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Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice-rectorado Puerto Ordaz
Tema 2
Objetivos
• Elementos del sistema de comunicación celular.
• Re-Uso de Frecuencias
• Distancia de Re-Uso de frecuencias
• Capacidad de Clientes en un Sistema Celular
• Interferencia Co-Canal
• Reducción de la Interferencia Co-Canal
• Handoff o Handover
• Tipos de Handoff
• Algunos conceptos sobre antenas en telefonía celular.
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Numero de Clientes en un Sistema Celular.
Máximo Numero de Llamadas Por Hora
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Número de Clientes en un Sistema Celular
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Máximo Numero de Llamadas por Hora en una Celda.
Cuando un sistema es diseñado, las condiciones de trafico del
área durante la hora pico es parámetro que va ayudar a
determinar el tamaño de la celda y el numero de canales
necesarios en el diseño.
El máximo Numero de Llamadas es calculado de forma
independiente para cada celda. Luego el numero de canales de
frecuencia es asignado de acuerdo al Número de Llamadas x
Hora estimado anteriormente.
Canales de Frecuencia por Celda
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Máximo Numero de Llamadas por Hora en una Celda.
Qi= Máximo Numero de Llamadas por Hora por Celda.
Radio de Cobertura de la Celda.
Cantidad Estimada de Clientes: Normalmente basada en
promedios estadísticos de campo o en datos estimados en áreas
puntuales como C.C., autopistas, avenidas, centros de trabajo ,
etc.
Porcentaje de Penetración Celular: en la zona o área a servir.
Porcentaje de Mercado por Operador.
Promedio de Usuarios: en Horas picos
Canales de Frecuencia por Celda
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Máximo Numero de Llamadas por Hora en una Celda.
Consideremos el caso particular el de la próxima apertura
de un gran C.C. en la Ciudad “Orinokia”. Estamos
interesados en estimar la máxima cantidad de llamadas en
una hora pico.
Para lo cual por estadísticas tenemos que el C.C: tendrá una
capacidad máxima de 21.000 visitantes a la vez. Asumamos
según estadísticas de Conatel que la penetración celular en
el país era de 90 % , y asumamos que el marcado esta
dividido en partes iguales, tendremos entonces 18.000
llamadas en total y 6.000 por operador.
Canales de Frecuencia por Celda
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Máximo Numero de Canales por Celda
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Máximo Numero de Llamadas por Hora en una Celda.
Si 5 de cada 10 personas usaran el celular en la hora pico,
con un tiempo promedio Tp de llamada estimado en 105
segundos; tendremos:
Llamadas x Hora Qi = 3.000.
Se requiere que la probabilidad de bloqueo sea del 5 %.
Calculemos entonces el numero de canales que necesitamos
para cubrir esta demanda en la hora pico.
A= (Qi*Tp)/3600= (3.000*105seg)/3.600= 87,5.
De la tabla de Erlangs encontramos que se requieren
92 canales.
Canales de Frecuencia por Celda
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Re – Uso de Frecuencia
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
Concepto base para el funcionamiento eficiente de la
tecnología celular, consistente en que diferentes usuarios
ubicados en diferentes áreas geográficas (celdas) pueden
utilizar la(s) misma(s) frecuencias al mismo tiempo.
Este proceso ayuda a incrementar significativamente la
eficiencia de utilización del espectro, siempre y cuando se
haga el diseño correcto porque en caso contrario puede ocurrir
la interferencia co-canal, la mayor preocupación en la
aplicación de este concepto.
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
Q es la relación entre D y R
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
Esquemas de reutilización de frecuencias: Las dos
modalidades de Re-uso o reutilización de frecuencias pueden
aplicar en el tiempo y en el espacio.
En el dominio del Tiempo juega papel el concepto de
Multicanalización por División en Tiempo (TDM), en el cual
se ocupa la misma frecuencia pero en diferentes ranuras o
“slots” de tiempo.
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
En el Espacio la reutilización se divide en dos (2) categorías:
1. La misma frecuencia utilizada en diferentes áreas geográficas
al igual que una estación de radio en AM y FM, es decir, la
misma frecuencia a utilizar en diferentes ciudades.
2. La misma frecuencia utilizada repetidamente en un área
general como parte de un sistema, el cual es el esquema
seguido por las redes celulares.
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
Un Canal de Radio en un Sistema Celular consiste de un par
de frecuencias , Una en cada dirección de Transmisión, que
conocida como una operación de Full – Dúplex.
Los Canales que van desde la Celda o BTS a el Móvil son
conocidos como canales Forwards (hacia adelante.
Los canales que van desde la unidad Móvil hacia la Celda
(BTS) son conocidos como canales Reverses (hacia atrás).
