefonia celular.

A TIA divulga o EIA/TIA/IS-54 Dual Mode Subscriber

Equipment-Network-Equipment Compatibility Specification. Primeiro padrão digital americano, designado D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System).

TIA divulga o EIA/TIA/IS-95 Mobile Station-Base Station

Compatibility Standard for Dual Mode Wideband

Spread-Spectrum Cellular System. Sistema baseado no sistema CDMA da Qualcomm.

1982GSM

1989IS-54

1993 CDMA

1994IS-136

A TIA divulga o IS-136 evolução do IS-54, incrementado com novas aplicações como serviços de transmissão de dados, mensagens de curta duração entre outras.

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Evolução Européia da 2º Geração de SMC

Analógicos

Digitais

GSM

TACS NMT 450 C-450

NMT 900

Evolução Norte Americana da 2º Geração de SMC

D-AMPS

AMPS

12

Objetivo: Melhorar as taxas de transmissão, para usuários que necessitam de maior banda para utilizações com múltiplas mídias. Também pretende melhorar a interconexão entre os sistemas.

O novo cenário possui mudanças interessantes:

• Codificação e Modulação adaptativa• Algoritmos de equalização mais otimizados• Orthogonal Variable Spreading Factor Codes – OVSF• Antenas inteligentes

Mundo Digital com Taxas de Transmissão Mais Elevadas

2º para a 3º Geração

13•UMTS: Serviço Universal de Telecomunicações Móveis.

•(IMT-2000): International Mobile Telecommunications-2000.

3º Geração de SMC

Definido pelo IMT - 2000Europa – UMTS – WCDMAJapão – WCDMA

Definido pelo IMT-2000América (UMTS – CDMA 2000)Ásia (UMTS – CDMA 2000)Coréia( UMTS – CDMA 2000)

WCDMA

CDMA- 2000

TD-SCDMA China(TD- SCDMA – Time Division - Synchronous Code DivisionMultiple Access)

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Objetivo: permitir que o conceito qualquer lugar, qualquer momento, qualquer mídia, qualquer pessoa, com altas taxas de serviço seja concretizado.

Qualquer pessoa

Qualquer momento

Qualquer lugar

Qualquer serviçoMobilidade Total

3º para a 4º Geração

15

• Tecnologia Software Defined Radio (SDR);• Maiores larguras de faixa para as transmissões;• Baixo custo;• Maior Segurança;• Rádio Cognitivo (identificar todas as necessidades de transmissão e as possibilidades de recepção na sua região e utilizar todo o potencial dessa largura de banda).

4º Geração de SMC

Tx Wireless

Rx WirelessTx Wireless

Rx WirelessDado

Dado

Dado

Dado

MIMO

SISO

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• Conteúdo HDTV;• Serviços básicos como voz e dados, sempre no conceito de uso em qualquer local e a qualquer momento;•Todos os serviços deverão ser prestados tendo como premissas:

Otimização do uso de espectro,Grande capacidade de usuários simultâneos,Interoperabilidade entre os diversos padrões de redes sem fio.

4º Geração de SMC

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Acessos Móveis por Plano

Pré-Pago Pós-Pago Total Participação (%)

91.664.232 16.835.082 108.499.314 49,92

44.771.140 10.674.340 55.445.480 25,51

41.466.752 11.934.416 53.401.168 24,57

177.902.124 39.443.838 217.345.962 100

Acessos Móveis por Tecnologia

Tecnologia Total Participação (%) Densidade (acessos/100 hab.)

AMPS 0 0 0

CDMA 2.542.172 1,17 1,31

TDMA 5 0 0

GSM 186.886.207 85,99 95,98

WCDMA 21.265.674 9,78 10,92

CDMA2000 0 0 0

Terminais de Dados 6.651.904 3,06 3,42

Total 217.345.962 100 111,62

Dados dos Sistemas Móveis

Fonte: ANATEL, Junho-2011

18

Fundamentos de Sistemas Celulares

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Sistema de TX/RX - Camada Física

• Técnicas de diversidade;• Codificação/decodificação;• Multiplexagem e demultiplexagem;• Modulação, Demodulação;• Espalhamento e Compressão;• Sincronização em portadora e tempo;• Processamento de RF.

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FormatSourceencode

EncryptChannelencode

MultiplexPulse

modulateBandpassmodulate

Frequencyspread

MultipleAccess

XMT

Channel

FormatSourcedecode

DecryptChanneldecode

Demulti-plex

DetectDemod-ulate &Sample

Frequencydespread

MultipleAccess

RCV

Synch-ronization

Informationsource

Informationsink

Digitalinput

Digitaloutput

hc(t)Channelimpulseresponse

Optional

Essential

Bit streamDigital

basebandwaveform

Digitalbandpasswaveform

From othersources

To otherdestinations

Equalizador Demodulador

Sistema de TX/RX - Camada Física

21

Canal de Comunicação

simplexHalf duplex

Full duplex

Distância Duplex

22

• A figura ilustra como ocorrem os múltiplos percursos no canal de comunicação. • Observe que cada percursos representa uma amplitude na resposta impulsiva do canal de comunicação. Este modelo será utilizado por diversas tecnologias como comunicações móveis no sentido de verificar o desempenho do receptor para determinadas situações de propagação do sinal transmitido.

