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Comunicações Celulares por Maria Cristina Felippetto De Castro
Fundamentos de Projeto de Sistemas Celulares
Capítulo 3
Fundamentos de Projeto de Sistemas Celulares
O objetivo do projeto dos sistemas rádio-móveis pioneiros era viabilizar uma grande área de cobertura através do uso de um único transmissor de potência elevada, com uma antena montada sobre uma torre.
O problema decorrente de tal estratégia de projeto era que, devido à elevada potência dos transmissores, se tornava impossível reusar as mesmas freqüências através de todo o sistema, já que qualquer tentativa de fazê-lo resultaria em interferência.
As agências governamentais regulatórias dos serviços de telecomunicações não podiam alocar freqüências no espectro na mesma proporção da crescente demanda por serviços de comunicações móveis, razão pela qual se tornou imperativo reestruturar o sistema de rádio-telefonia.
O conceito de telefonia celular foi concebido para melhor aproveitar o limitado espectro de rádio freqüências, permitindo, ao mesmo tempo, grandes áreas de cobertura.
O conceito de telefonia celular basicamente consiste da substituição do transmissor único de elevada potência − equivalente a uma grande célula − por muitos transmissores de baixa potência − equivalentes a pequenas células − cada um deles permitindo a cobertura de uma pequena porção da área de cobertura que se deseja atender.
A cada estação base é alocada uma porção do número total de canais disponíveis ao sistema inteiro. A estações-base vizinhas são atribuídos diferentes grupos de canais, para que a interferência entre as estações-base (e os usuários móveis a ela associados) seja minimizada. Desta forma, os canais disponíveis são distribuídos através da região geográfica e podem ser
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reusados tantas vezes quanto necessário, desde que a interferência entre canais seja mantida em níveis aceitáveis.
À medida que a demanda por serviços aumenta (ou seja, mais canais se tornam necessários dentro de um particular mercado), o número de estações-base pode ser aumentado, juntamente com um correspondente decréscimo na potência dos transmissores, para que se evite interferência.
O conceito de telefonia celular permite ainda que os aparelhos celulares dos usuários possam ser fabricados com o mesmo conjunto de canais, de tal forma que possam ser usados em qualquer região (país ou continente).
3.1 Conceito de Reuso de Freqüências
A cada estação base celular é alocado um grupo de canais de rádio para serem usados dentro de uma pequena região geográfica chamada célula.
A estações-base em células adjacentes são atribuídos grupos de canais que contêm canais completamente diferentes daqueles de células vizinhas.
As antenas das estações-base são projetadas para permitir a cobertura desejada dentro de uma particular célula.
Limitando o limite de cobertura à área abrangida pela célula, o mesmo número de canais pode ser usado para cobrir diferentes células que são separadas umas das outras por distâncias grandes o suficiente para manter níveis toleráveis de interferência.
O processo de selecionar e alocar grupos de canais para as estações-base celulares dentro de um sistema é chamado reuso de freqüências ou planejamento de freqüências.
A Figura 3.1 ilustra o conceito de reuso de freqüências em telefonia celular, onde células marcadas com a mesma letra usam o mesmo grupo de canais. O plano de reuso de freqüências é sobreposto a um mapa para indicar onde canais de freqüências diferentes serão usados.
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Padrão Triangular Padrão Quadrado Padrão Hexagonal Figura 3.2: Possíveis padrões regulares para geometria de células.
A Figura 3.3 apresenta os sistemas de coordenadas convenientes para a análise das três possíveis geometrias mostradas na Figura 3.2.
Figura 3.3: Sistemas de coordenadas dos padrões regulares.
As áreas do triângulo equilátero, do quadrado e do hexágono são dadas, respectivamente, nas Equações (3.1), (3.2) e (3.3). Em todas as Equações, R é o raio das células, de mesmo tamanho nas três geometrias, conforme indicado na Figura 3.3.
3 2 1.^32
A =^3 3 R ≅ R^ (3.1)
A 4 = R^2 (3.2)
6 2 2.^62
A =^3 3 R ≅ R^ (3.3)
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Da observação das Equações (3.1), (3.2) e (3.3) conclui-se que, para um dado raio de célula, o hexágono é a figura geométrica que tem a maior área entre as três geometrias propostas.