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Grafico de Spread Spectrum
Reverse Channel
Foward Channel
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Calculo de la Distancia de Re-uso de Frecuencias
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Distancia de Re-Uso de Frecuencia
1 23
4 5
7 8
9
6
•
1 23
4 5
7 8
9
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•
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•
• •
•
•
•
•
•
• •
•
“D”
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•
•
(0,0)
•
•
••
• •
•
•
•
•
•
• •
•
d = paso de la celda
R = Radio de la Celda
D(i,j) = Distancia de Reuso
S = Superficie de la Celda
i,j = Coordenadas de los
Ejes oblicuos a 60°
(1,0)
(2,0)
(2,1)
d
R
D
Distancia de Re-Uso de Frecuencia
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(i.d,0)
•
•(0,0)
•
•
••
• •
•
•
•
•
•
• •
•
D ² (i,j)= d² (i²+j²+2.i.j . Cos 60°)
D ² (i,j)= d² (i²+j²+i.j)
D ²/ d² = (i²+j²+i.j)
d = R√3
D ²/ d² = 1 (D/R)² = (i²+j²+i.j)
3
K= 1 (D/R)²
3
D = [√(3 K)] R
(1,0)(2,0)
(2,1)
Distancia de Re-Uso de FrecuenciaGeometría Celular
(0,j.d)
(i.d,j.d)
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
Geometría Celular
Área de un Rombo Sr = D² √3
2
Área de un Hexágono Sh = R² 3√3
2
K = Numero Rómbico
K = Sr/Sh = = (i²+j²+i.j)
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
Distancia de reutilización de frecuencias: Este factor
como valor mínimo, dependerá del número de celdas co-
canal en la vecindad de la celda central, el contorno del
terreno, la altura de la antena y de la potencia de
transmisión en el sitio de celda.
D = [√(3 K)] R
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
K es el patrón de reutilización y mostrado según la figura
resulta:
3,46 R K = 4
4,6 R K = 7
D = 6 R K = 12
5,19 R K = 9
7,55 R K = 19
Si todos los sitios de celda transmiten a la misma potencia, el
factor K se incrementa, por lo tanto D, lo cual reduce la
posibilidad de la interferencia co-canal. Sin embargo, un K
demasiado grande, implica reducción del número de canales
por celda, lo cual hace ineficiente la troncalización.
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIAEl reto ahora es disponer del valor de K más pequeño que sea
suficiente para cumplir con los requerimientos de desempeño, lo
cual obliga a la estimación de la interferencia co-canal, y
seleccionar la mínima D de reutilización de frecuencias para
reducir la misma.
El valor más pequeño es K = 3, obtenido por la fijación de i = 1
y j = 1, en la ecuación:
K = i² + ij + j²
Los valores anteriores están relacionados con las coordenadas
establecidas en la geometría celular al trabajar con el arreglo
hexagonal.
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Interferencia Co-Canal
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
Interferencia Co-Canal: Es aquella producida por un canal
de la misma Frecuencia que se encuentra en otra celda cercana
.
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Esta interferencia es la que se conoce en sistemas celulares
como interferencia Co-Canal.
Re-usar idénticas frecuencias en diferentes celdas es una
opción limitada que podría convertirse en un problema si no
es aplicada correctamente.
Ahora queremos encontrar la mínima distancia para el Re-Uso
de frecuencias que nos permita de reducir la interferencia Co-
Canal.
Interferencia Co-Canal
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Interferencia Co-Canal
A B
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En un sistema completo con 6 celdas adyacentes, la
Interferencia Co-Canal es recibida desde los seis (6)
interferidores en dos puntos:
A : Recibidas en el sitio de celda (BTS).
B : Recibidas en la unidad (es) móvil (es).
Para los caculos siguientes de la interferencia Co-Canal
vamos a asumir que el tamaño de la huella de las 6 celdas
es aproximadamente el mismo.
Interferencia Co-Canal
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El valor de la interferencia Co-Canal es independiente de la
potencia de trasmisión y esto significa que el umbral de
potencia del Móvil, es ajustado a nivel de potencia de la Celda
(BTS).
De acuerdo con estas consideraciones entonces la factor de
interferencia Co-Canal viene dado por la ecuación:
q = D/R
Donde el parámetro “q” es el factor de Reducción de la
interferencia Co-Canal . Ósea cuando “q” incrementa,
entonces la Interferencia Co-Canal disminuye.
Interferencia Co-Canal
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Adicionalmente , la separación D puede ser expresada en
función de Ki y C/I ,
D = f (KI ,C/I ), Donde
KI es el numero de Co-Canales interfiriendo
pertenecientes a la primera hilera de celdas adyacentes y
C/I es la relación portadora / interferencia medida en el
receptor del móvil en evaluación.Ki
C / I = C / ( ∑ Ik ) (1)
K=1
Interferencia Co-Canal
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En un sistema celular
completo de formas
hexagonales, existen
siempre seis (6) celdas
interferentes co-canal
en la primera hilera, es
decir, Ki = 6.
