• Author / Uploaded
• Dvan Urbina

Citation preview

El diseño del sistema de concepto celular. Fundamentos El objetivo de diseño de los primeros sistemas de radio móviles era lograr un área de cobertura grande mediante el uso de un transmisor único de alta potencia con una antena montada en una torre alta. Si bien este enfoque logró una cobertura muy buena, también significó que era imposible reutilizar esos mismos. Frecuencias en todo el sistema, ya que cualquier intento de reutilización de frecuencia resultaría en interferencia. Por ejemplo, el sistema móvil de Bell en la ciudad de Nueva York en la década de 1970 solo podía admitir un máximo de doce llamadas simultáneas de más de mil millas cuadradas [Cal88]. Ante el hecho de que las agencias reguladoras gubernamentales no podían realizar asignaciones de espectro en proporción a la creciente demanda de servicios móviles, se volvió imperativo reestructurar el sistema de radiotelefonía para alcanzar una alta capacidad con un espectro de radio limitado, mientras que al mismo tiempo cubría áreas muy grandes.

2.1 Introducción El concepto celular fue un gran avance en la solución del problema de la congestión espectral y la capacidad del usuario. Ofrecía una capacidad muy alta en una asignación de espectro limitada sin grandes cambios tecnológicos. El concepto celular es una idea a nivel de sistema que requiere reemplazar un transmisor único de alta potencia (celda grande) con muchos transmisores de baja potencia (celdas pequeñas), cada uno de los cuales brinda cobertura a solo una pequeña parte del área de servicio. A cada estación base se le asigna una parte del número total de canales disponibles para todo el sistema, y a las estaciones base cercanas se les asignan diferentes grupos de canales para que todos los canales disponibles se asignen a un número relativamente pequeño de estaciones base vecinas. A las estaciones base vecinas se les asignan diferentes grupos de canales para que se minimice la interferencia entre las estaciones base (y los usuarios móviles bajo su control). Al espaciar de forma sistemática las estaciones base y sus grupos de canales en todo el mercado, los canales disponibles se distribuyen en toda la región geográfica y se pueden reutilizar tantas veces como sea necesario, siempre que la interferencia entre las estaciones de canales compartidos se mantenga por debajo de los niveles aceptables.

A medida que aumenta la demanda de servicio (es decir, a medida que se necesitan más canales dentro de un mercado en particular), el número de estaciones base puede aumentar (junto con la correspondiente disminución en la potencia del transmisor para

evitar la interferencia adicional), lo que brinda capacidad de radio adicional sin necesidad de Incremento en el espectro radioeléctrico. Este principio fundamental es la base de todos los sistemas de comunicación inalámbricos modernos, ya que permite que un número fijo de canales sirva a un número arbitrariamente grande de suscriptores al reutilizar los canales en toda la región de cobertura. Además, el concepto de telefonía celular permite que cada equipo de suscriptor dentro de un país o continente se fabrique con el mismo conjunto de canales, de modo que cualquier dispositivo móvil pueda usarse en cualquier lugar dentro de la región.

2.2 Reutilización de frecuencia Los sistemas de radio celulares se basan en una asignación y reutilización inteligentes de canales en una región de cobertura [0et83]. A cada estación base celular se le asigna un grupo de canales de radio para usar dentro de una pequeña área geográfica llamada célula. A las estaciones base en celdas adyacentes se les asignan grupos de canales que contienen canales completamente diferentes a las celdas vecinas. Las antenas de la estación base están diseñadas para lograr la cobertura deseada dentro de la celda en particular. Al limitar el área de cobertura dentro de los límites de una celda, se puede usar el mismo grupo de canales para cubrir diferentes celdas que están separadas entre sí por distancias lo suficientemente grandes como para mantener los niveles de interferencia dentro de límites tolerables. El proceso de diseño para seleccionar y asignar grupos de canales para todas las estaciones base celulares dentro de un sistema se denomina reutilización de frecuencia o planificación de frecuencia [Mac79].

La Figura 2.1 ilustra el concepto de reutilización de frecuencia celular, donde las celdas etiquetadas con la misma letra usan el mismo grupo de canales. El plan de reutilización de frecuencia se superpone en un mapa para indicar dónde se utilizan los diferentes canales de frecuencia. La forma de celda hexagonal que se muestra en la Figura 2.1 es conceptual y es un modelo simplista de la cobertura de radio para cada estación base, pero se ha adoptado universalmente ya que el hexágono permite un análisis fácil y manejable de un sistema celular. La cobertura de radio real de una celda se conoce como la huella y se determina a partir de mediciones de campo o modelos de predicción de propagación. Aunque la huella real es de naturaleza amorfa, se necesita una forma de celda regular para el diseño sistemático del sistema y la adaptación para el crecimiento futuro. Si bien puede parecer natural elegir un círculo para representar el área de cobertura de una estación base, los círculos adyacentes no se pueden superponer en un mapa sin dejar espacios o crear regiones superpuestas.

Figura 2.1 Ilustración del concepto de reutilización de frecuencias celulares. Las celdas con la misma letra usan el mismo conjunto de frecuencias. Un grupo de células se describe en negrita y se replica en el área de cobertura. En este ejemplo, el tamaño del grupo, N, es igual a siete, y el factor de reutilización de frecuencia es 1/7, ya que cada celda contiene una séptima parte del número total de canales disponibles.

cubre una región entera sin superposición y con área igual, hay tres posibles opciones: un cuadrado; un triángulo equilátero; y un hexágono. Una celda debe estar diseñada para servir a los móviles más débiles dentro de la huella, y estos suelen estar ubicados en el borde de la celda. Para una distancia dada entre el centro de un polígono y sus puntos de perímetro más lejanos, el hexágono tiene el área más grande de los tres. Por lo tanto, al utilizar la geometría hexagonal, el menor número de celdas puede cubrir una región geográfica, y el hexágono se aproxima mucho a un patrón de radiación circular que se produciría para una antena de estación base omnidireccional y una propagación en el espacio libre. Por supuesto, la huella celular real está determinada por el contorno en el que un transmisor determinado sirve a los móviles con éxito. Cuando se usan hexágonos para modelar áreas de cobertura, los transmisores de estación base se representan como si estuvieran en el centro de la celda (celdas excitadas por el centro) o en tres de los seis vértices de celdas (celdas excitadas por el borde). Normalmente, las antenas omnidireccionales se usan en celdas con excitación central y las antenas direccionales sectorizadas en las celdas con excitación en las esquinas. Las consideraciones prácticas por lo general no permiten que las estaciones base se coloquen exactamente como aparecen en el diseño hexagonal. La mayoría de los diseños de sistemas permiten

colocar una estación base hasta una cuarta parte del radio de la celda lejos de la ubicación ideal. Para comprender el concepto de reutilización de frecuencia, considere un sistema celular que tenga un total de canales S dúplex disponibles para su uso. Si a cada celda se le asigna un grupo de k canales (k < S), y si los canales S se dividen entre N celdas en grupos de canales únicos y separados, cada uno con el mismo número de canales, se puede expresar el número total de canales de radio disponibles como

S = KN

(2.1)

Las celdas N que usan colectivamente el conjunto completo de frecuencias disponibles se denominan clúster. Si un clúster se replica M veces dentro del sistema, el número total de canales dúplex, C, se puede usar como una medida de la capacidad y se proporciona

C = MKN = MS

(2.2)

