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
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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
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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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Introducción Componentes Base Stations (BS) Mobile Stations (MS) MSC (Mobile Switching Center) ó MTSO (Mobile Telephone Switching Office)
100.000 usuarios 5.000 llamadas simultáneas Funciones de gestión y tarificación Varios MSC en grandes ciudades
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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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Introducción Comunicaciones BS -> MS FCV (Forward Voice Channels) FCC (Forward Control Channels)
Comunicaciones MS -> BS RVC (Reverse Voice Channels) RCC (Reverse Control Channels)
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Modo de Operación Inicialización MS 1. 2. 3. 4.
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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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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
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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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Modo de Operación MS recibe llamada 1. MSC envía llamada a varias BS. Envía número por FCCs
2. 3. 4. 5.
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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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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.
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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
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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
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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
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Gestión de la movilidad Estrategias handoff:
UDC
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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
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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
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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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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
!
!
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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
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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 '
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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
Se coge un N inmediatamente superior: i=2, j=2 => N=12
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•
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
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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
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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
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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