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1 Telefonía Inalámbrica Dr. Angel Lambertt Lobaina Laboratorio de Redes y Telecomunicaciones.

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1 1 Telefonía Inalámbrica Dr. Angel Lambertt Lobaina Laboratorio de Redes y Telecomunicaciones

2 2 Comunicaciones Inalámbricas El mercado global de terminales de telecomunicaciones se proyecta que crecerá de la cifra de ~ (1996) a en el año 2001, a una tasa del 12% anual El incremento principal del sector se deberá a la telefonía celular, con una tasa anual de crecimiento del 22% E8 3.0E8 1.5E8 T.fija 6% T.inalámbrica 13% T.celular 22% anual

3 3 Distribución proyectada del mercado de Telefonía Celular al 2003, LA y Caribe

4 4 Repaso del concepto celular Los sistemas de comunicación inalámbrica (radio- telefonía) actualmente se basan en un sistema formado por dos redes: - Alámbrica o alambrada (PSTN Public Switched Telephone Network, RTPC Red de Telefonía Pública Conmutada) - Inalámbrica (Sistema celular)

5 5 Principales características de la radio celular - Movilidad - Capacidad - Reuso de frecuencias - Roaming - Transmisión de datos

6 6 Movilidad Es una de las principales características de los sistemas de comunicación celular. Mientras un usuario este en movimiento pue- de originar una llamada desde cualquier punto dentro del área de servicio y en cualquier momento. La llamada no debe interrum- pirse (esté o no esté en movimiento). Esta característica se basa en el mecanismo de Hand-off o entrega: - Es un proceso de cambio de portadora. - Su principal objetivo es asignar una nueva frecuencia mientras el usuario se mueve de una célula a otra. - Se requiere un umbral de Hand-off (-95dbm) - El MTX asigna un nuevo canal más fuerte.

7 7 La capacidad de canales se mide en base a los canales de voz disponibles por célula, trasladadas a Erlangs. 1 Erlnag = 1 circuito (telefónico) en uso durante 3600 segundos. Reuso de frecuencias Debido a que el número de canales es limitado, los grupos de canales que se forman son reutilizados a intervalos de distancia regulares (D-Distancia de reuso). Esta es una tarea de ingeniería muy importante y requiere un buen compromiso entre capa- cidad y desempeño.

8 8 ELEMENTOS DEL SERVICIO DE TELEFONIA MOVIL Los elementos básicos del sistema TMA son las Estaciones Base, las Centrales de Conmutación, zona de cobertura y las estaciones móviles.

9 9 - Estaciones Base: Las estaciones base son los equipos que establecen el contacto con los teléfonos móviles del cliente y por tanto determina la cobertura del servicio. Consiste en un ordenador y un transmisor/receptor conectado a una antena. Existe una amplia red de Estaciones Base las cuales están conectadas a Centrales de Conmutación específicas para la Telefónica Móvil (MTSO, Mobil Telephonic Switch Office o MSC, Mobil Swith Center).

10 10 - Centrales de Conmutación para Telefonía Móvil: Dan servicio a las estaciones Base y a su vez se conectan con las Centrales de la Red Telefónica Fija, para poder establecer conversaciones tanto entre teléfonos móviles como entre teléfonos móviles y fijos. En grandes sistemas son necesarios múltiples MTSO conmutándose éstos en un segundo nivel de MTSO y así sucesivamente.

11 11 - Zona de cobertura: La zona de cobertura del servicio contempla la totalidad del territorio nacional, especialmente las áreas urbanas y vías de comunicación más importantes. La superficie total a la que se extiende el servicio es dividida en subáreas o celdas atendidas por una estación base. - Estación móvil: Es el terminal telefónico móvil. El propio teléfono móvil indicará al usuario cuando se encuentra dentro de la zona de cobertura.

12 12 En este caso se está utilizando uno de los planes celulares más comunes y más usados actualmente: Plan de frecuencias N=7 -Todos los canales se dividen en grupos.. - Todos los grupos formados se reparten equitativamente entre un "cluster" de 7 células.. - El proceso se repite en todos los "clusters" del área de servicio.. - Cada célula es un centro de radio comunicación y atiende a los usuarios de su área.. - Un usuario móvil puede comunicarse con cualquier otro usuario (PSTN o Móvil) a cualquier hora y desde cualquier punto ubicado dentro del área de servicio.. - Todas las llamadas (hacia/desde PSTN, Móvil) ocurren a través del MTX

13 13 Diseñar, implementar y mantener este complejo sistema (red de comunicación) constituye un gran reto e implica mucho tra bajo de ingeniería, en diversas áreas: Propagación de RF. Antenas. Planeación de frecuencias. Ingeniería de tráfico. Aprovisionamiento de la radio-base ó sitio de célula (cell site).