Ki
C/I = C / ∑ Ik (1)
K=1
FACTOR DE REDUCCIÓN DE INTERFERENCIA CO-CANAL
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En un entorno real de una red para móviles, la pendiente de la
perdida por propagación varía según:
−γ −γ
C ∝ R = αR (2)Donde :
C = Portadora recibida
R = Distancia medida del transmisor al receptor
α = constante
γ usualmente se encuentra entre 2 y 5 dependiendo de las
condiciones topográficas. Por supuesto, γ nunca será menor de
2 que es la perdida en el espacio libre.
Interferencia Co-Canal
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Si se asume que el ruido local en la celda es mucho menor que
la interferencia co-canal y por lo tanto despreciable, entonces
la ecuación de C/I puede expresarse usando (2) de forma
aproximada como :
- γ Ki - γ
C / I = ( R ) / ( ∑ Dk ) (3)
K=1
Interferencia Co-Canal
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Donde “γ” es una pendiente de pérdidas en la trayectoria
de propagación determinada por el ambiente real del
terreno. En este ambiente se asume el parámetro
usualmente como γ = 4 y Ki = 6 en un sistema celular
completamente equipado. Por supuesto las seis (6) celdas
co-canal interferentes en la segunda hilera causan una
interferencia más débil en comparación con la primera
hilera, por lo tanto, es despreciable.
Relación portadora/interferencia (C/I) en un
sistema con antena omnidireccional
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Relacionando y sustituyendo en las dos ecuaciones (2) y (3) , se
tiene en general:
Ki - γ Ki - γ
C / I = 1 / ∑ ( Dk / R ) = 1 / ∑ ( qk )
K=1 K=1
Donde “qk” es el factor de reducción de interferencia co-canal
para K en cualquier celda co-canal interferente.
qk = Dk / R
Relación portadora/interferencia (C/I) en un
sistema con antena omnidireccional
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Reducción de interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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FACTOR DE REDUCCIÓN DE INTERFERENCIA CO-CANAL
Valor C/I Deseado en una Antena
Omnidireccional :
Analicemos ahora cual sería el valor de Nivel C/I ideal que
hace que la interferencia Co-Canal u otras como los
Desvanecimientos Multitrayectoria (Fading Multipath ó
Rayleight Fading), sean tan pequeñas que puedan
considerarse despreciables.
De igual forma tratemos de encontrar la mínima distancia de
reutilización de frecuencias para reducir la Interferencia Co-
Canal.
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Por simplicidad se asume que todos los Dk son iguales, por lo
tanto, D = Dk y q = qk.
De acuerdo a esto tenemos que :
-γ -γ γ
C / I = R / 6D = q / 6
Despejando:
γ
q = 6 (C / I)
Es decir:
1/γ
q = 6 (C / I ) C / I en mW
Reducción de Interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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El valor de C / I está basado en el desempeño requerido del
sistema, y el valor de γ se basa en las características del
terreno. Con los valores de C / I y de γ se determina el factor
de reducción de interferencia co-canal.
La práctica normalizada es especificar valores de C / I en 18
dB (63,1 mW) o más basado en chequeos subjetivos y en los
criterios de desempeño que definen la calidad del sistema.
(PdB/10)
PmW = 10
Reducción de Interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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Partiendo que el valor aceptado de 18 dB, se mide de acuerdo
a la calidad de la voz captada en los móviles en operación, lo
que implica que dicho valor hace inefectiva la interferencia
co-canal y el desvanecimiento multitrayectoria en esos
niveles.
La pendiente de pérdidas en la trayectoria γ es igual a 4
aproximadamente en el ambiente de radios móviles, entonces:
¼
q = D / R = (6 x 63,1) = 4,41
Reducción de Interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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El incremento de la potencia transmitida en cada celda, lo cual
debería alcanzar hasta el 90% de cobertura de la misma, no
afecta el resultado de la ecuación anterior, ya que “q” no es
función de la potencia transmitida.
Reducción de Interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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El factor “q” puede relacionarse a un conjunto finito de celdas
en un sistema de forma hexagonal definido por la Eq. :
q = √3K, es decir, para q = 4,41 implica K = 7
Lo anterior implica que un patrón de Re-uso de 7 celdas es el
necesitado para mantener la C/I en 18 dB.
En Una simulación por computador a describir posteriormente,
se encuentra un valor de q = 4,6 ; el cual es muy cercano al
resultado de la ecuación.
