Arquitecturas y Servicios de Redes sin Hilos

Arquitecturas y Servicios de Redes sin Hilos Sistemas Celulares 17/12/07 1 Modelos de propagación  Introducción  Elementos y Definiciones  Mo

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Servicios de evaluación de redes Introducción Dell tiene el agrado de proporcionar Servicios de evaluación de redes de acuerdo con esta Descripción de

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Arquitecturas y Servicios de Redes sin Hilos

Sistemas Celulares

17/12/07

1

Modelos de propagación  Introducción  Elementos y Definiciones

 Modo de operación  Gestión de la movilidad  Handoff  Roaming

 Reuso de frecuencias  Interferencias y capacidad de un sistema

UDC

Teoría Comunicación Redes Móviles

2

Introducción  Una Antena  Múltiples usuarios => Ancho de banda grande  Poco eficiente  Congestión espectral

 Gran cobertura => Alta potencia transmisión  Duración batería  Fuertes interferencias

 Estaciones base caras

UDC

Teoría Comunicación Redes Móviles

3

Introducción  Sistemas celulares  Varias estaciones base: reparto espectro  Muchos usuarios en una zona geográfica con espectro limitado  Zonas cobertura limitada  Celdas ó células  Alta capacidad

 Reutilización de frecuencias en celdas lejanas  Reduce interferencia cocanal  Handoff UDC

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4

Introducción  Componentes  Base Stations (BS)  Mobile Stations (MS)  MSC (Mobile Switching Center) ó MTSO (Mobile Telephone Switching Office)

UDC

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5

Introducción  Enlace BS MSC  Líneas fijas  Enlaces microondas

 MSC típico    

100.000 usuarios 5.000 llamadas simultáneas Funciones de gestión y tarificación Varios MSC en grandes ciudades

UDC

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6

Introducción  Definiciones  Canal de control  Señales de gestión.

 Canal de bajada (Fordward ó downlink)  BS a MS.

 Canal de subida (Reverse ó uplink)  MS a BS.

 Handoff  Mecanismo para cambiar de celda.

 Roamer  MS fuera de su MSC de origen. UDC

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7

Introducción  Comunicaciones BS -> MS  FCV (Forward Voice Channels)  FCC (Forward Control Channels)

 Comunicaciones MS -> BS  RVC (Reverse Voice Channels)  RCC (Reverse Control Channels)

UDC

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8

Modo de Operación  Inicialización MS 1. 2. 3. 4.

UDC

BSs difunden señales por FCCs. MS selecciona la BS con mayor potencia. MS queda asignada a la BS. MS monitoriza FCC para compobar potencia.

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9

Modo de Operación  MS inicia llamada 1. MS envía por RCC número destinatario 2. BS comunica número destinatario a MSC 3. MSC localiza MS destino enviando mensaje a varias BS  Paging

UDC

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10

Modo de Operación

 Llamada aceptada  MS destino reconoce su número por FCC  Responde al MSC aceptando la llamada.  La MSC establece un canal de datos entre las dos unidades

 Llamada en curso  Las MS intercambian datos por los canales de voz.  Los canales de control supervisan transferencia UDC

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11

Modo de Operación  MS recibe llamada 1. MSC envía llamada a varias BS.  Envía número por FCCs

2. 3. 4. 5.

UDC

MS identifica su número y notifica por RCC. BS recibe respuesta y notifica a MSC. MSC indica a BS frecuencia a asignar a MS. BS notifica frecuencias a MS y ordena sonar timbre.

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12

Modo de Operación  Operaciones transparentes al usuario.  Realizadas en pocos segundos.

 MSC regula potencia de transmisión de MS  MSC cambia los canales de MSs y BSs para mantener calidad => handoff  Handover (gestión handoffs)  MSC se mueve fuera del rango de BS (potencia baja).  Selección de otra BS UDC

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Gestión de la movilidad  Roaming  Permite MS usar MSC diferentes al de origen  MS están asignados por defecto a un MSC

 MS en zona nueva, se registra como roamer.  Periódicamente, MSC pregunta (FCC) por MS roamers.  MSC autoriza, determina tarifas y notifica ubicación MS a su MSC.

UDC

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14

Gestión de la movilidad  HANDOVER (Handoff)  Procedimiento mediante el cual un MS cambia su asignación de una BS a otra.  Puede ser iniciado por BS o MS

UDC

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Gestión de la movilidad  MSC transfiere las llamadas entre BS para garantizar calidad.  Carácterísticas necesarias:  Prioritarios sobre nuevas llamadas.  Realizados el menor número de veces.  Imperceptibles para usuarios.

