Asignación de canales a las celdas.

En el diseño del sistema celular, no solo se debe tener en cuenta la interferencia co-canal, sino también lainterferencia por canales adyacentes. Es por esta razón que no se asignan canales adyacentes dentro de la misma célula, si se usasen se deberían tener mayores guardas de protección empeorando la eficiencia del espectro.

Supongamos que los canales están numerados secuencialmente desde uno hacia adelante y que el espectro asignado se dividió en K juegos de canales, luego el juego k con 1<= k <=K contendrá los canales k, k +K, k +2K, etc. y en varios casos para evitar la interferencia entre canales adyacentes se prohibe el uso de canales adyacentes en celdas adyacentes (antenas omnidireccionales)Como ejemplo, para K=7 tendremos el total de los canales divididos en 7 y a su vez, en tres subgrupos dentro decada celda. Lo que hace un total de 21 subgrupos.

En ciertos lugares y situaciones especiales, el ángulo del sector puede ser reducido de modo tal de asignar máscanales en un sector sin incrementar la interferencia por canal vecino.

En el sistema analógico usado hasta finales de la década del 80 en EE.UU., el número total de canales asignado a la telefonía celular eran 832, pero la mayoría de las unidades móviles y los sistemas operaban en base a 666 canales. A modo de ejemplo describiremos la numeración de canales de este último sistema.

Un canal consiste de dos frecuencias: una en la banda baja y otra en la banda alta del espectro asignado para telefonía móvil. Las dos frecuencias del canal 1 son: 825,03 MHz (transmisión del móvil) y 870,03 MHz (transmisión de la estación base). Las dos frecuencias en el canal 666 son: 844,98 MHz (transmisión del móvil) y 889,98 MHz (transmisión de la estación base).

Los 666 canales están divididos en dos grupos: el bloque del sistema A y el bloque del sistema B. Cada mercado (cada ciudad) tiene dos sistemas para evitar el monopolio. Cada bloque posee 333 canales, y están numerados como se muestra en la Figura 1. 7

Existen 42 canales de set-up, los cuales son asignados de la siguiente forma:Bloque A: canales 313-333Bloque B: canales 334-354

Los canales de voz son asignados de la siguiente forma:Bloque A: canales 1-312Bloque B: canales 355-666

Los 42 canales de set-up son asignados en el medio de todos los canales disponibles para facilitar la búsqueda de los mismos mediante sintetizadores de frecuencia.

Numeración de canales.

Numeración de canales.

Posteriormente se otorgó un especto adicional de 10 MHz que proporcionó 166 canales adicionales. Dado que 1 MHz fue asignado por debajo de los 825 MHz (o 870 MHz), los canales adicionales fueron numerados hasta los 849 MHz (o 894 MHz) y después seguían desde la parte baja del espectro que se adicionó. El número del último canal es 1023 (210-1). No hay canales entre los canales 799 y 991.

En el sistema AMPS el número de canales de voz para cada sistema es de 312 y se pueden agrupar en cualquier número de subconjuntos (subsets). Dado que hay 21 canales de set-up en cada sistema, es lógico agrupar los 312 canales en 21 subconjuntos, por lo tanto cada subconjunto consta de 16 canales de voz.

En cada conjunto, el canal adyacente más cercano se encuentra a 21 canales de distancia. Los 16 canales de cada subconjunto pueden ser montados en una trama y conectados a un multiplexor de canales. La amplia separación entre canales adyacentes es requerida para lograr los requerimientos mínimos de aislamiento o interferencia co-canal.

En un sistema de reuso de frecuencia con siete celdas, cada celda contiene tres subconjuntos: iA + iB + iC , donde i es un número entero del 1 al 7. El número total de canales de voz en una celda es de 48 y la mínima separación entre tres subconjuntos es de 7 canales.

