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C a p í t u l o 4
ASPECTOS DE PROJETO DO SISTEMA
Este Capítulo tem por objetivo apresentar ao leitor alguns parâmetros importantes para o
planejamento dos sistemas de comunicação móvel celular. São levantados aspectos de
transmissão e propagação do sinal de rádio móvel, a administração do espectro, tráfego e
características de antenas.
4.1 Aspectos de Projeto do Sistema
O projeto de sistemas celulares envolve aspectos como definição do padrão de reuso, interferência co-canal, limiar da relação sinal/ruído aceitável, previsão de tráfego na Hora de Maior Movimento (HMM) por região, a distribuição geográfica dos usuários, dentre outros que podem ser analisados separadamente e depois relacionados entre si. Outros aspectos estão fora do controle do projetista e são estudados como estratégia de implementação.
O projeto de um sistema pode ser dirigido pela tecnologia. Desta forma as características do sistema são ditadas pela tecnologia e equipamentos disponíveis no mercado. Isto traz a grande vantagem de um cronograma de implementação curto. Por outro lado o usuário deve adaptar suas necessidades aos equipamentos existentes.
Em uma outra abordagem, o projeto dirigido pelas aplicações busca o entendimento das necessidades do usuário. As atenções estão voltadas para o grau de serviço (GOS) esperado, a qualidade de serviço (QoS) contratada, o tipo de informação a ser trafegada, largura de faixa disponível ao usuário, a privacidade na comunicação, as características do tráfego da informação (velocidade, duração, atraso), etc. Isto tudo pode até sair barato se o usuário estiver disposto a pagar pelo serviço.
Para fins de custo procura-se projetar um do sistema celular com a quantidade mínima de ERBs cobrindo a área definida, GOS e qualidade compatíveis com o anseio do usuário. Deve-se considerar que as áreas de maior tráfego devem ter maior atenção no projeto. Os
parâmetros como área efetivamente coberta, GOS, grau de mobilidade e qualidade do sinal recebido são conceitos relevantes quando a satisfação do usuário é o fim.
O planejamento de um sistema começa pela definição da área de serviço de serviço a ser atendida a partir da distribuição geográfica do tráfego a ser atendido. Em seguida, em ambiente computacional de simulação, localiza-se a primeira ERB. A partir de um plano de reuso, localiza-se as outras ERBs em função do tráfego oferecido por cada ERB. Todo sistemas deve ser projetado para permitir expansões tanto em área atendida como em tráfego oferecido. O ambiente computacional faz a predição de cobertura celular e detecta as possíveis condições de interferências co-canal. A partir deste resultado o projetista rearranja as ERB de modo a evitar as condições de interferência. Após nova predição a equipe de projeto começa os levantamentos em campo. Observando-se a coerência no projeto inicia-se a implantação do sistema.
Os passos descritos formam uma linha geral de projeto de sistema de comunicação móvel celular. Detalhamos a seguir alguns estudos que integram estes passos.
4.1.1 Volume de Tráfego
O objetivo de qualquer empresa é sempre o lucro. Sendo o lucro o maior possível, melhor ainda. Assim, o projetista deve iniciar seus estudos pela estimação do volume e perfil do tráfego na região de concessão para a exploração do serviço de comunicação móvel celular.
Um grupo responsável pela pesquisa de mercado deve apresentar informações precisas sobre a distribuição do tráfego na região, incluindo estudos em Hora de Maior Movimento.
Estes estudos podem ser apresentados, por exemplo, em forma de mapa geográfico, apresentando a região estudada dividida em quadrículas, cada qual contendo sua respectiva densidade de tráfego média e/ou em HMM. Sempre vale lembrar que a HMM em certa quadrícula pode não coincidir com a HMM do sistema. Para o projeto de áreas urbanas utiliza-se quadrículas em torno dos 4 km^2 área.
Figura 4.2: Definição da área de serviço do sistema.