14 14 Telefonía Inalámbrica La escasez de disponibilidad de frecuencias obliga a reutilizar las frecuencias asignadas mediante una distribución espacial en forma de celdas, a las cuales se asigna una parte del espectro (FDMA) o del tiempo (TDMA) o de una clave (CDMA).La escasez de disponibilidad de frecuencias obliga a reutilizar las frecuencias asignadas mediante una distribución espacial en forma de celdas, a las cuales se asigna una parte del espectro (FDMA) o del tiempo (TDMA) o de una clave (CDMA). El tamaño de las celdas está determinado por el tráfico telefónico esperado que cursará en esa celda ([E/km 2 ] y el número de canales disponibles para atender esa demanda

15 15 Interferencia Las interferencias que puede experimentar una comunicación son de 2 tipos y no se solucionan con el aumento de la potencia de transmisión: –Entre los canales adyacentes en frecuencia –Entre aquellos canales que utilizan la misma frecuencia (co-canales), en distintas celdas.

16 16 La reutilización del espectro consiste en re-asignar las frecuencias que se usan en una celda en otra dife- rente, de tal modo que se minimicen las interferencias entre canales adyacentes y las que utilizan las mismas frecuencias (FDMA), ranuras (TDMA) o código (CDMA). Para ello se divide el N o total de canales S en N grupos de celdas, cada una de ellas con k canales dúplex, llamados cluster. Hay diversas formas de organizar las celdas para evitar las interferencias entre los canales. En esta transparencia se muestra un cluster de 7 celdas. C F A B E D G F A B E D G C

17 17 El modelo de asignación de cobertura por celda utilizado es el hexágono, ya que por su geometría, se tienen simetrías que facilitan el análisis y da una idea de no intersección. Sin embargo, la región real dependerá de las particulares características de propagación de la zona, pudiendo tener cualquier forma.

18 18 Elementos básicos de un sistema de comunicaciones móviles Móvil à transceptor, antena, y el control de circuitos del usuario à se puede conectar a varias estaciones bases durante una llamada Estación Base à estructura ubicada centralmente con varios transceptores à canales full-duplex de comunicación de voz y señalización simultánea a móvil y viceversa à conexión a MTSO (por cable o enlace de microondas) MTSO (Mobile Telephone Switching Office) à central telefónica para servicio celular à permite la conexión del móvil al PSTN, o a otro móvil

19 19 Supóngase que desde un móvil se desea iniciar una conversación telefónica. ¿De qué manera podría reservarse un canal de comunicaciones para llevarla a efecto, suponiendo que el aparato telefónico estaba originalmente apagado? Supóngase ahora que se llama a un móvil, cuál debería ser la forma de establecer una comunicación si inicialmente el móvil tiene el aparato activo y está aún en la celda donde se registró por última vez que estaba activo? Supóngase ahora que se llama a un móvil, cuál debería ser la forma de establecer una comunicación si inicialmente el móvil tiene el aparato inactivo y ya no está en la celda donde se registró por última vez que estaba activo?

20 20 Mecanismos de supervisión de una llamada Conexión de estación base al móvil à enlace progresivo / ascendente / hacia adelante Conexión de móvil a la estación base à enlace regresivo / descendente / hacia abajo à Para la comunicación entre la estación base y el móvil se utilizan 2 tipos de canales à canales de voz à canales de control: transportan las solicitudes de iniciación y supervisión de servicio. Son continuamente monitoreados por los móviles activos, que no cursan una llamada.

21 21 Propagación en ambientes de comunicaciones móviles El comportamiento del sistema inalámbrico está determinado por las características del radioenlace El enlace entre la estación base y el móvil presenta à trayectoria directa (LOS: line of sight), (ideal) à obstrucción severa por cerros, edificios y follaje La dificultad de una recepción adecuada es debida a la propagación por múltiples trayectorias, debido a fenómenos de à reflexión à difracción à dispersión (scattering)

22 22 En la medida que un móvil se desplaza de una celda a otra, su comunicación se establece con nuevas estaciones bases, mediante un procedimiento de traspaso de canal llamado handoff (en GSM se denomina handover) A veces un móvil cambia de canal asociada a una misma estación base, proceso donocido como handover Estructura celular básica