Canal de Comunicação

23

Dispersão Temporal

12 3

� � �1

1

010

1

0 1

0

Canal de Comunicação

24

1) Perdas no percurso - perdas no espaço livre, obstruções por construções, elevações do terreno e vegetação. Caracterização através de métodos de predição outdoor (Okumura-Hata) e indoor (empíricos).

2) Desvanecimento por múltiplos percursos - interferência entre duas ou mais versões do sinal transmitido que chegam ao receptor em diferentes instantes e com diferentes fases e amplitudes.

Canal de Comunicação

25

O modelo empírico de Okumura é empregado me áreas urbanas, sendo

desenvolvido com base em experimentos de medidas. A expressão geral é:

Onde,

L - valor médio da perda devido ao caminho de propagação [dB];

Lf - perda de propagação no espaço livre [dB];

A (f, d) - valor em [dB] encontrado em curvas empíricas, dependente;

f – frequência [MHz];

d – distância entre a estação radio base receptora [km].

G(hte) – fator de ganho da estação transmissora [dB];

hte – altura efetiva da antena transmissora [m];

hre – altura efetiva da antena receptora [m];

G(hre) – fator de ganho da estação receptora [dB];

G(area) - valor em [dB] encontrado em curvas empíricas, expressa o ganho gerado devido ao

ambiente em que o sistema esta operando.

Perdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata

( ) ( ) ( ) ( )areaGhreGhteGdfALL f −−−+= ,

Canal de Comunicação

( )

=⇒

22

2

4log10

dL f

π

λ

26

• O modelo empírico de Hata apresenta uma formulação prática do modelo de

Okumura.

• O modelo de Hata leva em consideração área suburbana, área urbana e área rural.

• O modelo se aplica-se a uma faixa de frequências entre 150 e 1500 MHz.

• Este modelo é mais adequado para macro células por cobrir áreas maiores que 1 km.

Canal de ComunicaçãoPerdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata

( )

( )

( ) mhremhre

hreG

mhrehre

hreG

mhtemhte

hteG

1033

log20

33

log10

100030200

log20

<<

=

≤

=

<<

=

27

Onde,

L - valor médio da perda devido ao caminho de propagação para área urbana [dB];

f – frequência [MHz];

hte – altura efetiva da antena transmissora [m];

hre – altura efetiva da antena receptora [m];

d – distância entre a estação radio base receptora [km];

a(hre) – fator de correção da altura efetiva da antena receptora da unidade móvel , a qual é

uma função do tamanho da área de cobertura [dB].

Este fator pode ser calculado por:

Para uma região urbana: a(hre) = (1,1log(f) – 0,7)hre – (1,56log(f) – 0,8).

Para áreas urbanas densas e f ≤ 300 MHz: a(hre) = 8,29(log(1,54hre))2 – 1,1)hre

Para áreas urbanas densas e f > 300 MHz: a(hre) =3,2(log(11,75hre))2–4,97)hre

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )dhtehreahtefL loglog55,69,44log82,13log16,2655,69 −+−−+=

O valor médio da perda de propagação de uma área urbana é:

Canal de ComunicaçãoPerdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata

28

( ) ( )( ) 4,528/log2 2 −−= furbanasareasLL

O valor médio da perda de propagação de uma área suburbana é:

O valor médio da perda de propagação de uma área rural aberta é:

( ) ( )( ) ( ) 98,40log33,18log78,4 2 −−−= ffurbanasareasLL

Canal de ComunicaçãoPerdas no percurso: Modelo: Okumura-Hata

29

O sombreamento é caracterizado por variações aleatórias na potência do sinal recebidodevidas a obstruções causadas por objetos durante o percurso de propagação do sinal. Este modelo foi estudado experimentalmente. Os resultados empíricos mostraram sua validade para descrever as variações de potência recebida tanto no ar livre como em ambientes fechados No modelo de sombreamento log-normal a potência recebida possui uma distribuição log-normalcom função densidade de probabilidade dada por dada por

Onde:é a variável aleatória representando as variações do nível

da potência recebida. são, respectivamente, a média e o desvio padrão de x,ambos também expressos em

decibéis. A média pode ser baseada em um modelo analítico ou medida empiricamente. µdB, quando medida empiricamente, é igual ao desvanecimento em larga escala médio, pois tanto a perda de percurso quanto as perdas por sombreamento estão incorporadas nas medições. Para o método analítico, µdB deve incorporar tanto a perda de percurso como a atenuação causada pelo obstáculo.

Canal de ComunicaçãoPerdas no percurso: Sombreamento – Log Normal

( )( )

2

2

2

2

1dB

dBdBx

dB

dB exf σ

µ

σπ

−−

=

( )xxdB 10log10=

dBdB σµ ,

30

( ) ( ) ( )τδδ −+= tktth

t

( )th

τ

1k

Desvanecimento por múltiplos percursos : Modelo: Canal com um múltiplo percurso – estático/tempo

Canal de Comunicação

Resposta Impulsiva (Temporal) do canal.