Como se ve en la ecuación (2.2), la capacidad de un sistema celular es directamente proporcional al número de veces que un clúster se replica en un área de servicio fijo. El factor N se denomina tamaño de conglomerado y generalmente es igual a 4, 7 o 12. Si el tamaño de conglomerado N se reduce mientras el tamaño de celda se mantiene constante, se requieren más conglomerados para cubrir un área determinada y, por lo tanto, más capacidad (a Se logra mayor valor de C). Un tamaño de grupo grande indica que la proporción entre el radio de la celda y la distancia entre las celdas de co-canal es grande. A la inversa, un tamaño de grupo pequeño indica que las celdas co-canal se ubican mucho más cerca unas de otras. El valor para N es una función de cuánta interferencia puede tolerar una estación base o móvil al tiempo que se mantiene una calidad de comunicación suficiente. Desde un punto de vista de diseño, el valor más pequeño posible de N es deseable para maximizar la capacidad en un área de cobertura determinada (es decir, para maximizar C en la ecuación (2.2)). El factor de reutilización de frecuencia de un sistema celular viene dado por I / N, ya que a cada celda dentro de un grupo solo se le asigna II'N del total de canales disponibles en el sistema. Debido al hecho de que la geometría hexagonal de la Figura 2.1 tiene exactamente seis vecinos equidistantes y que las líneas que unen los centros de cualquier celda y cada una de sus vecinas están separadas por múltiplos de 60 grados, solo hay ciertos tamaños de conglomerados y diseños de celdas que son posible [Mac79]. Para formar un mosaico, para conectar sin espacios entre celdas adyacentes, la geometría de los hexágonos es tal que el número de celdas por grupo, N, solo puede tener valores que satisfagan la ecuación (2.3).

donde i y j son enteros no negativos. Para encontrar los vecinos co-canales más cercanos de una celda en particular, uno debe hacer lo siguiente: (1) mover las celdas i a lo largo de cualquier cadena de hexágonos y luego (2) girar 60 grados en sentido contrario a las agujas del reloj y mover j celdas. Esto se ilustra en la Figura 2.2 para i = 3 y j = 2 (ejemplo, N = 19).

Figura 2.2 Método de localización de células de co-canal en un sistema celular. En este ejemplo, N = 19 (es decir, i = 3,) = 2). [Adaptado de [OetS3I © IEEE).

Ejemplo 2.1 Si se asigna un total de 33 MHz de ancho de banda a un sistema de telefonía celular FDD particular que usa dos canales simplex de 25 kHz para proporcionar canales de control y de voz dúplex completos, calcule la cantidad de canales disponibles por celda si un sistema usa (a) 4- reutilización de células, (b) reutilización de 7 celdas (c) reutilización de 12 celdas. Si 1 MHz del espectro asignado se dedica a controlar canales, determine una distribución equitativa de canales de control y canales de voz en cada celda para cada uno de los tres sistemas.

Solución al Ejemplo 2.1 Dado: Ancho de banda total = 33 MHz Ancho de banda del canal = 25 kHz x 2 canales simplex = 50 kHz / canal dúplex Total de canales disponibles = 33,000 / 50 = 660 canales (a) Para N = 4, número total de canales disponibles por celda = 660/4 165 canales. (b) Para N = 7, el número total de canales disponibles por celda = 660/7 95 canales. (c) Para N = 12, el número total de canales disponibles por celda = 660/12 t 55 canales. Un espectro de 1 MHz para canales de control implica que hay 1000/50 = 20 canales de control de los 660 canales disponibles. Para distribuir uniformemente los canales de control y voz, simplemente

asigne el mismo número de canales en cada celda siempre que sea posible. Aquí, los 660 canales deben distribuirse uniformemente en cada celda dentro del clúster. En la práctica, solo se asignarían los 640 canales de voz, ya que los canales de control se asignan por separado como 1 por celda. (a) Para N = 4, podemos tener 5 canales de control y 160 canales de voz por celda. Sin embargo, en la práctica, cada celda solo necesita un único canal de control (los canales de control tienen una mayor distancia de reutilización que los canales de voz). Por lo tanto, un canal de control y 160 canales de voz serían asignados a cada celda. (b) Para N = 7, se podrían asignar 4 celdas con 3 canales de control y 92 canales de voz, 2 celdas con 3 canales de control y 90 canales de voz, y 1 celda con 2 canales de control y 92 canales de voz. Sin embargo, en la práctica, cada celda tendría un canal de control, cuatro celdas, 4 tendrían 91 canales de voz y tres celdas tendrían 92 canales de voz. (c) Para N = 12, podemos tener 8 celdas con 2 canales de control y 53 canales de voz, y 4 celdas con 1 canal de control y 54 canales de voz cada uno. En un sistema real, cada celda tendría 1 canal de control, 8 celdas tendrían 53 canales de voz y 4 celdas tendrían 54 canales de voz.

2.3 Estrategias de asignación de canales Para una utilización eficiente del espectro de radio, se requiere un esquema de reutilización de frecuencia que sea consistente con los objetivos de aumentar la capacidad y minimizar la interferencia. Se han desarrollado una variedad de estrategias de asignación de canales para lograr estos objetivos. Las estrategias de asignación de canales se pueden clasificar como fijas o dinámicas. La elección de la estrategia de asignación de canales afecta el rendimiento del sistema, particularmente en cuanto a cómo se gestionan las llamadas cuando un usuario móvil pasa de una celda a otra [Thk911, [LiC93], [Sun94J, [Rap93b]. En una estrategia de asignación de canal fijo; A cada celda se le asigna un conjunto predeterminado de canales de voz. Cualquier intento de llamada dentro de la celda solo puede ser servido por los canales no utilizados en esa celda en particular. Si todos los canales en esa celda están ocupados, la llamada se bloquea y el suscriptor no recibe el servicio. Existen varias variaciones de la estrategia de asignación fija. En un enfoque, llamado estrategia de endeudamiento, una célula puede tomar prestados canales de una célula vecina si todos sus canales ya están ocupados. El centro de conmutación móvil (MSC) supervisa dichos procedimientos de préstamo y garantiza que el préstamo de un canal no interrumpa ni interfiera con ninguna de las llamadas en curso en la célula del donante. En una estrategia de asignación dinámica de canales, los canales de voz no se asignan a diferentes celdas de forma permanente. En cambio, cada vez que se realiza una solicitud de llamada, la estación base de servicio solicita un canal del MSC. El conmutador luego asigna un canal a la celda solicitada siguiendo un algoritmo que toma en cuenta la probabilidad de bloqueo del dispositivo dentro de la celda, la frecuencia de uso del canal candidato, la distancia de reutilización del canal y otras funciones de costo.

Por consiguiente, el MSC solo asigna una frecuencia dada si esa frecuencia no está actualmente en uso en la celda o en cualquier otra celda que se encuentre dentro de la distancia restringida mínima de reutilización de la frecuencia para evitar la interferencia cocanal. La asignación dinámica de canales reduce la probabilidad de bloqueo, lo que aumenta la capacidad de enlace del sistema, ya que todos los canales disponibles en un mercado son accesibles para todas las celdas. Las estrategias de asignación dinámica de canales requieren que el MSC recopile datos en tiempo real sobre la ocupación del canal, la distribución del tráfico, las indicaciones de intensidad de la señal de radio árida (RSSI) de todos los canales de forma continua. Esto aumenta el almacenamiento y la carga computacional en el sistema, pero proporciona la ventaja de una mayor utilización del canal y una menor probabilidad de una llamada bloqueada.

Figura 2.3 Ilustración de un escenario de transferencia en el límite de la celda.

2.4 Estrategias de transferencia

Cuando un móvil se muda a una celda diferente mientras una conversación está en curso, el MSC transfiere automáticamente la llamada a un nuevo canal que pertenece a la nueva estación base. Esta operación de transferencia no solo implica una nueva estación base, sino que también requiere que las señales de voz y de control se asignen a los canales asociados con la nueva estación base. El procesamiento de transferencias es una tarea importante en cualquier sistema de radio celular. Muchas estrategias de transferencia priorizan las solicitudes de transferencia sobre las solicitudes de inicio de llamada cuando se asignan canales no utilizados en un sitio celular. Las transferencias deben realizarse con éxito y con la menor frecuencia posible, y ser imperceptibles para los usuarios. Para cumplir con estos requisitos, los diseñadores de sistemas deben especificar un nivel de señal óptimo para iniciar un traspaso. Una vez que se especifica un nivel de señal particular como la señal mínima utilizable para una calidad de voz aceptable en el receptor de la estación base (normalmente se toma entre -90 dBm y -100 dBm), se utiliza un nivel de señal ligeramente más fuerte como umbral en el que se realiza una transferencia. hecho. Este margen, dado por