4.1.3 Primeira ERB
Para os primeiros estudos de projeto do sistemas são utilizados plataformas computacionais tanto para análise de tráfego como para predição de cobertura celular. O primeiro para estes estudos é a localização da primeira ERB na região de maior importância, seja pelo volume de tráfego médio ou na HMM. Também deve ser levado e consideração a disponibilidade de terrenos, infra-estrutura, Lei Municipal de uso do solo, plano urbanístico da cidade, etc.
A definição do raio da célula é feito levando em consideração a disponibilidade de canais para a ERB e o ambiente de propagação do sinal de rádio móvel. Quanto maior o raio da célula, maior será o tráfego a ser atendido, maior o número de canais por ERB. Por outro lado, pa ra um dado ambiente, um maior raio é atingido através de maior potência na transmissão, o que pode onerar o sistema. Além do que, as imperfeições no terreno podem deformar a célula englobando outras regiões do sistema, portanto mais volume de tráfego.
Figura 4.3: Posicionamento da primeira ERB.
4.1.4 Padrão de Reuso
O padrão de reuso N a ser adotado deve levar em consideração a interferência, o tráfego a ser atendido por cada célula e, principalmente, a possibilidade de expansão do sistema.
Do Capítulo 2 lembramos que quanto menor o padrão de reuso N , menor será a relação D/R implicando em pior qualidade do sinal devido à interferência co-canal. Por outro lado maior será a quantidade de tráfego oferecido por célula, pois terá mais canais.
Um boa idéia é dar início a um sistemas com padrão de reuso mais elevado, com menor tráfego oferecido por célula. Quando necessário, basta alterar para um padrão de reuso menor apenas por realocar os canais nas ERBs já existentes. Teremos assim um maior número de canais por ERB.
4.1.5 Localização das ERBs
Até agora já temos definidos o padrão de reuso N e a posição da primeira ERB. Neste ponto o projetista busca atender às regiões de maior tráfego em torno da célula da primeira ERB. A localização destas novas E RB, com células de mesmo raio da primeira, em torno da
Figura 4.5: Predição de cobertura.
4.1.7 Reavaliação do Projeto
Os resultados obtidos da plataforma de predição dão uma primeira impressão no resultado do projeto. A partir destes resultados o projetista pode reavaliar tanto a posição das ERBs quanto o raio de suas células. Devem ser observados as sombras de cobertura e regiões com maior incidência de interferência co-canal.
A célula pode ser totalmente remodelada por técnicas de setorização celular com antenas direcionais. Isto ajusta os setores para que atendam a área a ser coberta. Ajustes de altura de antena e potência de transmissão também são utilizados.
Figura 4.6: Redefinição do projeto.
4.1.8 Teste em Campo
Os testes de campo são muito demorado e dispendiosos, por isto faz-se primeiro a análise computacional da cobertura. A partir desta análise são realizados muitos testes de campo em trono das regiões mais críticas e poucos em torno das outras.
Neste caso é necessário uma equipe especializada para manusear e programar equipamentos como computador, scanner de frequência, equipamento Global Position System (GPS) e analisador de espectro.
As ERBs são simuladas com o uso de transmissores em torres provisoriamente instaladas nos locais pré-definidos das ERBs. Os sinais transmitidos são capturados por rádio receptores. A equipe de teste circula em torno da região com veículos equipados com os equipamentos já citados gravando os parâmetros dos sinai recebidos e sua localização.
São estes testes que apontam o real comportamento do sistema e assim são feitos os ajustes finos nas ERBs.
- (^) Obstrução: Obstáculos como montanhas, prédios, árvores ou a própria superfície terrestre podem bloquear parcialmente o feixe causando a atenuação por obstrução.
- Reflexão: Regiões razoavelmente planas como mares, lagos e planícies podem refletir o feixe de ondas com oposição de fase em relação ao sinal direto, causando a atenuação por interferência.
- (^) Difração: Gumes como o cume de montanhas, canto prédios, ou a própria cunhada podem desviar parcialmente o feixe causando a difração do sinal.