31

Resposta em frequência do canal.

( ) ωτω jeH −+=10 100 200 300 400 500 600 700 8000

1

2

H f( )

0 100 200 300 400 500 600 700 8002

0

2

arg H f( )( )

f kHz( )

Desvanecimento por múltiplos percursos : Modelo: Canal com um múltiplo percurso – estático/tempo

Canal de Comunicação

32

Desvanecimento por múltiplos percursos : Modelo: Canal com um múltiplo percurso – variante/tempo

Canal de Comunicação

33

Solução do problema

Adiciona-se ao receptor um sistema capaz de compensar ou mitigar o efeito da ISI no sinal recebido. Este sistema é chamado de Equalizador.

T T

IES

tempo

T

Desvanecimento por múltiplos percursos : Modelo: Canal com um múltiplo percurso

Canal de Comunicação

34

Software Defined Radio - SDR

Joseph Mitola, 1991. Publicação do primeiro artigo 1992.

O conceito do Software Defined Radio (SDR) é implementar todos os elementos

do sistema de comunicação (misturador, amplificador, modulador, demodulador,

detector, etc..) usando software no lugar do hardware.

Limitação – taxa de amostragem.

Possibilidade de utilizar radio cognitivo.

35

Software Defined Radio - SDR

Definição:É um rádio no qual as funcionalidades são extensivamente definidas em software, e com os

conversores de dados o mais próximo possível do sistema de antenas.

LOADC

I

Q

Banda Básica

( )tfcπ2cos

( )tfcπ2sen

Estágio de RF

ANALÓGICO DIGITAL

LNA

36

Software Defined Radio - SDR

Oportunidade de Implantação:• Processamento Digital de Sinais, Digital Signal Processors (DSPs)(FPGA);

• Conversor de alto desempenho ADC/DAC.(80 a 120 milhões de amostras por segundo) ;• Interfaces ultra-rápidas de transferência de dados.

A idéia é proporcionar flexibilidade ao terminal de rádio, para ele se adaptar a diferentes

sistemas ou avanços na tecnologia ou serviços.

Exemplo: Um usuário que se desloca dentro de um sistema WCDMA e está atravessando

uma área sem cobertura de RF, o sistema pode requisitar um pedido de handoff para uma rede

diferente que nesta área apresenta cobertura de rádio, como por exemplo a tecnologia GSM.

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FPGA (Field Programmable Gate Arrays) :• Pode ser re-configurada várias vezes ;

• Geralmente o FPGAs são usados em conjunto com DSPs, onde o DSP trata o fluxo

principal do algoritmo, e o FPGAs trata a intensiva repetição computacional das operações;

• Re-configuração é feita por download na configuração dos dados eletronicamente;

• Filtros FIR, Modulador, Codificador, FFT, etc...

Software Defined Radio - SDR

Conexões utilizados no momento

Fonte de Conexões

Bloco Lógico

38

OFDM

• Técnica FDM - não existe relacionamento entre as frequências no espectro.• As portadoras FDM são colocadas uma junto da outra.

• Num sistema OFDM, cada portadora possui uma frequência igual a um múltiplode uma frequência da base fundamental. Esta condição permite a ortogonalidade.

39

OFDM

40

+

++

( )t1cos ω

( )t2cos ω

( )t3cos ω

( )tsen 1ω

( )tsen 2ω

( )tsen 3ω

( )ts

( )ts1 ( )ts2

nnn bjas +=

Símbolo OFDM

41

( )ts1U

T1G

T

t

O Prefixo Cíclico é a repetição no início do símbolo OFDM de parte do sinal do mesmo Símbolo OFDM.

OFDM

42

No sistema OFDM podem ocorrer interferência de duas naturezas diferentes:

ISI (Inter Symbol Interference) – é uma interferência causada pela dispersão na resposta impulsiva do canal de comunicação, que provoca a junção entre símbolos adjacentes. (O prefixo cíclico é um tipo de proteção temporal que é introduzido no símbolo OFDM com a finalidade de combater a ISI provocada pela dispersão da resposta impulsiva do canal de comunicação).

ICI (Inter Carrier Interference) – é também denominada de interferência intra símbolo, sendo responsável pela distorção na amplitude e fase de cada sub portadora do sinal transmitido. (O equalizador no domínio da freqüência éresponsável pela minimização desta interferência).

OFDM

43

ICI (Inter Carrier Interference)

nS

I

Q

'nS

na

nb'nb

'na

I

Q

( ) njnn eHfH θ−=

nn freqüência cada em fase a é e amplitude de ganho o é fHn θ

OFDM

44

FFTEqualização noDomínio daFreqüência

Estimação do canalSub Portadoras

Piloto

rxDados

Interp

equalMapBanco de

• Utiliza-se o estimador de canal para estimar a resposta em frequência do canal de comunicação que será utilizado no algoritmo de equalização.

• A estimação é realizada usando as portadoras piloto e interpolando a resposta em frequência entre as portadoras piloto.