no puede ser demasiado grande o demasiado pequeño. Si ∆ es demasiado grande, las transferencias innecesarias que representan la carga para el MSC, y si ∆ son demasiado pequeñas, puede que no haya tiempo suficiente para completar una transferencia antes de que se pierda una llamada debido a condiciones de señal débiles. Por lo tanto, ∆ se elige cuidadosamente para cumplir con estos requisitos conflictivos. La figura 2.3 ilustra una situación de transferencia. La Figura 2.3 (a) muestra el caso en el que no se realiza una transferencia y la señal cae por debajo del nivel mínimo aceptable para mantener el canal activo. Este evento de llamada interrumpida puede ocurrir cuando hay una demora excesiva por parte del MSC al asignar una transferencia, o cuando el umbral ∆ se establece demasiado pequeño para el tiempo de transferencia en el sistema. Los retrasos excesivos pueden ocurrir durante condiciones de tráfico alto debido a la carga computacional en el MSC o porque no hay canales disponibles en ninguna de las estaciones base cercanas (lo que obliga al MSC a esperar hasta que un canal en una celda cercana se libere). Al decidir cuándo transferir, es importante asegurarse de que la caída en el nivel de señal medido no se deba a un desvanecimiento momentáneo y que el móvil se esté alejando realmente de la estación base de servicio. Para garantizar esto, la estación base supervisa el nivel de la señal durante un cierto período de tiempo antes de que se inicie un traspaso. Esta medición promedio en curso de la intensidad de la señal debe optimizarse de modo que se eviten transferencias innecesarias, al tiempo que se garantiza / se completan las transferencias necesarias antes de que finalice una llamada debido a un nivel de señal deficiente. El tiempo necesario para decidir si es necesario un traspaso depende de la velocidad a la que se mueva el vehículo. Si la pendiente del nivel promedio de la señal recibida a corto plazo en un intervalo de tiempo dado es pronunciada, la transferencia debe

realizarse rápidamente. La información sobre la velocidad del vehículo, que puede ser útil en las decisiones de transferencia, también se puede calcular a partir de las estadísticas de la señal de desvanecimiento a corto plazo recibida en la estación base.

El tiempo durante el cual se puede mantener una llamada dentro de una celda, sin transferencia, se denomina tiempo de espera [Rap93b]. El tiempo de permanencia de un usuario en particular se rige por una serie de factores, que incluyen la propagación, la interferencia, la distancia entre el suscriptor y la estación base, y otros efectos que varían en el tiempo. El Capítulo 4 muestra que incluso cuando un usuario móvil está estacionario, el movimiento del ambiente en la vecindad de la estación base y el móvil puede producir desvanecimiento, por lo que incluso un suscriptor estacionario puede tener un tiempo de permanencia aleatorio y finito. El análisis en [Rap9SbJ indica que las estadísticas del tiempo de permanencia varían mucho, dependiendo de la velocidad del usuario y el tipo de cobertura de radio. Por ejemplo, en celdas maduras que brindan cobertura a los usuarios de autopistas de vehículos, la mayoría de los usuarios tienden a tener una velocidad y un viaje relativamente constantes a lo largo de rutas fijas y bien definidas con una buena cobertura de radio. En tales casos, el tiempo de permanencia para un usuario arbitrario es una variable aleatoria con una distribución altamente concentrada sobre el tiempo de permanencia medio. Por otro lado, para los usuarios en entornos densos y abarrotados de microcélulas, generalmente existe una gran variación del tiempo de permanencia en la media, y los tiempos de permanencia son típicamente más cortos de lo que sugeriría la geometría de la celda. Es evidente que las estadísticas de tiempo de permanencia son importantes en el diseño práctico de algoritmos de transferencia [LiC93], [Sun941, [Rap93b].

En los sistemas celulares analógicos de primera generación, las mediciones de intensidad de la señal las realizan las estaciones base y las supervisa el MSC. Cada estación base supervisa constantemente las intensidades de señal de todos sus canales de voz inversos para determinar la ubicación relativa de cada usuario móvil con respecto a la estación base torre. Además de medir el RSSI de las llamadas en curso dentro de la celda, se utiliza un receptor de repuesto en cada estación base, llamado receptor del localizador, para determinar la intensidad de la señal de los usuarios móviles que están en las celdas vecinas. El receptor del localizador está controlado por el MSC y se usa para monitorear la intensidad de la señal de los usuarios en las celdas vecinas que parecen necesitar un traspaso e informa de todos los valores RSSI al MSC. En función de la información de la fuerza de la señal del receptor del localizador de cada estación base, el MSC decide si es necesario o no un traspaso.

En los sistemas de segunda generación que utilizan tecnología digital TDMA, las decisiones de transferencia son asistidas por dispositivos móviles. En el traspaso asistido móvil (MAHO), cada estación móvil mide la potencia recibida de las estaciones base circundantes e informa continuamente los resultados de estas mediciones a la estación base de servicio. Se inicia una transferencia cuando la potencia recibida de la estación base de una celda vecina comienza a exceder la potencia recibida de la estación base actual por un cierto nivel o por un cierto período de tiempo. El método MAHO permite que la llamada se transfiera entre estaciones base a una velocidad mucho más rápida que en los sistemas analógicos de primera generación, ya que cada móvil realiza las mediciones de transferencia y el MSC ya no supervisa constantemente la intensidad de la señal. MAHO es particularmente adecuado para entornos microcelulares donde las transferencias son más frecuentes. Durante el curso de una llamada, si un móvil se mueve de un sistema celular a un sistema celular diferente controlado por un MSC diferente, es necesario un traspaso entre sistemas. Un MSC se involucra en un traspaso entre sistemas cuando una señal móvil se debilita en una celda dada y el MSC no puede encontrar otra celda dentro de su sistema a la que puede transferir la llamada en curso. Hay muchos problemas que deben abordarse al implementar un traspaso entre sistemas. Por ejemplo, una llamada local puede convertirse en una llamada de larga distancia cuando el móvil sale de su sistema doméstico y se convierte en un roamer(vagabundo) en un sistema vecino. Además, la compatibilidad entre los dos MSC debe determinarse antes de implementar un traspaso entre sistemas. El Capítulo 9 demuestra cómo se implementan las transferencias entre sistemas en la práctica.

Los diferentes sistemas tienen diferentes políticas y métodos para gestionar las solicitudes de transferencia. Algunos sistemas manejan las solicitudes de transferencia de la misma manera que manejan las llamadas de origen. En tales sistemas, la probabilidad de que una solicitud de transferencia no sea atendida por una nueva estación base es igual a la probabilidad de bloqueo de las llamadas entrantes. Sin embargo, desde el punto de vista del usuario, terminar una llamada abruptamente mientras está en medio de una conversación es más molesto que ser bloqueado ocasionalmente en un nuevo intento de llamada. Para mejorar la calidad del servicio según lo percibido por los usuarios, se han ideado varios métodos para priorizar las solicitudes de transferencia sobre las solicitudes de inicio de llamada al asignar canales de voz.

2.4.1 Dar prioridad a las transferencias Un método para dar prioridad a las transferencias se denomina concepto de canal de protección, por el cual una fracción del total de canales disponibles en una celda se reserva

exclusivamente para las solicitudes de transferencia de llamadas en curso que pueden transferirse a la celda. Este método tiene la desventaja de reducir el tráfico total transportado, ya que se asignan menos canales a las llamadas de origen. Sin embargo, los canales de protección ofrecen una utilización eficiente del espectro cuando se utilizan estrategias dinámicas de asignación de canales, que minimizan el número de canales de protección requeridos por una asignación eficiente basada en la demanda.

La puesta en cola de solicitudes de transferencia es otro método para disminuir la probabilidad de terminación forzada de una llamada debido a la falta de canales disponibles. Existe una compensación entre la disminución de la probabilidad de terminación forzada y el tráfico total transportado. La puesta en cola de las transferencias es posible debido al hecho de que hay un intervalo de tiempo finito entre el momento en que el nivel de la señal recibida cae por debajo del umbral de transferencia y el tiempo en que la llamada se termina debido a un nivel de señal insuficiente. El tiempo de demora y el tamaño de la cola se determinan a partir del patrón de tráfico del área de servicio particular. Se debe tener en cuenta que la puesta en cola no garantiza una probabilidad cero de terminación forzada, ya que los grandes retrasos causarán que el nivel de la señal recibida caiga por debajo del nivel mínimo requerido para mantener la comunicación y, por lo tanto, lleve a la terminación forzada.