Assim, a escolha do hexágono como modelo se deve ao fato de que uma célula precisa ser projetada para servir aos mais fracos usuários móveis dentro de uma footprint , e estes estão localizados tipicamente na borda de uma célula. De acordo com as Equações (3.1), (3.2) e (3.3), para uma dada distância entre o centro de um polígono e os pontos mais afastados de seu perímetro, o hexágono é a forma que possui a maior área, comparativamente às demais formas que poderiam ser adequadamente justapostas (quadrado e triângulo equilátero).
O uso da geometria hexagonal permite o uso do menor número possível de células para cobrir uma determinada região geográfica em que se deseja prestar o serviço móvel. Além disso, o hexágono aproxima de forma mais adequada o padrão de irradiação circular que ocorreria para uma antena omnidirecional de uma estação rádio base em condição de propagação em espaço livre.
É importante salientar que o modelo hexagonal aproxima a área de cobertura de uma estação rádio-base. A planta de cobertura real (a footprint ) é, no entanto, determinada pelo real contorno da área de serviço dentro da qual um dado transmissor pode atender de forma satisfatória aos usuários móveis.
Ao utilizarmos hexágonos para modelar áreas de cobertura, os transmissores das estações-base podem estar colocados no centro da célula ( center-excited cells ) ou em três dos seis vértices da célula ( edge-excited cells ). Normalmente, antenas omnidirecionais são usadas em center-excited cells e antenas direcionais setorizadas são usadas em corner-excited cells. Devido a considerações de natureza prática, as estações-base não são geralmente localizadas exatamente no centro ou nos vértices do polígono hexagonal. A maior parte dos projetos de sistemas permitem que uma estação-base seja posicionada a até um quarto de raio da célula, a partir da localização ideal.
Conforme definido previamente, um cluster é um conjunto de células hexagonais vizinhas que utilizam todo o espectro de freqüências (ou canais) disponível. O conceito de reuso de freqüências é baseado na possibilidade da reutilização destas mesmas freqüências em
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Tal fato pode ser observado na Figura 3.1, em que os clusters são formados por sete células hexagonais. Nos diferentes clusters , letras iguais representam células que utilizam o mesmo grupo de freqüências. Células marcadas com letras iguais são ditas células co-canais. Na Figura 3.1, todas as células co-canais apresentam a mesma distância de reuso.
Para o caso mostrado na Figura 3.1, a expressão para determinar o número de células por cluster pode ser derivada a partir da Figura 3.4.
Figura 3.4: Representação de célula e cluster para determinação de N.
De acordo com a Figura 3.4, seja A 6 a área de uma célula hexagonal e AC a área de um cluster. A área da célula é dada na Equação (3.4), por
6
A =^ R
Como a distância entre os centros de clusters vizinhos é igual à distância de reuso co-canal D, se dividirmos o hexágono que representa um cluster em seis triângulos equiláteros, a altura de cada triângulo será D 2 , conforme Figura 3.4. Assim,
D = b
, onde
b 32 é a expressão para a altura de um triângulo equilátero. A partir da Equação (3.8),
pode-se escrever que
b = D^3
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A área do cluster AC será dada, então, por
2 2
A b D D
C =^ = =.
Desta forma, o número de células que cabem dentro de um cluster é dado por 2 2
2 2
2
R
D
R
D
R
D
A
N AC
Sabemos (da Figura 3.3) que, para a geometria hexagonal, 3 R é a distância unitária. Assim, reescrevendo (3.11) em função da distância unitária, teremos:
(^22)
3 distânciaunitária
= D
R
N D
Na Equação (3.12) ( D distânciaunitária) representa o quociente entre a distância
entre as coordenadas dos centros de dois clusters adjacentes e a distância entre as coordenadas dos centros de duas células adjacentes, equivalendo ao número de células (nº de distâncias celulares) que podem ser contadas no caminho entre os centros de dois clusters adjacentes.
Das Equações (3.6) e (3.7) temos que, para a geometria hexagonal, a distância d
(d = i^2 + ij + j^2 )entre os centros de duas células quaisquer é expressa em função da
distância entre as coordenadas u e v dos centros das células, respectivamente, i e j. A distância d é equivalente ao número de células (nº de distâncias celulares) que podem ser contadas no caminho entre os centros de duas células quaisquer.
Assim, substituindo a Equação (3.6) (d^ =^ i^^2 + ij + j^2 )na Equação (3.12), teremos
a expressão para determinar o número de células por cluster , para o caso mostrado na Figura 3.1:
2 2 2 N = i + ij + j = i + ij + j.