P

P

P

f (Hz)

Map S/P IFFT P/S Prefixo Cíclico CANALRemoção doPrefixo Cíclico

S/P FFT P/S

Sub PortadorasPiloto

Estimação do canal

Equalização noDomínio daFreqüência

Demap

Bits

Bits

erpDadosMap rxequal int/=

OFDM

45

Definição:

• As antenas inteligentes são arranjos de antenas, que se utilizam de técnicas de processamento digital de sinais, para formar feixes de radiação nos pontos de interesse. O padrão de antenas é formado por vários elementos igualmente espaçados.

Antenas Inteligentes

1w

lw( ) ( )∑=

L

LL wtxty1

Σ

Adaptivealgorithm

( )td

( )tεLw

lx

1x

Lx+

−

M

M

M

M

46

Simulação:• Esta interface gráfica de simulação mostra o diagrama de irradiação no ponto de 60o, local onde está o usuário desejado e o sinal interferente nas posições de 0o e 90o, onde aparecem nulos do diagrama de irradiação.

Antenas Inteligentes

47

Downtilt

horizonte

radiação

horizonte

radiaçãoradiação

horizonte

Sem tilt Tilt elétrico Tilt mecânico

48

Sistema Centralizado x Sistema Celular

Vantagens e Desvantagens

49

Componentes de um Sistema Celular

MSC

Roaming

Handoff

Sistema A Sistema B

PSTN

VLR

= ERB+BSC

AuC

EIR HLR

MSC

VLRAuC

EIR HLR

50

Cluster - Sistema Celular

CLUSTER 1 CLUSTER 2

• Cluster - Conjunto de células onde se divide todos os canais disponíveis no sistema.

51

Enlace – Direto / ReversoEnlace Reverso

Enlace Direto

UPLINK

824-849 MhzAMPS

DOWNLINK

869-894 MhzAMPS

52

Principais Tipos de Handoff

1) Hard-Handoff – A comunicação com ERB antiga através do canal CDMA é

descontínua e uma nova comunicação com a nova ERB e

necessariamente outro canal CDMA é estabelecido.

2) Soft- Handoff – A estação móvel mantém comunicação simultânea entre a

ERB antiga e a nova ERB.

3) Softer Handoff – A estação móvel mantém comunicação simultânea entre

dois ou mais setores da mesma ERB e certamente dentro

do mesmo canal CDMA desta ERB.

4) Soft-Softer-Handoff – A estação móvel mantém a comunicação simultânea

entre dois ou mais setores da mesma ERB e uma outra ERB.

53

Canais

1) Canais Físicos• Corresponde a porção de um ou mais canais de RF usados para transmitir informação.

• Definidos em termos da freqüência, tempo, código, espaço.

2) Canais Lógicos• Definido pelo tipo de informação transmitida.

• São mapeados sobre um ou mais canais físicos.

• São agrupados em canais de controle e canais de tráfego.

54

Técnicas de Múltiplo Acesso

freqüência

tempo

Potência

CDMA

freqüência

tempo

Potência

freqüência

tempo

PotênciaT

DMA

FDMA

55

Teoria dos Padrões de Reuso

R

Assumindo que as condições de propagação não mudem ao longo dos diferentes radiais, a área teórica de cobertura de uma ERB éum círculo.

Em um sistema de múltiplas células a área de cobertura do melhor servidor em cada ponto corresponde a um polígono, geralmente um hexágono.

A área real de cobertura depende do ambiente onde a ERB foi inserida.

56

Exercício:

1) Quais são os únicos polígonos regulares que podem gerar mosaicos regulares ?

57

Sistema de CoordenadasR

u

=v

x

y

3R

58

Distância entre células

u

v

223 jjiiRD +⋅+=

( ) ( )0,0; 11 =vu

( ) ( )2;1; 22 =vu

59

Exemplo de distância entre co-células para N=3

u

v

60

Exercício: 2) Calcule a distância entre co-células para N=7

u

v

61

Número de Células por Cluster

22 jjii& +⋅+=

&R

Dq 3==Razão de Reuso:

Como i e j são números inteiros, o cluster só irá acomodar determinado número de células, como por exemplo, 1 (i=0 j=1 ou i=1 j=0), 3 (i=1 j=1), 4 (i=0 j=2 ou i=2 j=0), 7 (i=1 j=2 ou i=2 j=1), 9

(i=0 j=3 ou i=3 j=0), 12 (i= j=2), ..., células por cluster.

62

Número de células por cluster

1

11

111

1

7

61

5

23

4

7

61

5

23

4

7

61

5

23

4

7

61

5

23

47

61

5

23

4

7

61

5

23

4

7

61

5

23

4

12

31

2

3

12

3

12

31

2

3

12

3

12

31=& 3=&

4=&

7=&

1

24 3

1

24 3

1

24 3

1

24 3

1

24 3

1

24 3

1

24 3

63

Número de canais por célula ou setor

63 canais e N = 3

Sem Setorização Com Setorização

64

Exercício:

3) Número de canais por célula ou setor:

63 canais e N = 7

Sem Setorização Com Setorização

65

Comparação do Tamanho do Cluster

Cluster com 63 canais

N

1

3

4

7

q Canais/Setor Capacidadede Tráfego

Interferência Q

66

51

3

7

6

2

4

Interferência Co- Canal

51

3

7

6

2

4

Interferência devido ao sinal das células de outros clusters, que operam com o mesmo

conjunto de canais de RF.

