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O Conceito Celular
- S = número total de canais
- k = número de canais por célula
- Cluster = conjunto de N células que contém todos os canais S = k.N
- Os clusters são replicados M vezes, então C = M.k.N = M.S
- C = medida da capacidade do sistema
- Se N é reduzido mantendo constante o tamanho da célula, mais clusters serão necessários para cobrir uma determinada área, implicando numa maior capacidade
- Se o cluster é grande, então, a razão entre o raio da célula e a distância entre células co-canais é grande, o que diminui a interferência co-canal.
- C é maximizada se N é pequeno.
- O fator de reuso de freqüência de um sistema celular é 1/N.
Análise Geométrica Hexagonal
D = (u 2 – u 1 )^2 + (v 2 – v 1 )^2 + 2cos(60^0 ) (u 2 – u 1 ) (v 2 – v 1 ) D = i^2 +i.j + j^2 , i = u 2 – u 1 e j = v 2 – v 1
distância unitária
Número de Células por Cluster Hexagonal
- área de uma célula de raio R ⇒
•Considere D como a distância entre os centros de duas co-células e estas co-células como o centro dos correspon- dentes clusters hexagonais, então
R ( 3 R 1 u.m.) 2
a =^332 =
2
2 o 2 D
3 cos( 30 )
D/ 2 2
A 3 3 =
- O número de células por cluster é dado por: N = A/a = D^2 ou N = i^2 + i.j + j^2
- Note que i e j devem ser inteiros. Desta forma, os clusters acomodarão apenas certos números de células, tais como 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 21, … Os padrões 7 e 12 são os mais comuns.
A Razão D/R
- Esta razão é conhecida como razão de reuso co-canal. Ela dá uma indicação da qualidade de transmissão e da capacidade de tráfego.
- Se D/R >> 1 menor é a interferência potencial co-canal
- Se D/R for pequena maior será o número de canais por célula e maior será a capacidade de tráfego.
- Podemos expressar a razão D/R como uma função do número de células por clusters:
3 N R
D
, 3 R comprimentounitário 3 R
D N D N 2 2 2
=
= ⇒ = →
- Portanto, quanto menor D/R, menor será N e maior será o número de células por canal!
Estratégias de Alocação de Canais
- Fixa - Neste caso é alocado para cada célula um número fixo de canais. Se todos os canais em uma determinada célula estão ocupados, uma chamada nova é bloqueada. Uma variação desta Estratégia é o empréstimo de canais de uma célula vizinha para uma outra cujo os canais estejam completamente ocupados.
- Dinâmica – Neste caso canais de voz não são alocados perma- nentemente às células. Para cada chamada a estação base (BS) requer um canal à MSC (Mobile Switch Center). O canal é alo- cado à BS seguindo um algoritmo que leva em conta: 1) a pro- babilidade de bloqueio futuro dentro da célula; 2) a freqüência de uso do canal candidato e 3) a distância de reuso do canal e outras funções custo. Esta estratégia requer que a MSC colete dados em tempo real sobre a ocupação do canal, distribuição de tráfego e a indicação da potência. Isto aumenta a complexidade computacional, mas aumenta a utilização do canal e decresce a probabilidade de bloqueio.
Estratégias de Handoff
- Quando um móvel move-se para uma outra célula enquanto uma conversação está em andamento, a MSC automaticamente transfere a chamada para um novo canal pertencente a uma outra BS.
- O handoff (ou handover) deve ter prioridade sobre a iniciali- zação de uma nova chamada.
- O handoff deve ser imperceptível ao usuário.
- O sistema deve especificar uma potência mínima do sinal a partir da qual o handoff é inicializado.
- Normalmente esta potência é um pouco maior daquela que determina uma qualidade de voz aceitável (entre –90dBm e -100dBm).
- Esta diferença deve ser escolhida cuidadosamente, para evitar que uma chamada seja interrompida inadequadamente ou que handoffs desnecessários sejam realizados.
Ilustração de posibilidades de handoff
•A queda de uma chamada pode ocorrer devido a um atraso excessivo para realizar o handoff, causado por tráfego intenso ou a não existência de canais disponíveis na célula vizinha. •A fim de evitar que um desvanecimento cause o procedimen- to de handoff, a BS monitora a potência do sinal durante um determinado intervalo de tempo.
- dwell time : intervalo de tempo no qual uma chamada pode ser mantida dentro de uma célula sem handoff. As estatísticas do “dwell time” são importantes no projeto prático de um al- goritmo de handoff.
- Nos sistemas de 1a^ geração um receptor localizador em cada BS mede a potência do sinal. Baseado nesta potência a MSC decide se um handoff é necessário ou não.
- Nos sistema de 2a^ geração as decisões de handoff são “mobile assisted”.