Si deseamos colocar 6 subconjuntos en una celda omnidireccional, la separación física mínima entre dos canales adyacentes dentro de la celda es solamente 3 canales (21/6 > 3).Por ejemplo, 1A + 1B + 1C + 4A + 4B + 4C ó 1A + 1B + 1C + 5A + 5B + 5C

Las técnicas para el incremento de la eficiencia del espectro de frecuencia pueden ser clasificadas como:Incremento el número de canales de radio usando banda angosta, espectro expandido o división temporal.Mejora en la separación espacial en el reuso del espectro de frecuencias.Manejo de frecuencia y asignación de canales.Mejora de la eficiencia del espectro temporalmente.Reducción de la carga de llamadas invalidas.

El compartir canales es una herramienta usada, por un corto plazo, para aumentar la capacidad en un área que esté excedida en tráfico.

En la figura siguiente se puede ver la numeración de los canales para un sistema de 7 celdas con 3 caras, hay 21 conjuntos de canales con 16 canales. En caso de existir una sobrecarga, los canales de otra cara de la misma celda pueden ser compartidos temporalmente. Para obedecer el algoritmo de asignación de canal adyacente se comparten los canales cíclicamente.

Dado que no se permite a los canales adyacentes compartir la celda con los canales nominales, los conjuntos de canales 4 y 5 no pueden ambos ser compartidos con los conjuntos 12 y 18 (se indican en la Figura 9 con signos #). No obstante los canales superiores del conjunto 4 pueden ser compartidos con los inferiores del conjunto 5 sin interferencia.

Figura 1. 9: Algoritmo para compartir y prestar canales. NOTA: # Posibles áreas de interferencia.

En los sistemas donde se comparten canales, el multiplexor de canales debe ser eficiente de modo tal de poder combinar hasta 32 canales en un sola cara en tiempo real.

La herramienta de prestar canales es muy similar al compartir canales pero a diferencia del caso anterior, durante largos lapsos de tiempo.

La posibilidad de pedir canales prestados de otras celdas depende de la densidad de tráfico en el área. El préstamo de canales puede ser implementado desde una cara de la estación base a otra cara de la misma estación base, además la estación base puede pedir prestados canales de celdas vecinas.

La capacidad de tráfico de una celda omnidirección o una celda direccional (ver Figura 1. 10) puede serincrementada mediante el uso del arreglo underlay-overlay. El underlay es el círculo interno, y el overlay es el anillo exterior.

La potencia de transmisión de los canales de voz en la celda son ajustadas para estas dos áreas, luego son asignadas diferentes frecuencias para canales de voz en cada área.

En una celda omnidireccional la distancia de reuso de frecuencia en un cluster de 7 celdas es D = 4,6R donde R es el radio de la celda.

Debido a la sectorización en una celda direccional, la asignación de canal tiene un algoritmo diferente en 6 regiones, 3 regiones underlay y 3 regiones overlay.

Figura 1. 10: Celda con arreglo underlay-overlay. a) Underlay-overlay en una celda omnidireccional; b) Underlay-overlay en una celda sectorizada; c) Esquema de handoff de dos niveles.

Usando este tipo de arreglo se puede tener dos patrones de reuso de celdas diferentes coexistiendo en la misma área. Una pequeña celda “underlay” es establecida en el centro de una celda grande como se ve en la Figura 1. 10 La celda “doughnut” (grande) y la celda “hole” (chica) son tratadas como dos celdas diferentes. Éstas son consideradas usualmente como celdas vecinas.

Se usa una antena omnidireccional en una celda para crear dos subáreas o 3 antenas direccionales para crear 6 subáreas como se ilustra en la Figura 1. 10 a y b. El conjunto de frecuencias usadas en el área overlay es diferente al conjunto de frecuencias usadas en el área underlay para evitar la interferencia del canal adyacente y co-canal.