67

Interferência Co-Canal

34

5

6

11

103

4

2

21

12

8

9

56

7

1

Célula intereferida

Células intereferentesdo 1º anel de co-células

Células intereferentesdo 2º anel de co-células

68

Interferência Co-Canal

...18

133

12

122

6

111 +++

=

∑∑∑=== k

kk

kk

k III

S

I

SCálculo da relação S/I:

γ−= dCS .γ−⋅= knkn DCI

γ

C

• intensidade do sinal da ERB a uma distância d do receptor.

• intensidade do sinal interferente devido a uma célula no n-

ésimo anel, a uma distância Dkn do transmissor.

• fator de variação da perda de propagação com a distância,

com valor entre 2 e 5.

• parâmetro cujo valor depende das características do sistema

de transmissão e de fatores de perda de propagação que não a

distância.

69

Cálculo da Interferência Co-Canal

N = 4 N = 7 N = 9 N = 12 N = 19

S/I (dB)

Interferência co-canal para diferentes planos de reuso (γ=4).

Para um móvel na fronteira da

célula (pior caso):( ) ( )

∑∞

=

−

−

−−−

−

⋅

=

+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅

⋅=

1

16

1

...3182126

k

kR

DI

S

DCDCDC

dC

I

S

γ

γ

γγγ

γ

66

1 γ

γ

q

R

DI

S=

=

−

Considerando apenas o 1º anel:

70

Exercício:

4) Calcule a interferência co-canal relativa ao primeiro anel interferente.

Decimal dB Decimal dB

2=γ 4=γ

6

γq

I

S=

N

3

4

7

9

12

71

Exercício:

5) Calcule o acréscimo na interferência co-canal relativa ao segundo anel interferente.

Decimal dB Decimal dB

2=γ 4=γN

3

4

7

9

12

72

Setorização

• Dividir a célula em setores, cada um servido por um conjunto diferente de

canais e iluminado por uma antena direcional.

• Na prática, divisões em 3 ou 6 setores.

• O grande benefício da setorização é reduzir a interferência co-canal.

• Em sistemas FDMA e TDMA a setorização provoca uma redução na

capacidade de tráfego do cluster.

• Em sistemas CDMA a setorização provoca um aumento da capacidade

de tráfego do cluster.

• A setorização obriga que se execute um handoff quando o móvel passa de

um setor para outro da mesma célula, denominado handoff intra-celular.

73

Cálculo da Interferência Co-Canal

A relação sinal/interferência considerando

apenas o primeiro anel interferente com a

setorização tripla é dada por: 2

γq

I

S=

74

Interferência de Canal Adjacente

Interferência de canal adjacente devido ao reuso de freqüência.

3(3,10,17)

6(6,13,20)

1(1,8,15)

4(4,11,18)

5(5,12,19)

7(7,14,21)

2(2,9,16)

3(3,10,17)

6(6,13,20)

1(1,8,15)

4(4,11,18)

5(5,12,19)

7(7,14,21)

2(2,9,16)

3(3,10,17)

6(6,13,20)

1(1,8,15)

4(4,11,18)

5(5,12,19)

7(7,14,21)

2(2,9,16)

InterferênciaIntercélula

InterferênciaIntercluster

75

Interferência de Canal Adjacente

A interferência de canal adjacente é dada por

ICd

dLogICA

c

cai −

−=

γ

1010

• Distância entre a ERB que contem o canal adjacente interferente e o

móvel.

• Distância entre a ERB que possui o canal desejado e o móvel.

• Isolamento de canal adjacente, depende do circuito de sintonia do

móvel (valor típico de 26 dB).

caid

cd

IC

76

Tamanho das Células

Diâmetro

Potência tx

Altura da Antena

γ

Tipo de Sinal

Atraso

Cobertura

2 a 20 km

0,6 a 10 W

> 30 m

2 a 5

Rayleigh e

Lognormal

< 8 µs

Rural

0,4 a 2 km

< 20 mW

> 10 m

Terreno Plano

Rice e

Lognormal

< 2 µs

Urbana

20 a 400 m

alguns mW

Teto

1,2 a 6,8

Rice

50 a 300 ns

Indoor

Tipo Macrocélula Microcélula Picocélula

77

Conceito de Tráfego e a Capacidade dos Sistemas Celulares

• O objetivo da engenharia de tráfego consiste em prover serviços de comunicação,

numa determinada área geográfica, para um determinado número de usuários, com

um certo grau de serviço (GOS).

• O GOS é definido como o valor percentual da probabilidade de bloqueio, ou seja, a

probabilidade de que o assinante não consiga acesso imediato ao serviço por

inexistência de canal disponível ou incapacidade do sistema de completar a

conexão, baseado na demanda de serviço na hora de maior movimento (HMM).

• A engenharia de tráfego deve estabelecer e garantir um GOS que represente:

• (a) um bom compromisso entre o custo de implantação e a operação do

sistema,

• (b) uma boa receita e satisfação do usuário.