Reducción de Interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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Solución obtenida de la simulación computacional:
Partiendo del patrón seleccionado de 7 celdas a reutilizar. Se tiene
la definición clara que el valor de D en la simulación es una
variable establecida como D = 2R, la cual puede iniciar la
distancia e ir incrementándose cada 0,5R, es decir, D = 2R; 2,5R;
3R. Para cada valor de D se genera un grupo de datos de
simulación.
Se genera aleatoriamente la localización de cada móvil dentro de
la celda. Se obtiene una distancia Dk desde cada una de las seis (6)
unidades móviles al centro de la celda, asumiendo un Ki = 6.
Reducción de Interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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La señal deseada del móvil, así como los seis (6) niveles
interferentes al centro del sitio de celda también se generan
aleatoriamente siguiendo la regla de pérdidas en la trayectoria de
propagación del radio móvil, la cual es de 40 dB/década, en
conjunto con a desviación estándar log-normal de 8 dB en su
valor medio.
Se suman todos los datos de las interferencias simuladas, y se
obtiene:
Ki = 6
I = ∑ Ik
K=1
Reducción de Interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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El valor anterior se combina con el valor de la portadora
principal simulada C y se obtiene la C / I.
El valor de C/I será para una D específica, la cual es la distancia
entre el centro del sitio de celda y los sitios de celda co-canal
interferentes.
Este proceso se repite unas 1000 veces para cada valor de D,
siguiendo el criterio establecido anteriormente, en que el 75% de
los usuarios establecerán una calidad de voz como “buena” o
“excelente” en el 90% del área de cobertura.
Reducción de Interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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Se busca entonces que del 75% de la opinión de los usuarios se
logre una C / I de 18 dB con el valor apropiado de D. Asumiendo
que las localizaciones escogidas de los móviles son aleatorias y
uniformes, entonces un 90% corresponde al área de cobertura
para 900 móviles.
Se asocia cada localización de unidad móvil con su C / I recibido
para encontrar el valor particular de D. Algunos valores de C / I
son altos y otros bajos, implica que se descartan los 100 valores
más bajos.
Reducción de Interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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Entonces el valor principal de C / I debería derivarse de los 900
valores remanentes, el cual asociará un valor particular de C/I con
un valor particular de D. Este proceso se repite para diferentes
valores de D, encontrándose los valores medios de C/I.
Puede plotearse una curva C/I vs D. En la publicación de los
laboratios BELL en relación a esta publicación se obtuvo la
correspondencia del valor C / I de 18 dB con un D = 4,6R.
Entonces: q = D / R = 4,6.
Reducción de Interferencia Co-Canal en un
sistema con antena omnidireccional
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Interferencia Co-Canal. Peor Caso
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Interferencia Co-Canal. Peor Caso
q = 4.6 normal interferencia.
K = 7 patron de Celdas.
Asumiendo Condiciones Ideales de Terreno:
La Distancia de todas las 6 celdas “Interferidoras” se pueden asumir
en el mejor de los casos como equidistantes, ósea 2 distancias D-R,
2 Distancias D y 2 distancias D+R.
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Interferencia Co-Canal. Peor Caso
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-γ -γ γ
C / I = R / 6D = q / 6
1/γ
q = 6 (C / I ) C / I en mW
Interferencia Co-Canal. Peor Caso
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R
2(D − R) + 2(D) + 2(D + R)
1
2(q − 1) + 2(q) + 2(q + 1)
Substituyendo q = 4.6
C/I = 54 mW o 17 dB, Aproximado18 dB.
C/I =
C/I =
−4
−4 −4 −4
−4 −4 −4
Interferencia Co-Canal. Peor Caso
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Pero estimar el Peor Caso seria cuando la distancia sea: D-R para
los 6 interferidores.
R
6(D − R)
1
6(q − 1)
28 mW = 14.47 dB
−4
−4C/I =
C/I =
C/I =
−4
Interferencia Co-Canal. Peor Caso
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Pero estimar el Mejor Caso seria cuando la distancia sea: D-R para
los 6 interferidores.
R
6(D + R)
1
6(q + 1)
163,68 = 22.14 dB
−4
−4C/I =
C/I =
C/I =
−4
Interferencia Co-Canal. Peor Caso
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En la realidad debido a las imperfecciones de sitio donde se ubica la
Celda y las variaciones geográficas naturales del terreno la C/I
Recibida es siempre peor que 17 dB y puede llegar hasta 14 dB y
menos.
Y esto puede ocurrir más fácilmente en una Celda de Tráfico pesado.
Por eso el sistema debe ser diseñado con una C/I alrededor del peor
caso. Y en ese caso un factor q = 4,6 es insuficiente.
Así que en una Celda Omnidireccional , un K = 9 o K = 12 podrían
ser más apropiados.