 Handoff antes del nivel mínimo aceptable de señal  -90 dBm ~ -100 dBm

UDC

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Gestión de la movilidad  Margen Handoff  " = Pr handoff # Pr mínimo aceptable  ∆ compromiso

!

 Pequeña: riesgo de caer por debajo del mínimo aceptable.  Grande: handoffs innecesarios.

 Nivel de señal con valores medios de la potencia.  Ventanas temporales cortas.

 Priorizar handoffs  Reserva % de canales  Colas de espera  Potencias dentro de ∆ entran en cola. UDC

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Gestión de la movilidad  Estrategias handoff: Relative signal strength Relative signal strength with threshold Relative signal strength with hysteresis Relative signal strength with hysteresis and threshold  Predition techniques    

UDC

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18

Gestión de la movilidad  Estrategias handoff:

UDC

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19

Gestión de la movilidad  Asignación de canal:  Fija  Grupo fijo de canales para cada celda  Si canales de una celda ocupados => nueva llamada bloqueada •

Estrategia de préstamo desde otras celdas



El MSC coge prestado un canal.

 Dinámica  Canales no asignados a priori  BSs solicitan canales al MSC según necesidades  MSC otorgan canales según algoritmo basado en •

probabilidad futuro bloqueo, distancia de reuso, …

 MSC debe recoger en tiempo real

UDC



Distribución del tráfico



Indicación de potencias



Ocupación de canal Teoría Comunicación Redes Móviles

20

Reuso de frecuencias  BS tienen grupos de canales para una celda  Celdas adyacentes: frecuencias distintas.  Celdas distantes: repiten frecuencias.

 Diferentes geometrías de celdas  Circular: lógica pero no cubre espacios disjuntos.  Cuadrada: sencilla, pero no se acerca a la realidad  ¡Hexagonal!  En la práctica amorfas UDC

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Reuso de frecuencias  S canales disponibles en espectro  k canales por celda S=  N celdas (cluster)  Típicamente 4.7 ó 12

kN C = MS

 Un cluster se repite M veces en una zona  C: Capacidad del sistema

 Para tamaño fijo de las celdas  Decremento N => !M aumenta (mayor repetición clusters)  Aumento de la capacidad, C  Celdas co-canal más cercanas  Incremento interferencia y reducción calidad

UDC

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Reuso de frecuencias  Ejemplo  Sistema con 1.001 canales. Área de una celda es de 6 km2 y el área total del sistema 2.100 km2. ¿Capacidad para N=7 y N=4?  Solución: S = 1.001, Acelda = 6 km2 , Asistema = 2.100 km2  N=7  K = S/N = 1.001/7 = 143 canales por celda  Acluster = N x Acelda = 7 x 6 = 42 km2  M = Asistema / Acelda = 2.100/42 = 50  C = M S = 50 x 1.001 = 50.050 canales  N=4  Acluster = N x Acelda = 4 x 6 = 24 km2  M = Asistema / Acelda = 2.100/24 = 87.5 ≈ 87  C = M S = 87 x 1.001 = 87.087 canales UDC

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Reuso de frecuencias  Consideramos  D: Mínima distancia entre los centros de las celdas que usan las mismas frecuencias (co-canales).  R: Radio de una celda. D  Factor de reuso: Q = R  d: Distancia entre los centros de las celdas adyacentes.  Hexagonal: 3R !  Separación entre celdas

j

i

 i celdas adyacentes en!la dirección que une centros  j celdas adyacentes en con un ángulo de 60º (sentido reloj) UDC

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24

Reuso de frecuencias  D=

!

(

2

) (

i 3Rcos(60) + j 3R + i 3Rsen(60)

 6 celdas adyacentes  … N = i 2 + j 2 + ij

)

2

= R 3(i 2 + j 2 + ij)

Q = 3N

!

!

UDC

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Interferencias y Capacidad  Interferencias  Factor limitador de la capacidad de un sistema.  Tipos  Internas o externas a la celda de interés  Co-canal o canal adyacente  De productos de intermodulación

 El ruido no se considera interferencias  Hay que tenerlo en cuenta  Compromiso entre reducción de ruido e interferencias

UDC

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26

Interferencias y Capacidad  Interferencias co-canal  Provocadas por celdas usando las mismas frecuencias  Aumento SNR reduce el ruido pero no la interferencia co-canal  Interferencias independientes de la potencia de transmisión  Todas las celdas transmiten con la misma potencia