2.4.2 Consideraciones prácticas de entrega En sistemas celulares prácticos, surgen varios problemas al intentar diseñar para una amplia gama de velocidades móviles. Los vehículos de alta velocidad pasan a través de la región de cobertura de una celda en cuestión de segundos, mientras que los usuarios peatonales nunca necesitan una transferencia durante una llamada. En particular, con la adición de microcélulas para proporcionar capacidad, el MSC se puede cargar rápidamente si los usuarios de alta velocidad pasan constantemente entre células muy pequeñas. Se han ideado varios esquemas para manejar el tráfico simultáneo de usuarios de alta velocidad y baja velocidad, a la vez que se minimiza la intervención de transferencia desde el MSC. Otra limitación práctica es la capacidad de obtener nuevos sitios celulares.

Si bien el concepto celular claramente proporciona capacidad adicional a través de la adición de sitios de células, en la práctica es difícil para los proveedores de servicios celulares obtener nuevas ubicaciones de sitios de células físicas en áreas urbanas. Las leyes de zonificación, las ordenanzas y otros bañistas no técnicos a menudo hacen que sea más atractivo para un proveedor de telefonía celular instalar canales y estaciones base

adicionales en la misma ubicación física de una celda existente, en lugar de buscar nuevas ubicaciones en el sitio. Al utilizar diferentes alturas de antena (a menudo en el mismo edificio o torre) y diferentes niveles de potencia, es posible proporcionar celdas "grandes" y "pequeñas" que se ubican en una sola ubicación. Esta técnica se denomina enfoque de célula sombrilla y se utiliza para proporcionar cobertura de área grande a usuarios de alta velocidad mientras que proporciona cobertura de área pequeña a usuarios que viajan a velocidades bajas. La Figura 2.4 ilustra una celda sombrilla que está ubicada junto con algunas microcélulas más pequeñas. El enfoque de celdas de paraguas asegura que el número de transferencias se minimice para usuarios de alta velocidad y proporciona canales de microcélulas adicionales para usuarios peatonales. La estación base o MSC puede estimar la velocidad de cada usuario evaluando la rapidez con la que la intensidad de la señal promedio a corto plazo en el RVC cambia con el tiempo, o se pueden usar algoritmos más sofisticados para evaluar y particionar a los usuarios [LiCS3]. Si un usuario de alta velocidad en la celda paraguas grande se acerca a la estación base y su velocidad disminuye rápidamente, la estación base puede decidir entregar al usuario a la microcélula coubicada, sin intervención del MSC.

Figura 2.4 El enfoque de la célula paraguas.

Otro problema práctico de transferencia en sistemas de microcélulas se conoce como arrastre de células. Los resultados de arrastre de celda de los usuarios peatonales proporcionan una señal muy fuerte a la estación base. Dicha situación ocurre en un entorno urbano cuando hay una ruta de radio de línea de vista (LOS) entre el suscriptor y la estación base. A medida que el usuario se aleja de la estación base a una velocidad muy lenta, la intensidad de la señal promedio no decae rápidamente. Incluso cuando el usuario ha viajado mucho más allá del rango diseñado de la celda, la señal recibida en la estación base puede estar por encima del umbral de transferencia, por lo que no se puede realizar una transferencia. Esto crea un problema potencial de interferencia y gestión de tráfico, ya que

el usuario ha viajado profundamente dentro de una celda vecina. Para resolver el problema de arrastre de celda, los umbrales de transferencia y los parámetros de cobertura de radio deben ajustarse con cuidado.

En los sistemas celulares analógicos de primera generación, el tiempo típico para realizar una transferencia, una vez que se considera que el nivel de la señal está por debajo del umbral de transferencia, es de aproximadamente 10 segundos. Esto requiere que el valor para ∆ sea del orden de 6 dB a 12 dB. En los nuevos sistemas celulares digitales, como GSM, el móvil ayuda con el procedimiento de transferencia al determinar los mejores candidatos para la transferencia, y la transferencia, una vez que se toma la decisión, generalmente requiere solo 1 o 2 segundos. En consecuencia, ∆ suele estar entre 0 dB y 6 dB en los sistemas celulares modernos. El proceso de transferencia más rápido admite un rango mucho mayor de opciones para manejar usuarios de alta velocidad y baja velocidad y le brinda al MSC un tiempo considerable para "rescatar" una llamada que necesita transferencia.

Otra característica de los sistemas celulares más nuevos es la capacidad de tomar decisiones de transferencia basadas en una amplia gama de métricas distintas a la intensidad de la señal. Los niveles de interferencia co-canal y canal adyacente se pueden medir en la estación base o en el móvil, y esta información se puede usar con datos de intensidad de señal convencionales para proporcionar un algoritmo multidimensional para determinar cuándo se necesita un traspaso.

El sistema celular de espectro múltiple con acceso múltiple por división de código IS-95 (CDMA) descrito en el Capítulo 10, proporciona una capacidad de transferencia única que no se puede proporcionar con otros sistemas inalámbricos. A diferencia de los sistemas inalámbricos canalizados que asignan diferentes canales de radio durante un traspaso (lo que se denomina un traspaso directo), los móviles de espectro expandido comparten el mismo canal en cada celda. Por lo tanto, el término transferencia no significa un cambio físico en el canal asignado, sino que una estación base diferente maneja la tarea de comunicación por radio. Al evaluar simultáneamente las señales recibidas de un solo suscriptor en varias estaciones base vecinas, el MSC puede realmente decidir qué versión de la señal del usuario es la mejor en cualquier momento. Esta técnica explota la diversidad de espacio macroscópica proporcionada por las diferentes ubicaciones físicas de las estaciones base y permite al MSC tomar una decisión "suave" en cuanto a qué versión de la señal del usuario debe pasar a la RTPC en cualquier caso EPad94]. La capacidad de seleccionar entre las señales recibidas instantáneas de una variedad de estaciones base se denomina transferencia suave.

2.5 Interferencia y capacidad del sistema La interferencia es el principal factor limitante en el rendimiento de los sistemas de radio celulares. Las fuentes de interferencia incluyen otro móvil en la misma celda, una llamada en curso en una celda vecina, otras estaciones base que operan en la misma banda de frecuencia, o cualquier sistema no celular que accidentalmente filtre energía hacia la banda de frecuencia celular. La interferencia en los canales de voz provoca interferencias, donde el suscriptor escucha interferencias en el fondo debido a una transmisión no deseada. En los canales de control, la interferencia conduce a llamadas perdidas y bloqueadas debido a errores en la señalización digital. La interferencia es más grave en las zonas urbanas, debido al mayor nivel de ruido de ondas decamétricas y la gran cantidad de estaciones base y móviles. La interferencia ha sido reconocida como un importante cuello de botella en el aumento de la capacidad y, a menudo, es responsable de las llamadas interrumpidas. Los dos tipos principales de interferencia celular generada por el sistema son la interferencia co-canal y la interferencia del canal adyacente. Aunque a menudo se generan señales de interferencia dentro del sistema celular, son difíciles de controlar en la práctica (debido a los efectos aleatorios de propagación). Aún más difícil de controlar es la interferencia debida a usuarios fuera de banda, que surge sin previo aviso debido a la sobrecarga frontal del equipo del suscriptor o productos de intermodulación intermitente. En la práctica, los transmisores de las compañías de telefonía móvil de la competencia suelen ser una fuente importante de interferencia fuera de banda, ya que los competidores suelen ubicar sus estaciones base cerca unas de otras para proporcionar una cobertura comparable a los clientes.

2.5.1 Interferencia entre canales y capacidad del sistema La reutilización de frecuencias implica que en un área de cobertura determinada hay varias celdas que usan el mismo conjunto de frecuencias. Estas celdas se llaman celdas entre canal, y la interferencia entre las señales de estas celdas se llama interferencia entre canal. A diferencia del ruido térmico que puede superarse aumentando la relación señal-tono (SNR), la interferencia entre canal no puede combatirse simplemente incrementando la potencia de la portadora de un transmisor Esto se debe a que un aumento en la potencia de transmisión de la portadora aumenta la interferencia a la entre señal vecina. células de canal. Para reducir la interferencia entre canal, las celdas entre canal deben estar físicamente separadas por una distancia mínima para proporcionar un aislamiento suficiente debido a la propagación.