Interferencia Co-Canal. Peor Caso
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
K es el patrón de reutilización:
3,46 R K = 4
4,6 R K = 7
D = 6 R K = 12
5,19 R K = 9
7,55 R K = 19
C/I = 84.5 (=) 19.25 dB K = 9
C/I = 179.33 (=) 22.54 dB K = 12
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Handoff o Handover
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Mecanismo de Handoff ó Handover
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En la figura anterior, se verifican dos (2) esquemas, en el
primero dos celdas co-canal utilizando una frecuencia F1
separadas una distancia D, donde dicho parámetro y el radio de
la celda son gobernados por el factor “q”.
Ahora debe llenarse con canales de frecuencia F2, F3 y F4 entre
las dos celdas anteriores para completar el sistema, ya que las
frecuencias son asignadas a sus correspondientes C2, C3 y C4 de
acuerdo al mismo valor de “q”.
Mecanismo de Handoff ó Handover
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Suponiendo que una unidad móvil inicia una llamada en la
celda C1 y después se mueve a C2, la llamada puede
deshabilitarse y reiniciarse en la misma celda, conmutando
las frecuencias de F1 a F2. El proceso de conmutación de
frecuencias es automático sin la intervención del usuario y es
conocido como Handoff ó Handover.
Este proceso es una actividad clave en la operación de las
redes de Telefonía Celular.
Mecanismo de Handoff ó Handover
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Las preguntas que surgen para garantizar el correcto desempeño
son:
1) ¿Cómo hacer que los procesos de handoff sean exitosos?
2) ¿Cómo reducir los handoffs innecesarios en el sistema?
3) ¿Cómo es controlada la capacidad de tráfico en una celda
individual por la alteración causada por el algoritmo handoff?
Mecanismo de Handoff ó Handover
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Básicamente el handoff requiere en dos (2) situaciones en las
cuales la estación base recibe señales débiles desde el móvil:
1)Cuando el móvil llega al límite de la celda, donde cae la
señal bajo un límite aceptable, típicamente -100 dBm en un
ambiente de ruido limitado.
2)Cuando la unidad móvil cae en uno de los “huecos” u
“hoyos” de intensidad de señal encontrados en la celda,
como se verifica en la siguiente figura.
Mecanismo de Handoff ó Handover
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Mecanismo de Handoff ó Handover
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La implementación del mecanismo va a depender de la
supervisión constante en el canal de voz controlado en la estación
base, de la calidad de la señal en la radio transmisión,
chequeándose lo siguiente (no necesariamente los dos en dicha
operación):
1) Intensidad de la señal
2) Relación C / I en el tono de supervisión de audio (SAT)
Lo anterior establece entonces dos (2) tipos de handoff.
Mecanismo de Handoff ó Handover
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Basado en la intensidad de la señal
El nivel umbral para la ocurrencia del handoff en un sitio con
ruido controlado es de -100 dBm y de -95 dBm en un sitio con
interferencia limitada.
Operación de fácil implementación. El localizador del receptor
mide todas las intensidades de señal de todos los receptores en la
estación base. Sin embargo, esta señal llamada RSS en los
sistemas Analógicos, es decir, intensidad o rigidez de señal
recibida de sus siglas en inglés, incluye interferencia.
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Tenemos entonces que:
RSS = C + I, ósea la intensidad de señal recibida
donde es sabido que C = potencia de portadora
e I la interferencia.
Si se establece un nivel umbral para la RSS, puede darse
que el mismo se encuentre por encima del umbral debido a
la presencia de la I, la cual puede ser muy potente. Lo
anterior debería implicar la ocurrencia de un handoff pero
no es así.
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Si se tiene una situación donde la I tiene poca intensidad
pero también lo es el RSS, puede implicar que la calidad de
voz sea buena aunque se tenga un RSS bajo, lo cual puede
producir un handoff innecesario.
Lo anterior establece la facilidad de la implementación pero
no da una buena precisión en a toma de decisión.
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Basado en la C / I:
El valor de la C / I para que ocurra un handoff en este caso
se establece en 18 dB en el límite de celda en general, a fin
de garantizar calidad de voz, aunque a veces se puede
implementar en niveles menores por consideraciones de
capacidad.
La unidad de canal de voz genera un tono continuo (SAT),
el cual se adiciona a la señal transmitida, éste no interfiere
con la misma porque su frecuencia está por encima de las
frecuencias de voz, aunque en algunos sistemas se utilizan
los dos niveles combinados para implementar el handoff.
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El handoff se controla a partir de la C / I, obtenida desde:
(C + I) / I ≈ C / I
Se puede establecer el nivel basado en C, el cual depende
de la distancia de propagación, que no es el caso de la I.