Diferentes geometrias de clusters possibilitam distâncias co-canal isotrópicas. Assim, de acordo com a Equação (3.13), como i e j são inteiros, pela combinação de seus valores
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Um tamanho de cluster maior indica que a razão entre o raio da célula e a distância entre células co-canais é pequena, assim como um pequeno tamanho de cluster indica que as células co-canais são localizada mais próximas. O valor de N é uma função de quanta interferência uma estação móvel ou base pode tolerar, mantendo uma qualidade adequada de comunicação. O fator de reuso de freqüência de um sistema celular é dado por 1 N , pois a
cada célula dentro de um cluster é atribuído somente 1 N dos canais totais disponíveis no
sistema. Em termos de projeto, é desejável o menor valor possível de N para maximizar a capacidade do sistema sobre uma dada área de cobertura (menor N , maior fator de reuso).
O fator de reuso co-canal Q é definido pela relação D R. A Figura 3.5 ilustra este
conceito.
Figura 3.5: Fator de reuso co-canal. Para a obtenção da Tabela mostrada na Figura 3.5, considera-se Q = D R. De acordo
com a Equação (3.11)
2
2
3 R
N D
, assim,
N
R
R N
R
Q = D =^3 2 = 3 (3.16)
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Através de variações no valor de N obtém-se os valores de Q correspondentes, ilustrados como exemplos, na Tabela da Figura 3.5.
De acordo com a Figura 3.5, uma região coberta por clusters de uma única célula apresentará muito mais problemas com relação à interferência co-canal do que uma região coberta por clusters de, por exemplo, 12 células. Desta forma, o valor escolhido para N e, por conseqüência para Q , além de ser função da capacidade desejada, precisa ser também função de quanta interferência co-canal o sistema pode suportar, mantendo uma qualidade aceitável de comunicação.
Estabelece-se, desta forma, um compromisso entre capacidade e interferência co-canal.
Algoritmo para determinar os vizinhos co-canais mais próximos de uma particular célula:
Devido ao fato de que a geometria hexagonal mostrada na Figura 3.1 apresenta exatamente seis vizinhos eqüidistantes e que as linhas que unem os centros de qualquer célula e cada um de seus vizinhos são separadas por múltiplos de 60 graus, há apenas certos tamanhos de cluster e desenhos de células que são possíveis. Para que seja possível uma conexão sem interrupções entre células adjacentes, a geometria do hexágono é tal que o número de células por cluster , N , pode apenas assumir valores que satisfaçam à Equação (3.13), ou seja,
N = i^2 + ij + j^2 onde i e j são inteiros não-negativos.
Para determinar os vizinhos co-canais mais próximos de uma particular célula, adota- se o seguinte algoritmo (ilustrado na Figura 3.6 para i = 3 e j = 2 , resultando em N = 19 ):
(1) mover i células ao longo de qualquer cadeia de hexágonos,
(2) virar 60 graus no sentido contrário ao sentido dos ponteiros do relógio e mover j células.
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Solução:
- ••• Largura de banda total: 33 MHz
- ••• Largura de banda do canal: 25 kHz × 2 canais simplex = 50 kHz/canal duplex
- ••• Número total de canais disponíveis: 33000/50 = 660 canais
(a) Para (^) N = 4 , o nº total de canais disponíveis por célula será = 660/4=165 canais.
(b) Para N = 7 , o nº total de canais disponíveis por célula será = 660/7=95 canais.
(c) Para N = 12 , o nº total de canais disponíveis por célula será = 660/12=55 canais.
Um espectro de 1 MHz para canais de controle implica que haja 1000/50=20 canais de controle. Para distribuir igualmente os canais de voz e controle, aloque o mesmo número de canais de voz em cada célula sempre que possível. No presente exemplo, os 660 canais devem ser igualmente distribuídos para cada célula dentro do cluster. Na prática, apenas 640 canais de voz poderão ser alocados, já que os canais de controle são alocados separadamente, 1 por célula.
(a) Para (^) N = 4 , pode-se alocar 5 canais de controle e 160 canais de voz por célula. Na prática, entretanto, cada célula somente necessita de um único canal de controle. Então, um canal de controle e 160 canais de voz podem ser atribuídos a cada célula.
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(b) Para (^) N = 7 , pode-se alocar 4 células com 3 canais de controle e 92 canais de voz, 2 células com 3 canais de controle e 90 canais de voz por célula e 1 célula com 2 canais de controle e 92 canais de voz. Na prática, entretanto, cada célula poderá ter um único canal de controle, 4 células poderão ter 91 canais de voz e 3 células poderão ter 92 canais de voz.