23 23 La asignación del canal puede ser fijo o dinamica àFijo: si todos los k canales de una celda están en uso, una nueva llamada es bloqueada àDinámica: los canales no son asignados permanentamente El MTSO distribuye canales basados en demanda àtambién puede variarse entre los dos extremos algunos canales pueden ser fijos, otros compartidos entre celdas, ¿¿una celda toma de otra?? la flexibilidad para realizar asignación de canales dinámicos es limitada para reducir la interferencia co- canal Arquitectura del sistema celular

24 24 HandoffHandoff Se refiere a la transferencia de una llamada a otra estación base cuando el usuario se mueve de una celda a otra Procedimiento àidentificar una estación base apropiada para el destino àencontrar canales de voz y control disponibles àdeterminar el instante óptimo de handoff Metas àdebe occurrir tan infrecuentemente como sea posible àdebe ser imperceptible para el usuario

25 25 El umbral de la potencia de señal se ocupa para determinar el instante del handoff –P min --> potencia de señal minima utilizable para una calidad de voz aceptable (-90/-100 dBm) –P ho --> nivel de señal para la cual el handoff se inicia àSi P min - P ho es muy grande se sobrecargará el MTSO por handoff innecesario àSi P min - P ho es muy pequeño, el tiempo requerido para hacer un handoff completo puede ser insuficiente; la señal se puede perder àPara compensar las fluctaciónes rapidas de la potencia de la señal en comunicaciones moviles, se utilizan valores medidos promediados HandoffHandoff

26 26 Para evitar pérdida de conexión: El umbral de handoff debe estar sobre el nível de recepción mínimoHandoffHandoff A B Nivel en A Nivel en B Potencia recibida [dB] Distancia [km] Nivel de recepción mínimo Nivel de handoff Debido a que el nivel de señal recibido es fluctuante, pueden ocurrir múltiples handoff

27 27 Para evitar: múltiples handoff : El umbral de handoff debe estar sobre el nível de recepción mínimo El nivel de traspaso de llamada, bajo el umbral histéresisHandoffHandoff A B Nivel en A Potencia recibida [dB] Distancia [km] Nivel de recepción mínimo Nivel de handoff Nivel de traspaso de llamada

28 28 posición relativa del móvil respecto de estación base velocidad del móvil (handoff más rapido para vehiculos más veloces) En un sistema celular análogo cada estación base dedica un receptor de ubicación àpara monitorear canales de voz en sentido opuesto de todos los móviles dentro y cerca de la celda àinformando de la potencia de la señal recibida al MTSO àcuando se alcanza el umbral P ho, el MTSO supervisa un handoff La generación actual de sistemas celulares incorpora al móvil en el procedimiento de handoff àhandoff asistido por el móvil (MAHO) àel móvil monitorea la potencia de señal de la estación base cercana Información que mejoraría el handoff

29 29 Procedimiento de handoff. Para u buen handoff, las estaciones base deben tener siempre canales habilitados para handoff: Canales suplementarios de resguardo para mayor eficiencia de handoff. Simultáneamente mantener elevada capacidad de canales. El uso de canales dinámicos establece un buen compromiso eficiencia/capacidad de tráfico.

30 30 Handoff y Roaming. El roaming se refiere al traspaso del servicio (handoff) entre áreas atendidas por operadores diferentes con sistemas compatibles La ubicación del usuario es actualizada cuando el usuario entra al nueva área de servicio, de modo que –El usuario pueda iniciar llamadas desde su ubicación –El usuario pueda recibir llamadas, para cuyo efecto la solicitud de conexión es transmitida simultáneamente a las áreas de servicio donde se ha registrado últimamente el móvil (paging)

31 31 Administración de Movilidad Bases para una comunicación independiente de la ubicación y de la localización El objetivo final es el de un sistema de comunicación personal (PCS) Se vincula con la actualización del registro de la ubicación, paging, handoff y ruteamiento de la llamada En los sistemas celulares análogos, el servicio está limitado a handoff y roaming

32 32 La idea fundamental del concepto celular : La reutilización del espectro. A B C D E F G A B D E F G Motivación C

33 33 El concepto de la reutilización del espectro permite ofrecer una alta capacidad de usuarios en un espectro limitado. Los cambios tecnológicos asociados afectan principalmente a las estaciones base o centrales y el concepto está orientado a que el mismo aparato móvil sea utilizado en cualquier región del mundo (compatibilidad).

34 34 Introducción La idea básica es la división del espectro S en N grupos, llamados cluster, dentro de los cuales hay k canales dúplex (celdas). Cada celda (dentro de las N) contiene un grupo de canales distintos. Y la reutilización consiste en ubicar las celdas iguales de manera que la interferencia no sea problema.