Entonces al dependerse del valor de C / I, el cual al
disminuir puede deberse al incremento de la distancia o del
valor de la I, implica una necesaria ocurrencia del handoff,
en cualquiera de los dos casos.
Número de handoffs por llamada:
Mientras menor sea el tamaño de la celda, donde se
mantenga un K que implica que se tangan más canales por
área de cobertura, mayor será la
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Número de handoffs por llamada:
Mientras menor sea el tamaño de la celda, donde se
mantenga un K que implica que se tangan más canales por
área de cobertura, mayor será la cantidad promedio de
handoffs por llamada, la cual será relativo al tamaño de la
celda.
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De acuerdo a los diversos procesos de simulación de señal se
tiene como base:
1) 0 a 2 handoffs por llamada en celdas de 16 a 24 Km.
2) 1 a 2 handoffs por llamada en celdas de 3,2 a 8 Km.
3) 3 a 4 handoffs por llamada en caldas de 1,6 a 3,2 Km.
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Inicialización del handoff:
Partiendo que en la estación base siempre se monitorea la
intensidad de la señal a través de los canales inversos de voz
(RVC), cuando éste llega aun nivel de handoff (mayor que el
nivel umbral para la mínima calidad de voz requerida), la
estación base envía a la MTSO un pedido para la ejecución del
handoff en la llamada.
En las estación base se realizan operaciones para que la gestión
del handoff sea exitosa y no se caiga en el caso de pedir un
handoff apresurado que puede ser innecesario, o uno fallido
cuando la decisión de pedido fue tardía.
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Si se tiene que el nivel umbral en el límite de la celda -100
dBm. Se establece el valor de ocurrencia del handoff en -100
dBm + ΔdB.
Si el valor de ΔdB es fijo y grande, el tiempo para ir de -100
dBm a -100 dBm + ΔdB es mayor, pueden ocurrir muchos
eventos en ese tiempo como por ejemplo que el móvil se
regrese a la estación base o se
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detenga, es decir, no se cae debajo de los -100 dBm, que
implica que muchas decisiones de handoff sean apresuradas
e innecesarias. Si el valor de ΔdB es muy bajo, entonces no
habrá tiempo para las conmutaciones y se pierden las
llamadas mientras se está en el proceso.
El ΔdB se ajusta de acuerdo a la pendiente de pérdidas por
propagación de la señal y por la relación o proporción de
cruce de nivel (Level Crossing Rate-LCR) de a intensidad
de la señal.
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Hay dos casos donde se necesita
el handoff pero es imposible
ejecutarlo:
1) Cuando el móvil se localiza
en un “hueco” o “sombra” de
intensidad de señal dentro de
la celda pero no en el límite
2) Cuando el móvil se aproxima
al límite de la celda pero no
hay canales disponibles en la
nueva celda
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En el primer caso las llamadas deben ser mantenidas en la
frecuencia del antiguo canal hasta que se caiga por un nivel
de señal insostenible.
En el segundo caso la nueva celda debe reasignar una de las
frecuencias de sus canales dentro de un período
razonablemente corto o a llamada se caerá.
• Algoritmo de dos (2) niveles para el handoff:
Utilizado en general para mejorar la oportunidad de obtener
un handoff exitoso.
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En el gráfico anterior se dispone de un comportamiento que
se graba en el indicador de RSS, llamado ahora RSSI,
instalado en cada receptor de a estación base. Cuando la
señal cae bajo el primer nivel de handoff, se inicia una
petición del mismo.
Si el móvil se encuentra en una sombra o todos los canales
de una celda vecina están ocupados, el handoff es pedido
periódicamente cada cinco (5) segundos.
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En el primer nivel de handoff, se realiza el mismo si la
nueva señal es más fuerte (caso I de la figura), sin embargo,
si se alcanza el segundo nivel la transferencia es directa
(caso II de la figura).
La MTSO siempre dará prioridad al handoff en relación al
inicio de una nueva llamada, por consideraciones de
comodidad al usuario.
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Si no hay celdas vecinas con canales disponibles cuando se
alcanza el segundo handoff, la llamada continúa hasta que
se alcanza el umbral límite y se cae la misma. Si el móvil
no envía un SAT en los cinco (5) segundos subsiguientes el
MTSO apaga el transmisor de la estación base.
La ventaja de tener dos (2) niveles de handoff, es que hay
más garantía que el mismo se ejecute en el sitio adecuado y
se eliminen posibles interferencias en el sistema. En el caso
I de la figura el primer handoff ocurre prácticamente en el
límite entre las dos celdas (A y B), si solo se utilizara el
segundo nivel de handoff, el mismo se haría ya muy inserto
en la celda B.
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En el caso II, el proceso ocurre entre las celdas A y C.