78

Cálculo do Tráfego

A modelagem do tráfego dos sistemas celulares é feito através da Teoria de

Filas empregando uma fila M/M/C/0: processos de entrada e saída

markovianos, com C canais, sem memória.

A dedução da probabilidade de bloqueio desta fila nos leva à conhecida

fórmula B de Erlang.

( )∑

=

==C

i

i

C

B

i

CCErl

0!

!,Prρ

ρ

ρ

onde ρ é o tráfego oferecido, PrB a probabilidade de bloqueio e C o número de canais do sistema.

79

Cálculo do Número de Usuários

De posse do valor do tráfego oferecido por um dado sistema, podemos

calcular o número de assinantes que este sistema pode habilitar, ou seja:

n

T& obsassinantes

⋅

⋅=

µ

ρ

• Nassinantes é o número de assinantes,

• Tobs é o tempo de observação do sistema,

• µ é o tempo de duração médio de uma chamada feita por um assinante,

• n é o número médio de chamadas durante o tempo de observação que um

assinante faz na HMM.

80

Tabela de TráfegoC 1% 2% 5% 10% 50%1 0.010 0.020 0.053 0.111 1.0002 0.153 0.223 0.381 0.595 2.7323 0.455 0.602 0.899 1.271 4.5914 0.869 1.092 1.525 2.045 6.5015 1.361 1.657 2.218 2.881 8.4376 1.909 2.276 2.960 3.758 10.3897 2.501 2.935 3.738 4.666 12.3518 3.128 3.627 4.543 5.597 14.3209 3.783 4.345 5.370 6.546 16.29410 4.461 5.084 6.216 7.511 18.27311 5.160 5.842 7.076 8.487 20.25412 5.876 6.615 7.950 9.474 22.23813 6.607 7.402 8.835 10.470 24.22414 7.352 8.200 9.730 11.473 26.21215 8.108 9.010 10.633 12.484 28.20116 8.875 9.828 11.544 13.500 30.19117 9.652 10.656 12.461 14.522 32.18218 10.437 11.491 13.385 15.548 34.17319 11.230 12.333 14.315 16.579 36.16620 12.031 13.182 15.249 17.613 38.15921 12.838 14.036 16.189 18.651 40.15322 13.651 14.896 17.132 19.692 42.14723 14.470 15.761 18.080 20.737 44.14224 15.295 16.631 19.031 21.784 46.13725 16.125 17.505 19.985 22.833 48.132

C 1% 2% 5% 10% 50%26 16.959 18.383 20.943 23.885 50.12827 17.797 19.265 21.904 24.939 52.12428 18.640 20.150 22.867 25.995 54.12029 19.487 21.039 23.833 27.053 56.11730 20.337 21.932 24.802 28.113 58.11335 24.638 26.435 29.677 33.434 68.09940 29.007 30.997 34.596 38.787 78.08845 33.432 35.607 39.550 44.165 88.07950 37.901 40.255 44.533 49.562 98.07255 42.409 44.936 49.539 54.975 108.066

60 46.950 49.644 54.566 60.401 118.061

65 51.518 54.376 59.609 65.839 128.057

70 56.112 59.129 64.667 71.286 138.053

75 60.728 63.900 69.738 76.741 148.050

80 65.363 68.688 74.820 82.203 158.047

85 70.016 73.490 79.912 87.672 168.044

90 74.684 78.306 85.014 93.146 178.042

95 79.368 83.133 90.123 98.626 188.040

100 84.064 87.972 95.240 104.110 198.038

100 84.064 87.972 95.240 104.110 198.038

110 93.493 97.678 105.494 115.089 218.035

120 102.964 107.419 115.771 126.082 238.032

130 112.471 117.190 126.066 137.087 258.029

140 122.041 127.006 136.388 148.105 278.028

150 131.656 136.837 146.694 159.126 298.026

81

Exercício:

6) Calcule a capacidade de um sistema 416 (395 de voz e 21 de controle) canais disponíveis. Realize o cálculo utilizando uma célula (a) sem setores e (b) com 3 setores.

82

Planejamento de frequências

• Cada conjunto de 395 canais de voz é dividido em 21 subconjuntos

com 19 canais cada.

• Em cada cluster de 7 células, cada célula utiliza 3 subconjuntos de

forma que a separação mínima entre canais seja de 7 bandas de um

canal - redução de interferência de canal adjacente.

• Como mostrado na tabela a seguir, cada célula num cluster utiliza

canais dos subconjuntos iA, iB e iC, i = 1, 2, ..., 7.

• O número máximo de canais de voz por célula é de 57 (podem existir

mais, mas nessa situação pode haver aumento excessivo de

interferência de canal adjacente, pois a regra de distribuição acima

mencionada será quebrada).

• Cada célula terá de 1 a 3 canais de controle.