35 35 Para cada grupo existe una antena que transmite a baja potencia. Existiendo muchas celdas dentro del área de cobertura. La ampliación del servicio involucra el incremento del número de celdas, una baja en las potencias de RF y una disminución en la zona de cobertura de cada celda. Introducción

36 36 Existen fuentes de interferencia fuera y en el sistema. Por ejemplo las interferencias externas al sistema son solucionadas aumentando la potencia de tx de manera que aumente la relación señal/ruido. Sin embargo las fuentes de interferencia en el sistema son los co- canales y los canales adyacentes. En estos casos el aumento en la pot de tx. empeora la situación. Solo resta hacer una distribución inteligente Introducción

37 37 InterferenciaInterferencia Las interferencias generada por el sistema son de dos tipos y como ya se mencionó no se solucionan con el aumento de la potencia de transmisión. Las interferencias son: –Entre los canales adyacentes en frecuencia –Entre aquellos canales que utilizan la misma frecuencia (co-canales), en distintas celdas.

38 38 La interferencia por adyacencia de canales generada en las imperfecciones de los filtros, se soluciona de una manera muy simple: los canales asignados a una celda no seran adyacentes, sino que intercalados, cada 6. El peor caso sería para N<=7, donde los canales adyacentes se encontrarían en la periferia, pero atenuados. Para valores superiores de N, el problema casi se elimina.

39 39 En la interferencia co-canal, la idea básica sería disminuirla ubicando las celdas que contienen los canales lo más lejos posible. En términos lineales basta una distancia de dos celdas intermedias para salvar la situación.

40 40 Tenemos que: si necesitamos una cobertura C entonces: siendo el factor de reutilización. C F A B E D G F A B E D G C Reutilización de Canales

41 41 El modelo hexagonal permite sólo algunos valores para N. G A F D E C B G A F D E C B i j Reutilización de Canales

42 42 En la interferencia co-canal, la idea básica sería disminuirla ubicando las celdas que contienen los canales lo más lejos posible. En términos lineales basta una distancia de dos celdas intermedias para salvar la situación. Interferencia

43 43 Definamos las siguientes características: R:radio de la celda. D:distancia a la co-celda. Q:factor de reutilización de co-canal (D/R). S/I: relación Señal-Interferencia. G A F D E C B G A F D E C B D R Interferencia

44 44 Para patrones morfológicos similares de las celdas, la interferencia se puede medir a través de sus características, siendo las principales: Interferencia

45 45 Considerando la primera capa de adyacencia y que el decaimiento de propagación es exponencial, podemos aproximar a: Interferencia

46 46 Asignación de Canales

47 47 Asignación Fija Básica: Un set predeterminado de canales pertenecen a la celda. La función de la central es solicitar el establecimiento de la comunicación a la estación base correspondiente y mantener información de la ubicación de cada móvil Asignación de Canales

48 48 Préstamo Simple (Fijo): Si todos los canales están ocupados, un canal desocupado desde una celda adyacente puede ser facilitado. Ampliandose la zona de restricción de utilización del canal. Asignación de Canales

49 49 Préstamo Simple (Fijo): Si todos los canales están ocupados, un canal desocupado desde una celda adyacente puede ser facilitado. Ampliandose la zona de restricción de utilización del canal. Asignación de Canales

50 50 Préstamo Simple (Fijo): La central privilegia aquellas celdas más desocupadas, además debe manejar los canales usados, desocupados y prestados. La eficiencia del sistema decae ante alto tráfico al aumentar el área de bloqueo del canal prestado. Asignación de Canales

51 51 Asignación Híbrida (Fijo): Los canales se agrupan en canales fijos y reasignables. Siguiendo las reglas descritas anteriormente. La relación se canales fijos/reasignables se determina a priori en base a estimaciones de tráfico. Asignación de Canales

52 52 Préstamo Ordenado (Fijo): Cada canal tiene asociado una probabilidad de préstamo basada en las condiciones de tráfico. Asignación de Canales

53 53 Optimizado Llamada a llamada (Dinámico): Ningún canal pertenece a una celda en particular, la central administra la asignación de cada uno de ellos de acuerdo a alguna función de costo: Número de links y principalmente probabilidad de bloqueo futura. Asignación de Canales

54 54 Aumentando la capacidad en sistemas celulares:

55 55 Aumentando la capacidad: Existen tres técnicas ampliamente usadas para ello, denominadas cell splitting, sectoring y coverage zone approaches. Estas tres posibilidades se verán en detalle a continuación con sus principales características:

56 56 Cell splitting : Cell splitting es el proceso de subdividir una celda congestionada en pequeñas celdas. Cada nueva celda tendrá su estación base y una correspondiente disminución de altura y potencia. Aumenta la capacidad pues aumenta las veces que se reusan las frecuencias. Se mantiene constante la razón D/R.