- Outro problema prático de handoff em sistemas de micro-célu las é conhecido como “cell dragging”. Isto acontece quando um usuário a pé esta em linha de visada com a BS. Quando este usuário adentra uma célula vizinha a potência do sinal não cai rapidamente. Isto pode fazer que não ocorra handoff. Este pro- blema é resolvido através de um ajuste fino no limiar do han- doff e dos parâmetros de rádio-cobertura.
- Nos sistemas 1G o tempo típico para o handoff, após o nível do sinal ser considerado estar abaixo do limiar é cerca de 10 seg.
- Nos sistemas 2G o tempo típico é de 1 a 2 seg.
- Nos sistemas 2G outras métricas podem ser utilizadas para auxiliar na decisão sobre o handoff, como p. ex., os níveis das interferências co-canal e canal adjacente.
Soft Handoff - Nesta técnica uma estação móvel está conectada a mais do que uma BS simultaneamente.
- As células vizinhas de sistemas celulares FDMA e TDMA não usam as mesma freqüências. Existe uma separação espacial entre células co-canal. Tal separação espacial não é necessária em CDMA pois o fator de reuso é unitário. Como em sistemas CDMA as freqüências das células vizinhas são as mesmas, a estação móvel pode conectar-se a duas ou mais BS, assim sua potência de transmissão pode ser controlada. Uma estação móvel entra em soft handoff quando a amplitude do sinal excede um certo limiar mas ainda está abaixo da amplitude do sinal da BS corrente.
Interferência
•As duas principais interferências são:
- A interferência co-canal e
- A interferência de canal adjacente.
- Ambas são difíceis de controlar devido aos efeitos de propagação aleatória. Estas interferências ocorrem dentro do próprio sistema celular. Na prática, os transmissores de companhias celulares concorrentes são freqüentemente uma fonte significativa de interferência, desde que em geral as companhias colocam suas BS’s próximas a fim de fornecer uma cobertura comparável aos consumidores.
Interferência co-canal e capacidade de
sistema
•Para reduzir a interferência co-canal, as células co-canal devem estar fisicamente separadas por uma distância mínima a fim de fornecer isolação suficiente devido a propagação.
- Quando o tamanho de cada célula é aproximadamente o mesmo, as as BS’s transmitem a mesma potência, a razão sinal – interferência co-canal (S/I) é independente da potência transmitida e torna-se uma função do raio (R) da célula e da distância para o centro da célula co-canal mais próxima (D). Isto é, a razão S/I depende apenas do fator de reuso co-canal
3 N R
Q =D=
- Considerando somente a 1a^ camada de células interferentes, se toda as BS’s estão eqüidistantes da estação base de referência e se a distância é igual a D entre os centros das células co-canais, a razão S/I pode ser reescrita como:
- Esta equação relaciona S/I ao tamanho do cluster N, que por outro lado determina a capacidade total do sistema.
Exemplo 2 : Considere a situação onde 6 células são responsáveis por uma interferência significativa. Para o sistema U.S. AMPS, testes subjetivos indicaram que S/I deve ser maior ou igual a 18dB para uma boa qualidade de voz. Usando a equação anterior com n = 4, temos que:
( ) ( ) o
n/ 2
0
n i
3 N i
DR I
S (^) = =
N 6.49 clustercom 7 células
log( 3 N) 10 log(i ) 18 20log(3N)- 10log(6) 2
10 n I
10 logS 0 ≅ ⇒
= − → =
- O pior caso para a interferência co-canal ocorre quando o móvel esta posicionado na borda da célula, conforme mostra a figura abaixo.
- Para este padrão de 7 células podemos expressar a razão S/I como:
- Resscrevendo esta equação utilizando o fator de reuso co- canal temos:
- Por exemplo, para N = 7 obtemos S/I = 17dB para uma solução exata de 17.8dB
4 4 4
4 2 (D R) 2 (D R) 2 D
R I
S − − −
− − + + +
=
2 (Q 1 )^4 2 (Q 1 )^42 Q^4
1 I
S = − − (^) + + − + −
Exemplo 3 – Se uma razão S/I de 15dB é necessária para satisfazer a performance do canal direto de um sistema celular, qual é o fator de reuso de freqüência e o tamanho do cluster que deverá ser utilizado para a capacidade máxima se o expoente da perda de percurso é: a) n = 4, b) n = 3? Assuma que existem 6 células co-canais na primeira camada, e todas estão a uma mesma distância do móvel.
Interferência de Canal Adjacente
- A interferência resultante de sinais que estão em freqüências adjacentes ao sinal desejado é chamada de “interferência de canal adjacente”.
- O problema torna-se sério quando um usuário dos canais adjacentes está muito próximo da BS e o usuário utilizando o canal de referência está na borda da célula. Este caso é conhecido como “efeito near-far”. A BS pode ter dificuldade em discriminar o usuário móvel desejado do usuário interferente. Esta interferência pode ser minimizada através de filtragem e alocação cuidadosa de canal.