83

Planejamento de frequências1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2122 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 4243 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 6364 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 8485 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 - - -313 314 315 316 317 318 319 320 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330 331 332 333- - - - - - - - - - - - - - - - - - 667 668 669670 671 672 673 674 675 676 677 678 679 680 681 682 683 684 685 686 687 688 689 690691 692 693 694 695 696 697 698 699 700 701 702 703 704 705 706 707 708 709 710 711712 713 714 715 716 - - - - 991 992 993 994 995 996 997 998 999 1000 1001 10021003 1004 1005 1006 1007 1008 1009 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1023

Os canais de controle estão marcados em amarelo.

CDMA

84

Exercício:

7) Calcule a capacidade (N = 7, 3 setores) de um sistema com 395 de voz.

85

Conceitos Sobre Sistema Digitais

86

Interface Aérea - TDMA

Parâmetro Especificação

Múltiplo acesso TDMA / FDD

Modulação π/4 DQPSK

Largura do canal 30 kHz

Taxa de dados (ambos enlaces) 48,6 kbps

Eficiência espectral 1,62 b/s/Hz

Codificação de canal CRC de 7 bit e convolucional de taxa1/2 e k=6

Usuários por canal 3 (full-rate), vocoder de 7,95 kbps/usuário

87

Exercício:

8) Calcule o número simultâneo de usuários que um sistema com 416 canais ocupando uma largura de faixa disponível de 12,5 Mhz com BWcanal = 30 Khz, 7 células, tri setorizadas com 3 slots/canal. Suponha ainda que existam 21 canais de controle com as mesma especificações digitais.

Interface Aérea - TDMA

88

2 3 541 6

Quadro TDMA40 ms

Slot324 bits

6,66... ms

6 slots em cada quadro

Canais Full-Rate 7,95 kbpsCanais Half-Rate 3,975 kbps

1 slot por usuário

6 usuários por canal de RF

2 slot por usuário

3 usuários por canal de RF

f30kHz f30kHz

Interface Aérea - TDMA

89

Exercício:

9) Calcule a capacidade (N = 7) de um sistema baseado na técnica TDMA para 395 de voz e 21 de controle.

Interface Aérea - TDMA

90

Exercício:

10) Calcule as seguintes taxas do sistema digital TDMA com as características apontadas:a) Taxa total do sistema.b) Eficiência espectral.

Interface Aérea - TDMA

91

Parâmetro

Espaçamento entre Tx/Rx

Largura dos canais

Taxa de transmissão

Período de quadro

Usuários por quadro

Duração do slot

Duração de bit

Especificação

45 MHz

200 kHz

270,8333... kbps

4,615 ms

8

576,875 µs

3,6923 µs

Interface Aérea – TDMA - GSM

92

f200 kHz

Slot576,875 µs

Quadro TDMA - 4,615 ms

2 3 541 6 7 8200 kHz

Interface Aérea – TDMA - GSM

93

Eficiência EspectralEficiência é uma das características mais desejadas em um sistema de comunicação.

onde:

CCm

CC

C

Cm &ABA&B

&

&

B

B

1=∴= ηη

ω

ω

( )( )

( )

céluladacoberturadeÁreaA

sistemadofreqüenciadereusodeFator&

cobreturadeáreanacélulasdetotal&úmero&

MHzcanaldotoEspeaçamenB

MHzsistemadofaixadeuraLB

kmMHzcanaisulaçãodaeficiência

C

C

C

m

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒

arg

//mod 2

ω

η

Interface Aérea – TDMA - GSM

94

Eficiência Espectral

Outra definição de eficiência espectral da modulação é feita em Erlangs/MHz/ km2.

( )( )totalCoberturafaixadeuraL

sistemadototalTráfegom arg

=η

Interface Aérea – TDMA - GSM

95

Exercício:

11) Em um sistema celular GSM, a largura de faixa de downlink é de 12.5 MHz. O espaçamento de canal é de 200KHz. Oito usuários compartilham cada canal e três canais por célula são utilizados (ou reservados) para controle. Calcular a eficiência espectral (para uma densa área metropolitana com pequenas células) usando os seguintes parâmetros.

•Células Ominidirecionais

•Área de uma célula = 8 km2

•Área de cobertura Total = 4000 km2

•No médio de chamadas por usuários durante a hora de maior movimento = 1.2

•Tempo médio de manutenção de uma chamada = 100 s

•Probabilidade de bloqueio de chamada = 2%

•Fator de reuso = 4.

Eficiência Espectral

Interface Aérea – TDMA - GSM

96

Eficiência Espectral para Múltiplo Acesso

• Eficiência Espectral FDMA.

onde:

1≤=ω

ηB

&B TCa

coberturadeáreanavozdecanaisdetotal&úmero&

acessomúltiplodoespectraleficiência

T

a

⇒

⇒η

• Eficiência Espectral TDMA.

onde:

=

ω

τη

B

&B

T

M uu

f

Ta

( )

diferentessfreqüênciaemacessotendomas

sistemanoslottimemesmooandocompartilhusuáirosde&úmero&

slottimeseuoduranteusuárioumdefaixadeuraLB

quadroporslotstimedenúmeroM

framequadrodoDuraçãoT

slottimeumdeDuração

u

u

t

f

,

arg

⇒

⇒

⇒

⇒

⇒τ

97

Exercício:

12) Em um sistema celular TDMA, a largura de faixa de downlink é de 12.5 MHz. O espaçamento de canal é de 30KHz, e existe 395 canais de voz neste sistema. A duração de um quadro é 40 ms, com 6 times slots por quadro. Calcular a eficiência do sistema TDMA.