Cuando el tamaño de cada celda es aproximadamente el mismo, y las estaciones base transmiten la misma potencia, la relación de interferencia entre canal es independiente de la potencia transmitida y se convierte en una función del radio de la celda (B) y la distancia entre los centros de Las celdas entre canales más cercanas (D). Al aumentar la proporción de DIR, se incrementa la separación espacial entre celdas entre canales en relación con la distancia de cobertura de una celda. De este modo, la interferencia se reduce a partir del aislamiento mejorado de la energía de HF de la celda entre canal. El parámetro Q, llamado cociente de reutilización del canal, está relacionado con el tamaño del clúster. Para una geometría hexagonal.

Un pequeño valor de Q proporciona una mayor capacidad, ya que el tamaño del grupo N es pequeño, mientras que un gran valor de Q mejora la calidad de la transmisión, debido a un menor nivel de interferencia entre canal. Se debe hacer una compensación entre estos dos objetivos en el diseño celular real.

Sea Io el número de células de interferencia entre canal. Luego, la relación señalinterferencia (S / I o SIR) para un receptor móvil que monitorea un reenvío canal se puede expresar como

donde S es la potencia de señal deseada de la estación base deseada y es la potencia de interferencia causada por la i th estación base de célula de entre canal interferente. Si se conocen los niveles de señal de las celdas de entre canal, entonces la relación S / I para el enlace directo se puede encontrar usando la ecuación (2.5).

Las mediciones de propagación en un canal de radio móvil muestran que la intensidad de señal recibida promedio en cualquier punto se descompone como ley de potencia de la distancia de separación entre un transmisor y un receptor. La potencia promedio recibida Pr a una distancia d de la antena transmisora se aproxima por

O

donde Po es la potencia recibida en un punto de referencia cercano en la región de campo lejano de la antena a una pequeña distancia d0 de la antena transmisora, y n es el exponente de pérdida de trayectoria. Ahora considere el enlace directo donde la señal deseada es la estación base de servicio y donde la interferencia se debe a las estaciones base co-canal. Si D. es la distancia del i th interferente desde el móvil, la potencia recibida en. un móvil dado debido a la i th célula interferente será proporcional a

El exponente de pérdida de trayectoria típicamente varía entre 2 y 4 en sistemas celulares urbanos [Rap92b]. Cuando la potencia de transmisión de cada estación base es igual y el exponente de pérdida de trayectoria es el mismo en toda el área de cobertura, S / I para un móvil se puede aproximar como

Considerando solo la primera capa de células interferentes, si todas las estaciones base interferentes están equidistantes de la estación base deseada y si esta distancia es igual a la distancia D entre los centros celulares, la ecuación (2.8) se simplifica a

La ecuación (2.9) relaciona S / I con el tamaño del conglomerado N, que a su vez determina la capacidad general del sistema a partir de la ecuación (2.2). Por ejemplo, suponga que las seis celdas más cercanas están lo suficientemente cerca para crear una interferencia

significativa y que todas están aproximadamente a la misma distancia de la estación base deseada. Para el sistema celular U.S. AMPS que utiliza canales de FM y 30 kHz, las pruebas subjetivas indican que se proporciona suficiente calidad de voz cuando S / I es mayor o igual a 18 dB. Usando la ecuación (2.9) se puede mostrar para cumplir con este requisito, el tamaño del grupo N debe ser de al menos 6.49, asumiendo un exponente de pérdida de trayectoria n = 4. Por lo tanto, se requiere un tamaño mínimo de grupo de 7 para cumplir con un S / I Requisito de 18 dB. Cabe señalar que la ecuación (2.9) se basa en la geometría de celda hexagonal donde todas las celdas interferentes son equidistantes del receptor de la estación base y, por lo tanto, proporciona un resultado optimista en muchos casos. Para algunos planes de reutilización de frecuencia (por ejemplo, N = 4), las células interferentes más cercanas varían ampliamente en sus distancias desde la célula deseada.

En la Figura 2.5, se puede ver para un grupo de 7 celdas, con la unidad móvil en el límite de la celda, el móvil está a una distancia D - R de las dos celdas interferentes entre canal más cercanas y aproximadamente D + R / 2, D, D - R / 2 y D + R de las otras células interferentes en el primer nivel [Lee86]. Usando la ecuación (2.9) y suponiendo que n es igual a 4, la relación señal-interferencia para el caso más desfavorable se puede aproximar mucho como (Jacobsmeyer [Jac94J) elabora una expresión exacta).

La ecuación (2.10) se puede reescribir en términos de la relación de reutilización entre canal Q, Como

Para N = 7, la relación de reutilización entre canal Q es 4.6, y el peor de los casos S / I se aproxima a 49.56 (17 dB) usando la ecuación (2.11), mientras que una solución exacta que usa la ecuación (2.8) arroja 17.8 dB [Jac94]. Por lo tanto, para un grupo de 7 celdas, la relación S / I es ligeramente menor a 18 dB en el peor de los casos. Para diseñar el sistema celular para un desempeño adecuado en el peor de los casos, sería necesario aumentar N al siguiente tamaño más grande, que según la ecuación (2.3) es 12 (correspondiente a i = j = 2). Obviamente, esto implica una disminución significativa de la capacidad, ya que la reutilización de 12 celdas ofrece una utilización del espectro de 1/12 dentro de cada celda, mientras que la reutilización de 7 celdas ofrece una utilización del espectro de 1/7. En la práctica, una reducción de capacidad de 7/12 no sería tolerable para adaptarse a la peor situación que rara vez ocurre. De la discusión anterior queda claro que la interferencia entre canal determina el rendimiento del enlace, que a su vez determina el plan de reutilización de la frecuencia y la capacidad general de los sistemas celulares.

Ejemplo 2.2

Si se requiere una relación de señal a interferencia de 15 dB para un avance satisfactorio Rendimiento del canal de un sistema celular, ¿cuál es el factor de reutilización de frecuencia? ¿y el tamaño del clúster que se debe utilizar para la capacidad máxima si la pérdida de ruta exponente es (a) n = 4, (b) n = 3? Supongamos que hay 6 entre canales de células en El primer nivel, y todos ellos están a la misma distancia del móvil. Utilizar Aproximaciones adecuadas. Solución al Ejemplo 2.2

(a) n = 4 Primero, consideremos un patrón de reutilización de 7 celdas. Usando la ecuación (2.4), la relación de reutilización entre canal del canal D/R = 4.583. Usando la ecuación (2.9), la relación de interferencia señal-ruido está dada por S / I = (I / 6) x (4.583) = 75.3 = 18. 66 dB Dado que este es mayor que el mínimo requerido de S / I, se puede usar N = 7. b) n = 3 Primero, consideremos un patrón de reutilización de 7 celdas. Usando la ecuación (2.9), la relación señal a interferencia está dada por S / I = (l, 6) x (4.583) = 16.04 = 12.05 dB Dado que este es menor que el mínimo requerido de S / I, necesitamos usar un largo N. Usando la ecuación (2.3), el siguiente valor posible de N es 12, (I = J = 2). La relación de entre canal correspondiente se da mediante la ecuación (2.4) como D/R = 6.0. Usando la ecuación (2.3), la relación señal-interferencia está dada por S / I = (1/6) x (6)^3 = 36 = 15.56 dB Como este es mayor que el mínimo requerido de S / I, se puede usar N = 12.

Figura 2.5 Ilustración del primer nivel de celdas de entre canales para un tamaño de grupo de N = 7. Cuando el móvil se encuentra en el límite de la celda (punto A), experimenta una interferencia de canal en el peor de los casos en el canal directo. Las distancias marcadas entre las celdas móviles y diferentes entre canales se basan en aproximaciones hechas para un análisis fácil.