 Dependen de  Distancia entre celdas co-canal: D  Radio de las celdas: R  Factor de reuso: Q=D/R (en hexagonal=√(3N))  Aumento de Q => interferencia cocanal disminuye.  Disminución de Q => incrementa la capacidad del sistema (reduce N) UDC

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Interferencias y Capacidad  Signal to Interference Ratio (SIR)  S: potencia recibida de la BS señal deseada  Ii: potencia de la i-ésima BS interferente  Ni: Número de BSs interferentes

SIR =

S Ni

"I

i

i=1

 Potencia cae exponencialmente con la distancia  d0: distancia de referencia  P0: potencia recibida a una distancia d0  N:!factor de pérdida # &)n

d Pr " P0 % ( $ d0 '

UDC

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Interferencias y Capacidad  Considerando el peor caso n

SIR =

R

"n

Ni

#D

"n i

D ) ( ( R $ $ $$% SIR = = primera hilera interferente

Ni

3N

)

n

Ni

i=1

 Ejemplo: AMPS, medidas subjetivas indican SIR ≥ 18dB  i=1, j=2 => N=7 SIR=17.8dB

!

 Se coge un N inmediatamente superior: i=2, j=2 => N=12

UDC



Ganamos 0.2dB



Nos quedamos con N=7, pues sólo en el peor caso estaremos con baja calidad.

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Interferencias y Capacidad  Interferencias de canal adyacente  Producida por señales en frecuencias cercanas a la deseada  Imperfecciones en filtros, transmisores, receptores, …

 Problema grave cuando interferencia tiene más potencia  Near-far

 Soluciones  Mejora de los filtros  Frecuencias usadas en las celda separadas entre sí  Asignación de frecuencias en función de esto

 Canales de subida y bajada lo más separados posible  Control de potencia  MS transmiten con la mínima potencia posible para garantizar SIR  Todas las señales son recibidas con la misma potencia, independientemente de la distancia  Reduce interferencias y aumenta duración de las baterías UDC

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Interferencias y Capacidad  Capacidad del sistema  Idea: Conseguir más canales por unidad geográfica  Tres técnicas:  Subdivisión de celdas  Sectorización  Zonas de cobertura

UDC

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Interferencias y Capacidad  Subdivisión de celdas  Subdividir las celdas en otras más pequeñas => microceldas  Área cubierta por celda radio R  4 veces mayor (aprox.) que una de radio R/2

 Mayor número de clusters en la zona  R bajo y D bajo => Q constante  Problema: incremento de handoffs.  Móviles muy rápidos: antenas paraguas

 Pr=Pt(d/d0)-n

 Para conseguir misma potencia con celdas R y R/2: Pt1R-n = Pt2(R/2)-n => Pt1/Pt2 = 2n ≈ 3n dB  n=4 => potencia de transmisión 12 dB menos

UDC

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Interferencias y Capacidad  Ejemplo    

Celdas radio R y microceldas radio R/2 60 canales por celda Área sistema de 3 x 3 km2 Capacidad con y sin microceldas:  Sin microceldas, visualmente => 4 celdas  Con microceldas " %2 $ R ' ( número celdas = 4 ( 4 = 16 microceldas $R ' # 2&



En realidad ≈15 microceldas

!

 Capacidad con celdas => 4x60 = 240 canales  Capacidad con microceldas => 15x60 = 900 canales UDC

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Interferencias y Capacidad  Sectorización  Reducir el número de celdas por cluster  Fijamos R  Reducimos D 

Reducimos Q=D/R

 Reducción de la interferencia co-canal  Uso de antenas omnidireccionales  Definen los sectores  Las antenas (BS) transmiten y reciben en una dirección concreta. " 1 D n SIR =  N=7 ( R) $   

Sin sectorizar => 6 celdas vecinas 3 x 120º => 2 celdas vecinas 6 x 60º => 1 celda vecina

6 $ n 1 # SIR120 o = D R & SIR60 o = 2SIR120 o = 6SIR 2 $ n $ SIR o = D 60 R %

( ) ( )

 Ejemplo AMPS: 120º sectorización => SIR>18 con N=7

 Problemas  Incremento de handoffs (Softer! handoffs)  Menor eficiencia asignación canales, por reparto entre sectores UDC

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Interferencias y Capacidad

UDC

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Interferencias y Capacidad  Zonas de cobertura  Poner 3 o más antenas en vértices de la celda  

   

Handoff entre las antenas Se reducen interferencias No se incrementan los handoff Ejemplo   

UDC

Antenas de una misma BS Antenas transmitiendo con menor potencia

N=7 3 antenas Incremento de la capacidad 2.33 veces

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Figuras 

UDC

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