Debido a la separación de las mismas, el primer handoff es
imposible operarlo.
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Handoff forzado:
Es el que se evita cuando debería ocurrir, o se que ejecuta
aunque no se necesite.
La estación base puede asignar un valor umbral más bajo y
hace que se mantenga el móvil operando más tiempo dentro
de la celda o incrementa el nivel umbral, haciendo que se
produzcan handoff antes de llegar a los límites de la celda.
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Handoff forzado:
La MTSO puede ejecutar handoff aunque no haya recibido
pedidos para ello, esto se hace cuando verifica celdas
demasiado congestionadas, entonces le pide a las estaciones
base incrementar los niveles umbral para ejecutar la
conmutación a otra celda adyacente, el cual sería
anticipado, comparándolo con la operación normal .
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Cola de espera de handoff:
Mecanismo más eficiente que el algoritmo de dos (2) niveles. La
MTSO pone en cola de espera los pedidos de handoff en vez de
rechazarlos cuando la nueva celda a conmutar está ocupada. Por
supuesto la eficiencia es factible cuando los pedidos de handoff
vienen en grupos. Ya que si vienen solos no tiene sentido
ponerlos en espera.
Hay reducción de bloqueo para las llamadas iniciadas al
utilizarse la cola de espera, sin embargo la misma constituye más
riesgosa para las llamadas en handoff aunque si se ponen en cola
de espera solo las llamadas en handoff si hay reducción de la
probabilidad de bloqueo.
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Handoff o Handovers
En resumen vamos a conseguir dos Causas que generan un Handoff o Handovers
Handover por razones de trafico
• Cuando la capacidad de la celda esta cerca del máximo, un Móvil en la periferia de la celda puede realizar un handover a una celda vecina con bajo tráfico.
• La MSC inicia el procedimiento.
Handover debido a Calidad de Señal.• Cuando un Móvil se mueve durante la comunicación puede pasar de una celda
a otra.
• Los recursos de frecuencia de la celda previa no pueden seguir usándose mas.
• El Móvil es atendido por una celda nueva .
• BSC que controla la celda actual toma la decisión de realizar el handover.
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Tipos de Handoffs o Handovers
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Intra Cell - Intra BSC Handover
Air A
TCBTS
BSC
New Channel
Old Channel
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Inter Cell - Intra BSC Handover
Air A
TCBTS
BTS
BSC
Old Cell / BTS New Cell / BTS
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Inter Cell - Inter BSC Handover
Air A
BTS
Old Cell / BTS
New Cell / BTS
BTS
BSC TC
BSC TC
VLRMSC
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Inter MSC Handover (1)
Air A
BTS
Old Cell / BTS
New Cell / BTS
BTS
BSC TC
BSC TC
VLRMSC
VLRMSC
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División de Celdas - Splitting
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• ¿Por qué la división de celdas?
El objetivo de esta operación es al igual que el reuso de
frecuencias, optimizar la utilización del espectro radio
eléctrico.
Cuando la densidad de tráfico comienza a crecer y los canales
de frecuencia F1 en cada celda C1 no pueden soportar la carga,
se puede dividir la celda original en celdas más pequeñas,
donde en general el nuevo radio es la mitad de la celda
original.
Hay dos (2) maneras de hacer la división, donde el sitio
original no es utilizado y la otra en la cual si se considera.
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• ¿Cómo dividir?:
Dos técnicas clásicas de división de celdas:
1) División Permanente:
Gestión que es planificada de antemano, estableciendo el
número de canales, sitio geográfico, donde juegan papel las
consideraciones futuras de carga de tráfico.
Cuando la planificación está definida el punto de arranque o
corte se establece desde los momentos de tráfico más bajos,
usualmente a la medianoche de un Domingo, donde la
estimación esperada es pocas llamadas fallidas debido a
este corte, asumiendo que el tiempo fuera de servicio de la
celda es como máximo dos (2) horas.
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2) División dinámica:
Basado en la utilización eficiente del espectro localizado en
tiempo real.
Es un algoritmo bastante difícil de implementar, sobre todo
por las consideraciones en que no puede lograrse tener un
simple sitio de celda desocupado durante la división de
celda en las horas de alto tráfico.
Pero una vez que se ha establecido el procedimiento, se
aplica vía software, obteniéndose resultados esperados.
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ELEMENTOS PARA EL DISEÑO DE UN
SISTEMA CELULAR
División o partición de celdas (splitting)
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Observando el gráfico anterior se puede analizar un ejemplo de
partición dinámica, en el cual se establece un área que necesita
incrementar su capacidad de tráfico y se recurre a la división
dinámica asignándole canales de frecuencia adicionales que
corresponden a otro sector en el cual no hay mucha demanda de
servicio al momento.