- No sistema truncado, os dois canais são compartilhado. Pode-se mostrar que mantendo-se a mesma probabilidade de boqueio de 0.3 e o mesmo tráfego por usuário de 0.01 erl, o tráfego total oferecido pelo sistema é de A = 1.43 erl e o número de usuários que o sistema pode suportar é U = 143 usuários ⇒Este é o princípio de um sistema móvel truncado!!!!
A Grade de Serviço (GOS) é uma medida da capacidade de um usuário acessar um sistema truncado durante a hora de maior movimento (HMM) que geralmente ocorre entre as 4: e 6:00 da tarde nas quintas ou sextas-feiras.
⇒ A tabela abaixo mostra algumas definições utilizada na teoria de “trunking”.
⇒ Cada usuário gera uma intensidade de tráfego de Au = λ.H (erl) onde: H é a duração média de uma chamada e λ é o número médio de pedidos de chamada por unidade de tempo.
⇒ Para um sistema contendo U usuários e um número não especificado de canais, a “intensidade de tráfego total oferecida é A = U.Au ⇒ Em um sistema truncado, se o tráfego oferecido é igualmente distribuido entre os canais, então, a intensidade de tráfego, Ac, é Ac = U.Au/C ⇒ O sistema celular AMPS é projetado para uma GOS = 2%. Isto é, duas chamadas em cada 100 podem ser bloqueadas na HMM.
Tipos de Sistemas Truncados
a) Sem Fila – cada usuário que requer o serviço ou tem acesso imediato ou é bloqueado e fica livre para tentar novamente mais tarde. Este tipo de truncamento é chamado de “blocked calls cleared”. A fórmula para a probabilidade de bloqueio e que mede a GOS é conhecida como Fórmula de Erlang B , e é dada por
onde C é o número de canais e A é o tráfego total oferecido.
=
= = C
k 0
k
C
k!
A
C!
A GOS Prob.debloqueio
Exemplo 6: Uma certa cidade tem uma área de 1300 milhas quadradas e é coberta por um sistema celular usando um padrão de reuso de 7 células. Cada célula tem um raio de 4 milhas e a cidade é alocada com 40MHz de espectro com canais full-duplex com largura de faixa de 60kHz. Assuma uma GOS de 2% para um sistema Erlang B. Se o tráfico oferecido por usuário é 0.03 erl, calcule: a) o número de células na área de serviço; b) o número de cais por célula; c) a intensidade de tráfego de cada célula; d) o tráfego máximo; e) o número total de usuários; f) o número de móveis por canal e g) o número máximo teórico de usuários que poderiam ser servidos ao mesmo tempo pelo sistema.
Exemplo 7 – Uma célula hexagonal em um sistema de 4 células/cluster tem um raio de 1387km. O sistema dispõe de um total de 60 canais. Se a carga por usuário é de 0.029 erl, e λ = 1 chamada/hora, calcule para um sistema Erlang C com 5% de probabilidade de uma chamada ser atrasada, o seguinte: a) Quantos usuários por km^2 este sistema suportará. b) Qual é a probabilidade de uma chamada atrasada esperar mais do que 10 segundos; c) Qual a probabilidade de uma chamada ser atrasada por mais de 10 segundos.
Melhoramento da Capacidade em Sistemas
Celulares
• Quando a demanda por serviços wireless aumenta, o número
de canais alocado para uma célula pode torna-se insuficiente. Técnicas como “Cell Splitting”, Sectorização e Cobertura por Zona são usadas na prática para aumentar a capacidade do sistema celular.
CELL SPLITTING – É o processo de subdividir uma célula congestionada em células menores, cada com sua própria estação base e uma correspondente redução na altura da antena e na potência transmitida.
- A diminuição na potência recebida pode ser analisada considerando, p. ex., que o raio da célula é reduzido pela metada, então: Pr(no limite das células antigas) ∝∝ Pt1R-n Pr(no limite das células novas) ∝∝ Pt2 (R/2)-n
- Considerando que as potências recebidas são iguais e n = 4 temos que: Pt2 = Pt1/
- Em outras palavras, a potência deve ser reduzida de 12dB.
- Um exemplo de “cell splitting” é mostrado abaixo.
Exemplo 8 – Na figura abaixo assuma que cada estação base usa 60 canais, independentemente do tamanho da célula. Se cada célula original tem um raio de 1km e cada microcélula tem um raio de 0.5km, encontre o número de canais contidos em um quadrado de 3kmX3km centrado ao redor de A, (a) sem o uso de microcélulas; (b) com o uso de microcélulas conforme a figura; (c) se todas as estações bases são trocadas por microcélulas.
SETORIZAÇÃO – É a técnica que decresce a interferência co-canal aumentando a capacidade do sistema através da utilização de antenas direcionais.
- Quando a setorização é utilizada, os canais usados em uma célula particular são divididos em grupos setorizados e são usados somente dentro de um setor particular, como mostra a figura abaixo.