Eficiência Espectral para Múltiplo Acesso

98

Eficiência Espectral do Quadro TDMA

• Eficiência Espectral do quadro TDMA.

onde:

( )HzsegbitsB

R&u //ω

η =

célulaporcanaisdetotal&úmero&

ormaçãodebitdeTaxaR

u ⇒

⇒ inf

99

Exercício:

13) Supondo um sistema TDMA com 73 usuários por célula, calcule a eficiência espectral desse sistema que usa os seguintes parâmetros: taxa de bit de informação 16.2 kbps e largura de faixa igual a 12,5 Mhz.

Eficiência Espectral do Quadro TDMA

Exercício:

14) Supondo um sistema TDMA com 10 usuários por célula, calcule a eficiência espectral desse sistema que usa os seguintes parâmetros: taxa de bit de informação 384 kbps e fator de reuso N = 7.

100

• Utiliza técnica de espalhamento espectral por sequência direta.

• Enlace direto: Códigos Walsh para ortogonalidade entre os usuários, sequência longa (comprimento de 242 - 1 chips), espalhamento em quadratura por sequências piloto de comprimento 215 chips a 1,2288Mchips/s.

• Enlace reverso: Códigos Walsh para modulação ortogonal; espalhamento pelo código longo (1,2288Mchips/s).

Interface Aérea – CDMA - DSSS

101

0 50 100 150 200 250 300

1

0

1

• Função de auto-correlação entre duas sequências PN iguais.

• Função de correlação cruzada entre duas sequências PN distintas.

Interface Aérea – CDMA - DSSS

123 ++= xxP&Código

102

Código Ortogonal: Walsh

[ ]

−=→

−=→

−=→=

44

448

22

224

11

1121 1

HH

HHH

HH

HHH

HH

HHHH

[ ]

−−

−−

−−=→

−=→=

1111

1111

1111

1111

11

111 421 HHH

Interface Aérea – CDMA - DSSS

103

Funcionamento do Código de Walsh

4

3

2

1

4

1111

1111

1111

1111

w

w

w

w

H

−−

−−

−−=

)(1 tw

)(1 ts

)(2 tw

)(2 ts

)(3 tw

)(3 ts

)(4 tw

)(4 ts

∑

)(1 tw

)(tr

)(1 ts~

Filtro

Interface Aérea – CDMA - DSSS

104

Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência (FDMA)

Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA)

Interface Aérea – CDMA - DSSS

105

CDMA- Ganho de Processamento

Uma das maiores vantagens de um sistema SS é sua robustez contra interferência. O ganho de

processamento (Gp) quantifica o grau de rejeição a interferência. O ganho de processamento é

a taxa entre a largura de faixa de RF e a taxa de informação.

Tipicamente o ganho de processamento está entre 20 e 60 dB.

R

BG P

ω=

Exercício:

15) Calcule o ganho de processamento para um sistema DSSS que tem 10 Megachips por segundo (Mcps) de taxa de relógio e 4.8 kbps de informação. Qual será amelhora no ganho de processamento se a taxa de geração de código é alterada para 50 Mcps? Existe alguma vantagem em aumentar a taxa de geração para uma taxa de informação de 4.8 kbps?

Interface Aérea – CDMA - DSSS

106

CDMA - Desempenho do sistema

A relação entre o número de usuários móveis, M, o ganho de processamento Gp e a relação

sinal ruído (Eb/No) pode ser calculada por:

Onde:

λυ

αβ

.1..

1

1.

+=

ob

P

&E

GM

( )

( )55,2:_.int

)145.0(int

)9.05.0(.

55.04.0..int

=⇒

−⇒

−⇒

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λλ

υ

α

ββ

setortriantenasasentreerferentefator

vocalatividadeadevidoerferência

controledePotência

CDMAfreqmesmanavizinhascélulasdeerferência

Interface Aérea – CDMA - DSSS

107

Exercício:

16) Um sistema CDMA, opera em uma taxa de Chip de 1,2288Mcps com uma taxa de dados de 9.6 kbps. Eb/No igual a 6.8 dB. Estimar o número médio de usuários que podem ser atendidos por uma célula tri-setorizada. Assuma: Interferência entre células vizinhas 50%; fator de atividade vocal 60%; fator de controle de potência 0.85 e fator de interferência entre as antenas 2,55.

CDMA- Desempenho do sistema

Exercício:

17) Estimar o número de usuários móveis que podem ser atendidos por uma sistema CDMA usando uma largura de faixa em RF de 1,25 MHz para transmitir dados a uma taxa de 14.4 kbps e 384 kbps. Assuma: Eb/No = 6 dB; interferência entre células vizinhas 60%; fator de atividade vocal 50%; fator de controle de potência 0.80 e fator de interferência entre as antenas 2,55.

Interface Aérea – CDMA - DSSS

108

FIM