2.5.2 Interferencia de canal adyacente

La interferencia que resulta de las señales que son adyacentes en frecuencia a la señal deseada se llama interferencia de canal adyacente. La interferencia del canal adyacente resulta de filtros de receptor imperfectos que permiten que las frecuencias cercanas se filtren en la banda de paso. El problema puede ser particularmente grave si un usuario de canal adyacente está transmitiendo en un rango muy cercano al receptor de un suscriptor, mientras que el receptor intenta recibir una estación base en el canal deseado. Esto se conoce como el efecto cercano, donde un transmisor cercano (que puede o no ser del mismo tipo que el utilizado por el sistema celular) captura el receptor del suscriptor. Alternativamente, el efecto de cerca de lejos ocurre cuando un móvil cercano a una estación base transmite en un canal cercano a uno que está siendo utilizado por un móvil débil. La estación base puede tener dificultades para distinguir al usuario móvil deseado del "sangrado" causado por el móvil de canal adyacente cercano.

La interferencia del canal adyacente se puede minimizar mediante un filtrado cuidadoso y asignaciones de canales. Como a cada celda solo se le asigna una fracción de los canales disponibles, no es necesario que se asignen canales a una celda que sean todos adyacentes en la frecuencia. Al mantener la separación de frecuencias entre cada canal en una celda dada lo más grande posible, la interferencia del canal adyacente puede reducirse considerablemente. Así, en lugar de asignar canales que forman una banda contigua de frecuencias dentro de una celda particular, los canales se asignan de tal manera que se maximiza la separación de frecuencias entre canales en una celda dada. Al asignar secuencialmente canales sucesivos en la banda de frecuencia a diferentes celdas, muchos esquemas de asignación de canales pueden separar canales adyacentes en una celda por tantos anchos de banda de canal N, donde N es el tamaño del grupo. Algunos esquemas de asignación de canales también evitan una fuente secundaria de interferencia de canal adyacente al evitar el uso de canales adyacentes en sitios de celdas vecinos.

Si el factor de reutilización de frecuencia es pequeño, la separación entre canales adyacentes puede no ser suficiente para mantener el nivel de interferencia del canal adyacente dentro de límites tolerables. Por ejemplo, si un móvil está 20 veces más cerca de la estación base que otro móvil y tiene un derrame de energía fuera de su banda de paso, la relación señal-interferencia para el móvil débil (antes del filtrado del receptor) es aproximadamente

Para un exponente de pérdida de trayectoria n = 4, esto es igual a —52 dB. Si el filtro de frecuencia intermedia (IF) del receptor de la estación base tiene una pendiente de 20 dB / octava, entonces un interferente del canal adyacente debe desplazarse al menos seis veces el ancho de banda de la banda de paso desde el centro de la banda de paso de la frecuencia del receptor para alcanzar 52 dB atenuación. Aquí, se requiere una separación de aproximadamente seis anchos de banda de canal para los filtros típicos con el fin de proporcionar SIR de 0 dB de un usuario de canal adyacente cercano. Esto implica que se necesita una separación de canales superior a seis para llevar la interferencia del canal adyacente a un nivel aceptable, o se necesitan filtros de estación base más ajustados cuando los usuarios cercanos y distantes comparten la misma celda. En la práctica, cada receptor de estación base está precedido por un filtro de cavidad Q alto para rechazar la interferencia del canal adyacente.

Ejemplo 2.3 Este ejemplo ilustra cómo los canales se dividen en subconjuntos y se asignan a diferentes celdas para minimizar la interferencia del canal adyacente. El sistema AMPS de los Estados Unidos operó inicialmente con 666 canales dúplex. En 1989, la FCC asignó un espectro adicional de 10 MHz para servicios celulares, lo que permitió agregar 166 nuevos canales al sistema AMPS. Ahora hay 832 canales utilizados en AMPS. El canal directo (870.030 MHz) junto con el canal inverso correspondiente (825.030 MHz) está numerado como canal 1. De manera similar, el canal directo 889.98 MHz junto con el canal inverso 844.98 MHz está numerado como canal 666 (consulte la Figura 1.2). La banda extendida tiene canales numerados del 667 al 799, y del 990 al 1023.

Para fomentar la competencia, la FCC otorgó licencias a los canales a dos operadores que compiten en cada área de servicio, y cada operador recibió la mitad del total de canales. Los canales utilizados por los dos operadores se distinguen como canales de bloque A y de bloque B. El Bloque B es operado por compañías que tradicionalmente han brindado servicios telefónicos (llamados operadores de línea fija), y el Bloque A es operado por compañías que tradicionalmente no han brindado servicios telefónicos (llamados operadores no cableados).

De los 416 canales utilizados por cada operador, 395 son canales de voz y los 21 restantes son canales de control. Los canales 1 a 312 (canales de voz) y los canales 313 a 333 (canales de control) son canales de bloque A, y los canales 355 a 666 (canales de voz) y los canales 334 a 354 (canales de control) son canales de bloque B. Los canales 667 a 716 y 991 a 1023 son los canales de voz de Bloque A extendidos, y los canales 717 a 799 son canales de voz de Bloque B extendidos.

Cada uno de los 395 canales de voz se divide en 21 subconjuntos, cada uno de los cuales contiene aproximadamente 19 canales. En cada subconjunto, el canal adyacente más cercano está a 21 canales de distancia. En un sistema de reutilización de 7 celdas, cada celda usa 3 subconjuntos de canales. Los 3 subconjuntos se asignan de tal manera que cada canal en la celda puede estar seguro de estar separado de cada otro canal por al menos 7 espaciados de canal. Este esquema de asignación de canales se ilustra en la Tabla 2.2. Como se ve en la Tabla 2.2, cada celda utiliza canales en los subconjuntos, IA + iB + IC, donde i es un número entero de 1 a 7. El número total de canales de voz en una celda es aproximadamente 57. Los canales que figuran en la mitad superior del cuadro pertenecen al bloque A y los de la mitad inferior pertenecen al bloque B. El conjunto sombreado de

números corresponde a los canales de control que son estándar para todos los sistemas celulares en América del Norte.

2.5.3 Control de potencia para reducir la interferencia

En la práctica de la radio celular y los sistemas de comunicación personal, los niveles de potencia transmitidos por cada unidad de abonado están bajo el control constante de las estaciones base de servicio. Esto se hace para garantizar que cada móvil transmita la potencia más pequeña necesaria para mantener un enlace de buena calidad en el canal inverso. El control de potencia no solo ayuda a prolongar la vida útil de la batería de la unidad del suscriptor, sino que también reduce drásticamente el canal inverso S / I en el sistema. Como se muestra en los Capítulos 8 y 10, el control de potencia es especialmente importante para los sistemas emergentes de espectro expandido CDMA que permiten a cada usuario en cada celda compartir la misma radio canal.

2.6 Trunking y grado de servicio Los sistemas de radio celular se basan en enlaces troncales para dar cabida a un gran número de usuarios en un espectro de radio limitado. El concepto de enlace troncal permite a un gran número de usuarios compartir el número relativamente pequeño de canales en una celda al proporcionar acceso a cada usuario, a pedido, desde un conjunto de canales disponibles. En un sistema de radio troncal, a cada usuario se le asigna un canal, llamada por llamada, y al terminar la llamada, el canal previamente ocupado se devuelve inmediatamente al conjunto de canales disponibles.

Trunking explota el comportamiento estadístico de los usuarios, de modo que un número fijo de canales o circuitos puede acomodar a una gran comunidad de usuarios aleatorios. La compañía telefónica utiliza la teoría de enlaces troncales para determinar la cantidad de circuitos telefónicos que deben asignarse a los edificios de oficinas con cientos de teléfonos, y este mismo principio se utiliza para diseñar sistemas de radio celulares. Existe una compensación entre la cantidad de circuitos telefónicos disponibles y la probabilidad de que un usuario en particular encuentre que no hay circuitos disponibles durante el horario de máxima actividad. A medida que disminuye el número de líneas telefónicas, es más probable que todos los circuitos estén ocupados para un usuario en particular. En un sistema de radio móvil troncalizado, cuando un usuario particular solicita el servicio y todos los canales de radio ya están en uso, el usuario se bloquea o se le niega el acceso al sistema. En algunos sistemas, se puede usar una cola para retener a los usuarios solicitantes hasta que un canal esté disponible.