(c) Para N = 12 , poderemos ter 8 células com 2 canais de controle e 53 canais de voz, e 4 células com 1 canal de controle e 54 canais de voz cada. Em um sistema real, cada célula poderá ter um canal de controle, oito células poderão ter 53 canais de voz e 4 células poderão ter 54 canais de voz.
3.2 Estratégias para Atribuição de Canais
Para uma eficiente utilização do espectro de rádio é necessário adotar um esquema para o reuso de freqüências que seja consistente com os objetivos de aumentar a capacidade do sistema e minimizar a interferência. Foram desenvolvidas muitas estratégias para atribuição de canais visando atingir estes objetivos.
As estratégias para atribuição de canais podem ser classificadas como fixas ou dinâmicas. A escolha da estratégia para atribuição de canais tem impacto no desempenho do sistema, particularmente na forma com a qual as chamadas são gerenciadas quando um usuário móvel é "passado" de uma célula a outra.
Em uma estratégia para atribuição de canais fixa, é alocado a cada célula um pré- determinado conjunto de canais de voz. Cada tentativa de chamada dentro da célula pode apenas ser servida pelos canais não utilizados naquela particular célula. Se todos os canais na célula estão ocupados a chamada é bloqueada e o assinante não recebe o serviço. Uma variação da estratégia fixa é a estratégia chamada borrowing strategy ( borrowing = empréstimo), na qual uma célula pode pedir canais emprestados de uma célula vizinha se todos os seus canais já estiverem ocupados. O Centro de Comutação e Controle supervisiona
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devem especificar um nível ótimo de sinal para o qual a operação de handoff seja iniciada. Uma vez que um particular nível de sinal é especificado como o mínimo sinal utilizável para qualidade de voz aceitável no receptor da estação base, um nível de sinal levemente mais intenso é usado como threshold , ao qual a operação de handoff é feita. Esta margem, dada por
∆ = Pr handoff − Prmínima utilizável , não pode ser muito grande ou pequena. Se ∆ é muito grande,
poderão ocorrer operações de handoff desnecessárias, que irão sobrecarregar o CCC. Se ∆ é muito pequeno, poderá não haver tempo suficiente para completar uma operação de handoff antes que uma chamada seja perdida devido a fracas condições de sinal. Portanto, ∆ deverá ser cuidadosamente escolhido, visando atender a estes requerimentos conflitantes.
A Figura 3.7 ilustra uma situação de handoff. A Figura 3.7(a) demonstra o caso onde uma operação de handoff não é feita e o sinal cai abaixo do nível mínimo aceitável para manter o canal ativo.
Figura 3.7: Ilustração de uma operação de handoff.
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Este evento de interrupção de chamada pode ocorrer quando há um atraso excessivo por parte do CCC em atribuir uma operação de handoff ou quando o limiar ∆ é assumido muito pequeno para o tempo de handoff no sistema. Atrasos excessivos podem ocorrer durante condições de alto tráfego devido à carga computacional no CCC ou devido ao fato de que não hajam canais disponíveis em qualquer uma das estações rádio-base vizinhas (forçando o CCC a esperar até que um canal em uma célula próxima se torne livre).
Ao decidir quando proceder à operação de handoff é importante garantir que a queda no nível do sinal medido não é devida a desvanecimento momentâneo (o desvanecimento pode ocorrer mesmo para um usuário estacionário, quando há movimento na vizinhança da estação rádio-base e da estação móvel) e que a estação móvel está realmente se deslocando para fora da área da estação base de serviço. Para garantir isto, a estação base monitora o nível de sinal por um certo período de tempo antes de iniciar a operação de handoff. O tempo necessário para decidir se uma operação de handoff é necessária depende da velocidade na qual o veículo está se movendo. Se a declividade da média de curta duração do nível de sinal recebido em um determinado intervalo de tempo é acentuada, a operação de handoff precisa ser realizada rapidamente. Informações sobre a velocidade do veículo em que se encontra o aparelho celular podem ser também computadas a partir da estatística do desvanecimento de curta duração do sinal recebido na estação base.
O tempo durante o qual uma chamada pode ser mantida dentro de uma célula, sem que se realize a operação de handoff é chamado de dwell time (tempo de demora ou pausa). O dwell time de um particular usuário é governado por um número de fatores, incluindo propagação, interferência, distância entre o assinante e a estação base e outros efeitos, também variantes com o tempo.