En la implementación, cuando una llamada es recibida por el canal de set-up y su nivel de señal es mayor a un nivel L la celda underlay es asignada, en caso contrario la overlay toma la llamada. Existe handoff entre las celdas underlay y overlay. Para evitar handoff innecesario se puede elegir dos niveles de intensidad de señal recibida en la estación base, L1 > L2 como se ve e la Figura 1. 10c. Cuando la señal del móvil es mayor que el nivel L1 la llamada es transferida a la celda underlay y cuando la señal es menor a L2 la llamada es transferida a la celda overlay.

Los canales asignados a la celda underlay poseen mayor protección contra la interferencia cocanal.

A través de la implementación del concepto overlay/underlay es posible operar un sistema de K múltiple, donde K es el número de celdas en el reuso de frecuencias.

En el sistema convencional se usa el K = 7, pero si se usa un K para las celdas underlay, luego este sistema de K múltiple puede tener una eficiencia adicional del 20% con respecto al sistema de K única con una calidad de voz equivalente.

En la Figura 1. 11a K = 9 es usado en las celdas overlay y K = 3 es asignado a las celdas underlay. Basado en este arreglo, el número de estaciones bases puede ser reducido mientras se mantiene la misma capacidad de tráfico.

El decrecimiento en el número de estaciones bases que resulta de la implementación del sistema con K múltiple es mostrado en la Figura 1. 11b.

La ventaja de usar esta partición basada en el rango de K es:•El rango de K va desde 3 a 9, la calidad operacional de la llamada puede ser ajustada y más patrones de reuso están disponibles.

•Cada conjunto de canales del viejo sistema con K = 7 es un subconjunto de los nuevos sistemas con K = 3. Es decir, para tratar que la cantidad de resintonización de radio en este arreglo sea mínima en cada celda se siguen utilizando las frecuencias originales y se le asignan nuevas.

En un sistema celular la eficiencia espectral está basada en el número total de canales por celda. Por ejemplo, en un sistema celular analógico cerca de 60 canales por celda son estimados para un ancho de banda dado de 25MHz sin importar que el ancho de banda de cada canal individual pueda ser 30, 15 o 5Khz.

El esquema Underlay/Overlay y los esquemas de diversidad han probado tener una mejor eficiencia espectral.

La noción de mejorar la eficiencia espectral usando sistemas de canales con anchos de banda múltiples reside en el hecho que para lograr la misma calidad de voz en un sistemas con canales de un ancho de banda mayor se requiere una menor relación C/I (portadora / interferencia) que en un sistema con canales de un ancho de banda menor; suponiendo que la potencia transmitida por la estación base se mantiene siempre constante.

Para mejorar la eficiencia espectral, se puede dividir la celda en 2 ó tres anillos, donde los canales tendrán anchos de banda diferentes en cada uno. Canales de 30KHz serán asignados al anillo exterior y valores de 15 o 7,5KHz a los anillos del medio y / o internos. Para un sistema de dos anillos el área de cada uno será calculada de modo tal que sean similares, mientras que para un sistema de tres anillos las respectivas áreas podrán ser establecidas de acuerdo a las condiciones de tráfico requeridas.

Los canales de 30KHz de ancho de banda podrán servir a una gran celda y los canales de 15KHz de ancho de banda servirán a una celda relativamente más pequeña:

Los sistemas analógicos celulares se encuentra que los requerimientos de C/I son:C/I > 18dB (canal con ancho de banda de 30KHz)C/I > 24dB (canal con ancho de banda de 15KHz)C/I > 30dB (canal con ancho de banda de 7,5KHz)

Para un sistema con dos anchos de banda de canal con de una pendiente de path-loss de 40 dB/dec, se debe cumplir con la siguiente ecuación para obtener el radio aproximado de la celda interna. En este caso C/I1 corresponde al radio interior y C/I0 corresponde al radio exterior.

Asumiendo que el radio de la celda es R0, el área del anillo externo es servida por canales de 30KHz y el interior es servido por canales de 15KHz . Para mantener los requerimientos de C/I mostrados en la sección anterior el tamaño del anillo interno puede ser encontrado mediante:

El área del círculo interno A1 es obtenida como una porción del área total de la celda A0.