Para diseñar sistemas de radio troncalizados que puedan manejar una capacidad específica en un "grado de servicio" específico, es esencial comprender la teoría de trunking y La teoría de colas, los fundamentos de la teoría de trunking, fue desarrollada por Erlang, un matemático danés que, a fines del siglo XIX, se embarcó en el estudio de cómo una gran cantidad de servidores podrían ser acomodados por un número limitado de servidores. {Bou88]. Hoy en día, la medida de la intensidad del tráfico lleva su nombre. Un Erlang representa la cantidad de intensidad de tráfico transportada por un canal que está completamente ocupado (es decir, 1 hora de llamada por hora o 1 minuto de llamada por minuto). Por ejemplo, un canal de radio que está ocupado durante treinta minutos durante una hora transporta 0.5 Erlangs de tráfico.

El grado de servicio (GOS) es una medida de la capacidad de un usuario para acceder a un sistema troncalizado durante la hora más ocupada. La hora pico se basa en la demanda del cliente en la hora más ocupada durante una semana, mes o año. Las horas punta para los sistemas de radio celulares generalmente ocurren durante las horas pico, entre las 4 p.m. y 6 p.m. en un jueves o viernes por la noche. El grado de servicio es un punto de referencia utilizado para definir el rendimiento deseado de un sistema troncal particular especificando la probabilidad deseada de que un usuario obtenga acceso al canal dado un número específico de canales disponibles en el sistema. Es tarea del diseñador inalámbrico estimar la capacidad máxima requerida y asignar el número adecuado de canales para cumplir con el gas. El GOS se da generalmente como la probabilidad de que una llamada esté bloqueada, o la probabilidad de que una llamada experimente un retraso mayor que un cierto tiempo de espera.

Una serie de definiciones enumeradas en la Tabla 2.3 se utilizan en la teoría de enlaces troncales para hacer estimaciones de capacidad en sistemas troncales. El tráfico. la intensidad ofrecida por cada usuario es igual a la tasa de solicitud de llamada multiplicada por el tiempo de retención. Es decir, cada usuario genera una intensidad de tráfico de Au Erlangs dada por

donde H es la duración promedio de una llamada y k es el número promedio de llamadas peticiones por unidad de tiempo. Para un sistema que contiene usuarios de U y un no especificado. número de canales, la intensidad de tráfico A ofrecida total, se da como

Tiempo de configuración: el tiempo requerido para asignar un canal de radio troncal a un usuario solicitante. Llamada bloqueada: llamada que no se puede completar al momento de la solicitud, debido a la congestión. también referido como una llamada perdida. Tiempo de espera: duración media de una llamada típica. Denotado por H (en segundos). Intensidad de tráfico: medida de la utilización del tiempo del canal, que es el canal promedio Ocupación medida en Erlangs. Esta es una cantidad adimensional y puede ser Se utiliza para medir la utilización del tiempo de canales únicos o múltiples. Denotado por A. Carga: Intensidad del tráfico en todo el sistema de radio troncal, medido en Erlangs. Grado de servicio (005): una medida de congestión que se especifica como la probabilidad de una llamada que se bloquea (para Erlang B), o la probabilidad de que una llamada se retrase más allá de un cierto tiempo (para Erlang C). Tasa de solicitud: el número promedio de solicitudes de llamada por unidad de tiempo. Denotado por A segundos-1.

Además, en un sistema troncalizado de canal C, si el tráfico se distribuye por igual entre los canales, entonces la intensidad del tráfico por canal, Ac se da como

Tenga en cuenta que el tráfico ofrecido no es necesariamente el tráfico que transporta el sistema troncalizado, sino únicamente el que se ofrece al sistema troncalizado. Cuando el tráfico ofrecido excede la capacidad máxima del sistema, el tráfico transportado se limita debido a la capacidad limitada (es decir, el número limitado de canales). El tráfico transportado máximo posible es el número total de canales, C, en Erlangs. El sistema celular AMPS está diseñado para un GOS de 2% de bloqueo. Esto implica que las asignaciones de canal para los sitios de celda están diseñadas de modo que 2 de cada 100 llamadas se bloquearán debido a la ocupación del canal durante la hora más ocupada.

Hay dos tipos de sistemas troncales que se utilizan comúnmente. El primer tipo no ofrece cola para las solicitudes de llamada. Es decir, para cada usuario que solicita el servicio, se supone que no hay tiempo de configuración y que el usuario tiene acceso inmediato a un canal si hay uno disponible. Si no hay canales disponibles, el usuario que realiza la solicitud se bloquea sin acceso y puede volver a intentarlo más tarde. Este tipo de enlace se llama llamadas bloqueadas y se asume que las llamadas llegan según lo determinado por una distribución de Poisson. Además, se supone que hay un número infinito de usuarios, así como lo siguiente: (a) hay llegadas de solicitudes sin memoria, lo que implica que todos los usuarios, incluidos los usuarios bloqueados, pueden solicitar un canal en cualquier momento; (b) la probabilidad de que un usuario ocupe un canal se distribuye de manera exponencial, de modo que es menos probable que ocurran llamadas más largas, como lo describe una distribución exponencial; y (c) hay un número finito de canales disponibles en el grupo de enlaces. Esto se conoce como una cola M/M/m, y conduce a la derivación de la fórmula de Erlang B (también conocida como la fórmula de borrado de llamadas borradas). La fuente Erlang B determina la probabilidad de que una llamada esté bloqueada y es una medida del GOS para un sistema troncal que no proporciona cola para llamadas bloqueadas. La fórmula de Erlang B se deriva en el Apéndice A y está dada por

donde C es el número de canales troncales ofrecidos por un sistema de radio troncalizado y A es el tráfico total ofrecido. Si bien es posible modelar sistemas troncales con usuarios finitos, las expresiones resultantes son mucho más complicadas que el resultado de Erlang B, y la complejidad agregada no se justifica para los sistemas troncales típicos que tienen usuarios que superan los canales disponibles por órdenes de magnitud. Además, la fórmula

de Erlang B proporciona una estimación conservadora del GOS, ya que los resultados finitos de los usuarios siempre predicen una menor probabilidad de bloqueo. La capacidad de un sistema de radio troncal donde se pierden las llamadas bloqueadas se tabula para varios valores de GOS y números de canales en la Tabla 2.4.

El segundo tipo de sistema troncal es aquel en el que se proporciona una cola para retener las llamadas que están bloqueadas. Si un canal no está disponible inmediatamente, la solicitud de llamada puede demorarse hasta que un canal esté disponible. Este tipo de enlace se llama Llamadas bloqueadas retrasadas, y su medida de GOS se define como la probabilidad de que una llamada se bloquee después de esperar un período específico de tiempo en la cola. Para encontrar el GOS, primero es necesario encontrar la posibilidad de que a una llamada se le niegue inicialmente el acceso al sistema. La probabilidad de que una llamada no tenga acceso inmediato a un canal está determinada por la fórmula de Erlang C derivada en el Apéndice A

Si no hay canales disponibles de inmediato, la llamada se retrasa y la probabilidad de que la llamada retrasada se vea obligada a esperar más de t segundos viene dada por la probabilidad de que una llamada se retrase, multiplicada por la probabilidad condicional de que la demora sea mayor que t segundos. Por lo tanto, el GOS de un sistema troncalizado donde se retrasan las llamadas bloqueadas viene dado por

El retardo promedio D para todas las llamadas en un sistema en cola viene dado por

donde el retraso promedio para aquellas llamadas que están en cola viene dado por Hi (C — A). Las fórmulas de Erlang B y Erlang C se representan gráficamente en la Figura 2.6 y la Figura 2.7. Estos gráficos son útiles para determinar el GOS de manera rápida, aunque las simulaciones por computadora a menudo se usan para determinar comportamientos transitorios experimentados por usuarios particulares en un sistema móvil.

Para usar la Figura 2.6 y la Figura 2.7, ubique el número de canales en la parte superior del gráfico. Localice la intensidad del tráfico del sistema en la parte inferior del gráfico. La probabilidad de bloqueo Pr [bloqueo] se muestra en la abscisa de la Figura 2.6, y Pr [retardo> 0] se muestra en la abscisa de la Figura 2.7. Con dos de los parámetros especificados, es fácil encontrar el tercer parámetro.