Nos atuais sistemas de telefonia de segunda geração, as decisões de handoff são assistidas pelo equipamento móvel (MAHO- Mobile Assisted Handoff ) ou seja, cada estação móvel mede a potência recebida das estações rádio-base ao seu redor e continuamente reporta os resultados destas medidas para a estação rádio base em serviço. Um processo de handoff é iniciado quando a potência recebida da estação base de uma célula vizinha começa a exceder a potência recebida da estação base atual por um certo valor ou por um certo período de tempo. O método MAHO permite que a chamada seja “passada” entre estações-base de forma mais rápida do que nos sistemas de primeira geração analógicos, desde que as medidas
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originadas. Os canais de guarda oferecem, no entanto, eficiente utilização do espectro quando são usadas estratégias dinâmicas de atribuição de canais, as quais minimizam o número total de canais de guarda requeridos, devido à alocação eficiente, baseada na demanda.
Uma outra estratégia para diminuir a probabilidade de interromper uma chamada devido à falta de canais disponíveis é o "chaveamento de solicitações de handoff ". Nesta estratégia há um compromisso entre o decréscimo da probabilidade de interromper uma chamada em andamento e o decréscimo no tráfego total. O "chaveamento de solicitações de handoff " é possível porque há um intervalo de tempo finito desde o momento em que o sinal recebido cai abaixo do limite de handoff e o momento em que a chamada é interrompida devido ao nível de sinal insuficiente. O tamanho do atraso é determinado a partir do padrão de tráfego da área particular de serviço. Deve ser notado que o chaveamento não garante uma probabilidade zero de interrupção de chamadas, pois grandes atrasos causam a queda do nível do sinal recebido abaixo do nível mínimo requerido para manter a comunicação, o que conduz à interrupção forçada da chamada em andamento.
3.3.2 Considerações práticas de Handoff
No projeto de sistemas práticos de comunicações celulares há o problema de acomodar as operações de handoff para diferentes velocidades de diferentes estações móveis. Por uma mesma célula passam veículos rápidos (em questões de segundos) e pedestres (que podem não necessitar da operação de handoff durante a duração da chamada inteira).
Para lidar com o tráfego simultâneo de usuários se deslocando em alta e baixa velocidade, uma solução é adicionar microcélulas ao sistema. No entanto, com esta providência, o CCC pode se tornar rapidamente sobrecarregado quando usuários se deslocam em rápida velocidade dentro da região de cobertura e precisam ser "passados" de uma célula muito pequena a outra célula muito pequena.
Embora o conceito de comunicações celulares permita o aumento da capacidade pela adição de novas células, na prática é difícil para os provedores de serviços de comunicação celular encontrar e obter novos espaços físicos para localizar estações rádio-base adicionais em regiões urbanas. Muitas vezes é mais fácil instalar canais adicionais e novas estações-base nos mesmos locais de células pré-existentes do que encontrar outros locais para as novas
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instalações. Através do uso de antenas de diferentes alturas (no mesmo prédio ou torre) e diferentes níveis de potência é possível prover células grandes e células pequenas localizadas na mesma locação. Esta abordagem é chamada "umbrella cell approach" ( umbrella cell = célula guarda-chuva) e permite que sejam criadas grandes áreas de cobertura para usuários que se deslocam a altas velocidades e pequenas áreas de cobertura para usuários que se deslocam a baixas velocidades. A Figura 3.8 ilustra uma célula guarda-chuva que é co- localizada com algumas microcélulas menores. Esta abordagem permite a minimização do número de operações de handoff para o caso da existência de usuários se deslocando a altas velocidades e provê canais adicionais (microcélulas) para usuários pedestres.
Figura 3.8: Abordagem "umbrella cell".
Outro problema prático encontrado nas operações de handoff em sistemas que contam com microcélulas é conhecido como " cell dragging " ( to dragg = arrastar). Este problema resulta de usuários pedestres que provêem um sinal muito forte à estação rádio-base, em um ambiente urbano, quando há linha de visada entre o assinante e a estação base. À medida que o usuário se afasta da estação rádio-base a uma velocidade muito lenta, a intensidade média do sinal não decai rapidamente. Mesmo após o usuário haver se deslocado além do alcance designado para a célula, o sinal recebido na estação-base pode estar acima do limiar de handoff , impedindo que se efetue a operação de handoff. Este processo cria um problema de potencial interferência e de gerenciamento de tráfego, desde que o usuário, neste ínterim,