Para un sistema con canales de tres anchos de banda distintos, tres anillos son creados en las celda. El anillo exterior es servido por canales de 30 KHz, el del medio por canales de 15 KHz y el círculo interno por canales de 7,5 KHz. La relación entre el radio de la celda y el radio del anillo interior R2 basándose en los requerimientos de C/I se obtiene de:

Cuando el tráfico de llamadas en un área se incrementa, se debe dividir la celda de modo tal que se pueda reusar la frecuencia más a menudo, es decir que haya menor distancia entre celdas co-canal. Esto involucra reducir el radio de la celda a la mitad y dividir la vieja celda en 4 nuevas celdas pequeñas. Esto resulta en un incremento en la capacidad de tráfico en cuatro veces.

Potencia de transmisión después de la división de celdas.◦ La potencia transmitida Pt1 para una nueva celda puede ser determinada a partir de la

potencia de transmisión de la antigua celda Pt0.

◦ Sí suponemos que la potencia recibida en el límite de la celda es Pr , se tiene la siguiente ecuación (donde α es una constante).

La primera ecuación expresa la potencia recibida en el límite de la antigua celda, la segunda ecuación la de la nueva celda de radio R1 = R0 /2 . Para establecer una potencia recibida Pr idéntica en el límite de las dos celdas de distinto tamaño combinamos las ecuaciones anteriores y obtenemos:

Para un ambiente de radio móvil típico, γ = 4 lo que nos da:

La nueva potencia transmitida debe ser 12 dB menor que la antigua. El nuevo factor de reducción de interferencia co-canal q1 después de la división de la celda, mantiene el mismo valor que q0 dado que D y R se han reducido a la mitad.

La formula general para una celda que se obtuvo luego de n divisiones y cada vez el nuevo radio es la mitad del anterior es:

Cuando la división de celda ocurre el valor de q se mantiene siempre constante. La carga de tráfico puede incrementarse cuatro veces en la misma área luego que la celda original fue dividida en cuatro subceldas.

Cada subcelda puede ser dividida nuevamente en cuatro subceldas, lo cual permite un incremento del tráfico en 16 veces. A medida que continua la división de celdas la formula general puede ser expresada como:Nueva Capacidad de Tráfico = (4)n x (Capacidad de tráfico de la celda original), donde n es el número de veces en que se divide la celda.

Sin bien la división de celdas permite manejar un mayor volumen de tráfico, requiere de la instalación de nuevas estaciones base con su respectivo costo económico y al disminuir el tamaño de las celdas se incrementa la cantidad de handoffs.

Técnica para la división de celda.

División permanente (Permanent Spliting). Este tipo de división se da cuando en una zona determinada el promedio de tráfico aumenta de modo tal que las estaciones base existente no pueden manejarlo (ej. urbanización de una región). Dado que la división es por un tiempo prolongado, se debe seleccionar sitios adecuados para colocar estaciones bases de pequeñas celdas, lo que es un trabajo difícil. La antena puede ser montada en un “monopolo” o puede ser colocada sin torre en áreas tales como terrazas de edificios o interior de centros comerciales, aeropuertos, etc. No obstante, la división puede ser fácil de lograr siempre y cuando la división de la celda grande ocurra durante un período de bajo tráfico.La asignación de frecuencias puede seguir la regla basada en la relación reuso de frecuencia q con ajuste de potencia.

División en tiempo real (Real-t ime Split ing Dynamic).

Este tipo de división es necesaria cuando existen picos de tráfico que no pueden ser manejados por las estaciones base existentes. Esto ocurre en por ejemplo los alrededores de un estadio luego de un partido de fútbol, en las autopistas en situación de accidentes automovilísticos, etc. En este las pequeñas celdas ociosas (las inactivas) deben administrar recursos operativos en razón de incrementar la capacidad de tráfico del sistema. Debido a que la participación de las estaciones ociosas es por períodos cortos, la planificación y ubicación de las mismas no es tan exigente como en el caso de división permanente.