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• Limitaciones del tamaño de la división o partición y manejo
del tráfico:
La división de celdas depende de dos (2) factores:
1) El aspecto del radio. Donde el tamaño de la celda depende
del control efectivo del patrón de cobertura y de la exactitud de
conocimiento en la ubicación de los móviles.
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2) La capacidad del procesador de conmutación.
Mientras más pequeñas las celdas, mayores handoffs
ocurrirán y mientras más división de celdas se implemente,
mayor potencia de procesamiento es necesaria.
Los puntos anteriores de alguna manera pueden limitar los
alcances de las particiones.
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• Efecto de las divisiones:
Cuando se da el proceso de división, a fin de mantener la
relación “q” en el sistema, se tienen dos (2)
consideraciones:
1) La división de celdas afectan celdas vecinas. Causan
un desbalance en la potencia de transmisión y en la
distancia de reuso de frecuencias, lo cual implica la
necesidad de tener también celdas más pequeñas divididas
en las celdas vecinas, es como un “efecto dominó”.
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2) Ciertos canales deben usarse como barreras. Para que
las mismas celdas extensas, grandes y pequeñas puedan
aislarse seleccionando un grupo de frecuencias, las cuales
serán usadas solamente en las celdas localizadas entre las
celdas grandes en un lado y en las celdas pequeñas en otro
lado para evitar la interferencia que sea transmitida desde
celdas grandes a celdas pequeñas.
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Ejemplo de División de Celdas:
Nuevo radio de celda = Viejo radio de celda / 2
De acuerdo a la ecuación anterior:
Nueva área de celda = Vieja área de celda / 4
Si cada nueva celda va a llevar la nueva carga de tráfico de la
original
Entonces:
(Nueva carga de tráfico / área unitaria) = 4 x (Carga de
tráfico / área unitaria)
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Antenas en Telefonía Celular
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Configuración de Antenas - BTSOmnidirectional BTS
f1,f2, f3
3 sectores x BTS
2 sectores x BTS
f2f1, f2
f5, f6
f1
f3, f4
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• Antenas:
Todos los parámetros para el dimensionamiento de la antena
como son: el patrón de radiación, ganancia, inclinación y
altura afectan el diseño del sistema.
Los patrones pueden ser omnidireccionales y direccionales,
sea en plano vertical u horizontal. La ganancia de antena
contribuye a compensar a potencia transmitida.
Los diferentes patrones de antena y ganancias en sitio de
celda y en unidades móviles afectarán el desempeño del
sistema.
Antenas en Telefonía Celular
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Los patrones típicos de antenas en el espacio libre son
diferentes a los disponibles en las redes celulares. Si una
unidad móvil viaja alrededor de una celda en un área con
muchos edificios, la antena omnidireccional, no duplica lo
que llaman el omni- patrón. En consecuencia si la relación
“front-to back” (frente-espalda) en una antena direccional es
de 20 dB en el espacio libre, va a ser de solo 10 dB en el sitio
de celda.
Antenas en Telefonía Celular
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Lo anterior se debe a la posible cercanía de estructuras altas de
edificios al frente radiante de la antena direccional que hará
altamente reflectante la señal transmitida y bajará la relación de
ganancias front to back inclusive a valores de 6 dB en
comparación a los 20 dB cuando se aplica una antena
direccional estándar en el espacio libre, es decir, sin estructuras
importantes al frente de radiación.
Antenas en Telefonía Celular
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Relación Frente-Espalda de
una antena direccional en un
ambiente de radio móvil
Antenas en Telefonía Celular
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Ejercicios
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Máximo Numero de Llamadas por Hora en una Celda.
Datos:
Area de Cobertura: 12 Kms, con 6 celdas de radio 2 Kms
Una Autopista, dos avenidas,
Canales de Frecuencia por Celda
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Máximo Numero de Llamadas por Hora en una Celda.
Estadio Cachamay, partido semifinal Copa America
Argentina vs Mexico. 45.000 personas. Nivel de
penetración 80 %, repartidos entre operadoras por igual. Si
6 de cada 10 personas usaran el celular en la hora pico, con
un tiempo promedio Tp de llamada estimado en 40
segundos; Se requiere que la probabilidad de bloqueo sea
del 2 %.
Calcular Llamadas x hora y el numero de canales que
necesitamos para cubrir esta demanda en la hora pico.
Canales de Frecuencia por Celda
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Diseñar ejercicios por grupos de ejemplos en Oriente
Upata
Complejo Jose
Maturin
Ejms: de casos puntuales o de diseños nuevos.
.
Canales de Frecuencia por Celda
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REUTILIZACIÓN DE CANALES DE FRECUENCIA
i 0 1 0 1 2 0
j 1 1 2 2 2 3
K
K = Numero Rómbico