57 57 Cell splitting :

58 58 Cell splitting : F D C G A B F D E C G F D C G B E A B F D E C G

59 59

60 60 Cell splitting : La potencia de las nuevas celdas debe ser reducida. Para ello se examina la potencia de la nueva celda y se iguala a la antigua. –Donde P t1 y P t2 son la potencia transmitida por la base grande y pequeña respectivamente.

61 61 Cell splitting : n representa el exponente de perdida de trayectoria que si lo consideramos igual a 4 para un caso exigente e igualamos las potencias obtenemos: Es decir, se debe reducir la potencia en 12 dB. Un caso especial se constituye cuando coexisten celdas pequeñas y grandes.

62 62 Cell splitting : En ese caso los canales de la celda grande deben ser divididos en dos grupos. –El primero se utilizará para los requerimientos de las celdas pequeñas y –El segundo se utilizará para la celda grande y ellos se asociarán a los usuarios que pasen rápido por la celda para evitar múltiples handoffs. Para limitar la cobertura de las celdas, a menudo se orientan las antenas hacia la tierra.

63 63 Sectoring : Se pretende mantener el radio de las celdas y decrementar la razón D/R. Con esto, aumentaríamos la capacidad pues: –Reducimos el numero de celdas en un cluster. –Así, Incrementamos la reutilización de frecuencias. Para conseguir ello debemos reducir la interferencia relativa sin disminuir la potencia.

64 64 Sectoring : La interferencia entre co-canales se decrementa si cambiamos las antenas omni-direccionales de las bases por varias direccionales. Este sistema para aumentar la capacidad se denomina Sectoring. Normalmente se crean tres sectores (120 0 ) o seis sectores (60 0 )

65 65 Sectoring : En este sistema los canales originales de las celdas se dividen en grupos que serán usados en cada sector. Así se disminuye el numero de antenas que interfieren, como se verá en el siguiente ejemplo con una división de 120 0, se disminuyen las interferencias de 6 a 2.

66 66 Sectoring :

67 67 Sectoring : De esta forma se comprueba que el mínimo S/I requerido de 18 dB se puede obtener fácilmente con un factor de reutilización de 7 y sectoring. Ello implica reducción de interferencia y aumento de capacidad en un factor de 12 /7, o 1,714. La desventaja es que existe un aumento del número de antenas en las estaciones bases.

68 68 Sectoring : Además se reduce el área cubierta por un grupo de canales, disminuyendo la eficiencia del entroncado. Aumenta también el número de handoffs. Actualmente existen estaciones bases que permiten que los móviles pasen de sector en sector dentro de la misma celda sin necesidad de intervenir la MSC.

69 69 Microcell Zone : El problema de aplicar sectoring es el aumento de handoffs entre otros. Para solucionar ello, se creo esta propuesta. Esta basada en el concepto de microceldas con un f.r.f. de 7

70 70 Microcell Zone : Selector de zona Estación Base Tx/Rx

71 71 Microcell Zone : Como se ilustra en la figura anterior, cada una de las tres zonas ( pueden ser más ), son conectadas a una única estación base y comparten el mismo equipo de radio.figura anterior Las zonas son conectadas por fibra óptica, coaxial o enlace microondas a la estación base múltiple mientras un móvil se mueva entre las zonas de una misma celda mantiene el mismo canal.

72 72 Microcell Zone : Los canales son distribuidos en tiempo y espacio por las tres zonas y también son re-usados en co-canales, de la forma normal. Se cambia una gran antena central por varios transmisores zonales, que solo estarán activos cuando corresponda, disminuyendo la interferencia intercanal, aumentando la calidad de la señal, por lo que aumenta la capacidad sin degradar la eficiencia del sistema entroncado.

73 73 Microcell Zone : D R RzDz

74 74 Microcell Zone : De la figura se puede ver que la razón D/R es de 3, y se puede calcular que corresponde a un cluster de 3. Esta reducción del tamaño del cluster de 7 a 3, aumenta la capacidad en 2.33 veces, para el mismo requerimiento de 18 dB. En este caso no se pierde eficiencia en el sistema entroncado.

75 75 Resumen: La capacidad de un sistema celular es función de muchas variables. La razón S/I limita el f.r.f., el cual limita el número de canales dentro del área de cobertura. La eficiencia del canal entroncado limita el número de usuarios que pueden acceder al sistema.

76 76 Resumen: La eficiencia del canal entroncado es cuantificado mediante el GOS. Existen técnicas para aumentar la capacidad de un sistema de radio entroncado.


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