A cobertura do sinal pode ser simulada através de modelos de predição apresentados nos Capítulo 6. Pela necessidade de conhecimento do tipo de terreno no qual o sinal vai ser transmitido, no estudo de propagação do sinal de rádio móvel, considera-se a área de serviço sob as seguintes condições:
Estruturas Artificiais Terreno Em área aberta Sobre terreno plano Em área suburbana Sobre terreno montanhoso Em área urbana Sobre água --- Através de folhagem Quadro 4.1: Condições de Propagação
A localização de uma ERB baseado na de predição de cobertura tem índices da acerto maiores que 50 % dependendo do algoritmo de predição. Os planos de urbanização, as área sob litígio, dentre outros fatores, impossibilitam o posicionamento de algumas ERBs. Neste caso deve-se escolher um novo local e realizar novos estudos de predição de cobertura.
4.3 Interferências
Sabemos que os sistemas de comunicação de rádio móvel são limitados tanto por espectro como por interferência. O estudo da qualidade da transmissão relaciona parâmetros de interferência com potência transmitida.
Dentre estas relações a mais utilizada é a relação portadora/interferência co-canal ( C/Ic ). Esta relação C/Ic varia de acordo com a padrão celular da seguinte forma.
Vamos calcular a relação C/Ic para pior o caso, ou seja, a EM está na periferia da célula recebendo um sinal interferente da co-célula mais próxima. Assim, seja C a potência
recebida na periferia de uma célula de raio R. Seja Ic a potência interferente da co-célula mais próxima. E ntão, para uma distância D entre co-células, temos a distância entre a EM e a ERB da co-célula igual a ( D – R ).
Dado que a potência recebida w decresce com a distância d na forma d-α. Então, em um ambiente com parâmetros de relevo, frequência, ganhos e alturas de antenas constantes, a
potência C recebida pela ERB original é dada por C = f ( R-α ) e a potência interferente Ic é
dada por Ic = f ( (D-R)-α ). Neste caso a relação C/Ic é dada por
C/Ic = [ R / (D- R) ]α^ = [(D/R) - 1 ]α ( 4.1 )
Mas temos da Equação (2.6) que D / R = 3 N , onde N representa o número de célula por Cluster , ou seja, o Padrão Celular. Desta foram relacionamos o Padrão de Reuso com a relação C/Ic na forma
C/Ic = [ 3 N- 1 ]α ( 4.2 )
onde α^ é o coeficiente de perda por percurso de propagação definido pelas características do canal de rádio móvel num dado ambiente.
Na verdade devemos considerar todas os sinais interferentes provenientes das co-células mais próximas como também das co-células mais distantes que ainda contribuem à degradação do sinal desejado.
4.4 Aspectos de Comutação
A Central de Controle e Comutação é o cérebro do sistema de comunicação móvel celular. É composta basicamente de uma unidade de controle e uma unidade de comutação.
A unidade de controle de uma CCC pode ser entendida como computador que controla funções especificas de uma sistema de comunicação móvel celular, tal como alocação de frequência, controle do nível de potência das EMs, procedimento de handoff , controle de tráfego, rastreamento, localização, tarifação e associação de canais são fatores de limitação do sistema. Portanto, a capacidade de processamento da unidade de controle nas CCCs deve ser maior que a de sistemas de telefonia fixa.
A unidade de comutação é similar ao das centrais telefônicas fixas, mas seu processamento é deferente. Na comutação telefônica fixa, a duração da chamada não é fator relevante ao
Várias equações tem sido sugeridas para o estudo do tráfego móvel celular. Um modelo bem aceito é conhecido como fórmula Erlang-B. Esta fórmula relaciona o GOS com o número de canais em um grupo ( N ) e o tráfego oferecido por este grupo ( A ). Aprofundaremos o estudo de tráfego no Capítulo 5 e ainda apresentaremos técnicas de expansão do sistema em termos de Tráfego Oferecido.
O objetivo de qualquer sistema é atender o maior número de assinantes possível mantendo um aceitável GOS. No caso de dimensionamento prático de um sistema deve-se observar a Acessibilidade e Graduação, o perfil do tráfego, suas propriedades estatísticas e GOS exigido.