Ejemplo 2.4

¿Cuántos usuarios pueden admitir un 0,5% de probabilidad de bloqueo para el siguiente número de canales troncales en un sistema de llamadas bloqueadas que se han eliminado? (a) 1, (b) 5, (c) 10, (d) 20, (e) 100. Suponga que cada usuario genera 0.1 Erlangs de tráfico.

Solución al Ejemplo 2.4 En la Tabla 2.4 podemos encontrar la capacidad total en Erlangs para el GOS del 0,5% para diferentes números de canales. Al utilizar la relación, A = UAu, podemos obtener el número total de usuarios que se pueden admitir en el sistema.

(a) Dado C = 1, Au = 0.1, GOS = 0.005 De la figura 2.6, obtenemos A = 0005. Por lo tanto, el número total de usuarios, U = A / Au = 0.005 / 0.1 = 0.05 usuarios. Pero, en realidad, un usuario podría ser compatible en un canal. Entonces, U = 1. (b) Dado C = 5, Au = 0.1, GOS = 0.005

De la figura 2.6, obtenemos A = 1.13. Por lo tanto, número total de usuarios, U = A / Au = 1.13 / 0.1 = 11 usuarios (aproximadamente). (c) Dado C = 10, Au = 0.1, GOS = 0.005 De la figura 2.6, obtenemos A = 3.96. Por lo tanto, número total de usuarios, U = A / Au = 3.96 / 0.1 =39 usuarios (aproximadamente). (d) Dado C = 20, AU = 0.1, GOS = 0.005 De la figura 2.6, obtenemos A = 11.10. Por lo tanto, número total de usuarios, U = A / Au = 11.1 / 0.1 = 110 usuarios. (e) Dado C = 100, = 0.1, GOS = 0.005

De la figura 2.6, obtenemos A = 80.9. Por lo tanto, número total de usuarios, U = A / Au = 80.9 / 0.1 = 809 usuarios.

Ejemplo 2.5

Un área urbana tiene una población de 2 millones de habitantes. Tres redes móviles troncales competidoras (sistemas A, B y C) proporcionan servicio celular en esta área. El sistema A tiene 394 celdas con 19 canales cada una, el sistema B tiene 98 celdas con 57 canales cada una y el sistema C tiene 49 celdas, cada una con 100 canales. Encuentre la cantidad de usuarios que se pueden admitir con un bloqueo del 2% si cada usuario promedia 2 llamadas por hora con una duración promedio de 3 minutos. Suponiendo que los tres Los sistemas troncales funcionan a su máxima capacidad, calculan el porcentaje de penetración de mercado de cada proveedor de telefonía celular.

Solución al Ejemplo 2.5

Sistema a Dado: Probabilidad de bloqueo = 2% = 0.02 Número de canales por celda utilizados en el sistema, C = 19 Intensidad de tráfico por usuario, Au = ʎH = 2 x (3/60) = 0.1 Erlangs Para GOS = 0.02 y C = 19, del gráfico de Erlang B, el total llevado El tráfico, A, se obtiene como 12 Erlangs. Por lo tanto, el número de usuarios que pueden admitirse por celda es U = A / Au = 12 / 0.1 = 120. Dado que hay 394 celdas, el número total de 'suscriptores que se pueden admitir por Sistema A es igual a 120 x 394 = 47280. Sistema b Dado: Probabilidad de bloqueo = 2% = 0.02 Número de canales por celda utilizados en el sistema, C = 57 Intensidad de tráfico por usuario, Au= ʎH = Todo = 2 x (3/60) = 0.1 Erlangs Para GOS = 0.02 y C = 57, del gráfico de Erlang B, el total llevado El tráfico, A, se obtiene como 45 Erlangs. Por lo tanto, el número de usuarios que pueden admitirse por celda es U = A / Au = 45 / 0.1 = 450. Dado que hay 98 celdas, el número total de suscriptores que se pueden admitir por Sistema B es igual a 450 x 98 = 44100. Sistema c Dado: Probabilidad de bloqueo = = 0.02 Número de canales por celda utilizados en el sistema, C = 100 Intensidad de tráfico por usuario, Au= ʎH = 2 x (3/60) = 0.1 Erlangs Para GOS = 0.02 y C = 100, del gráfico de Erlang B, el total llevado El tráfico, A, se obtiene como 88 Erlangs. Por lo tanto, el número de usuarios que pueden admitirse por celda es U = A / Au = 88/0.1 = 880.

Dado que hay 49 celdas, el número total de suscriptores que se pueden admitir por Sistema C es igual a 880 x 49 = 43120 Por lo tanto, el número total de suscriptores celulares que pueden ser soportados por estos tres sistemas son 47280 + 44100 + 43120 = 134500 usuarios. Dado que hay 2 millones de residentes en el área urbana dada y el número total de suscriptores celulares en el Sistema A es igual a 47280, el porcentaje de mercado la penetración es igual a 47280/2000000 = 2.36% Del mismo modo, la penetración de mercado del Sistema B es igual a 44100/2000000 = 2,205% y la penetración de mercado del Sistema C es igual a 43120/2000000 = 2156% La penetración de mercado de los tres sistemas combinados es igual a 134500/2000000 = 6.725% Ejemplo 2.6

Una determinada ciudad tiene un área de 1,300 millas cuadradas y está cubierta por un sistema celular que utiliza un patrón de reutilización de 7 celdas. Cada celda tiene un radio de 4 millas y a la ciudad se le asignan 40 MHz de espectro con un ancho de banda de canal dúplex completo de 60 kHz. Supongamos que se especifica un GOS del 2% para un sistema Erlang B. Si el tráfico por usuario ofrecido es 0.03 Erlangs, calcule (a) el número de celdas en el área de servicio, (b) el número de canales por celda, (c) la intensidad del tráfico de cada celda, (d) el tráfico máximo transportado; (e) el número total de usuarios que pueden servirse para un 2% de GOS, (f ') el número de móviles por canal, y (g) el número máximo teórico de usuarios que el sistema podría atender al mismo tiempo.

Solución al Ejemplo 2.6 (a) dado: Área de cobertura total = 1300 millas Radio de la celda = 4 millas

Se puede mostrar que el área de una celda (hexágono) es 2.5981 R^2, por lo que cada celda cubre 2.5981 x (4) ^2 = 41.57 millas cuadradas. Por lo tanto, el número total de celdas es Nc = 1300 / 41.57 = 31 celdas. (b) El número total de canales por celda (C) = espectro asignado I (ancho de canal x factor de reutilización de frecuencia) = 40, 000,000 / (60,000 x 7) = 95 canales / celda (c) Dado: C = 95, y GOS = 0.02 De la carta de Erlang B, tenemos Intensidad de tráfico por celda A = 84 Erlangs / celda (d) Tráfico máximo transportado = número de celdas x intensidad de tráfico por celda = 31 x 84 = 2604 Erlangs. (e) Tráfico dado por usuario = 0.03 Erlangs número total de usuarios = tráfico total / tráfico por usuario = 2604 / 0.03 = 86,800 usuarios. (f) Número de móviles por canal = número de usuarios / número de canales = 86,800 / 666 = 130 móviles / canal. (g) El número máximo teórico de móviles atendidos es el número de teléfonos disponibles Canales en el sistema (todos los canales ocupados) = C x Nc = 95 x 31 = 2945 usuarios, que es el 3,4% de la base de clientes.

Ejemplo 2.7

Una celda hexagonal dentro de un sistema de 4 celdas tiene un radio de 1.387 km. Un total de 60 canales se utilizan en todo el sistema. Si la carga por usuario es 0.029 Erlangs, y ʎ = 1 llamada / hora, calcule lo siguiente para un sistema Erlang C que tenga un 5% de probabilidad de una llamada demorada: (a) ¿Cuántos usuarios por kilómetro cuadrado admitirá este sistema? (a) ¿Cuál es la probabilidad de que una llamada demorada tenga que esperar más de 10 s?

(c) ¿Cuál es la probabilidad de que una llamada se retrase por más de 10 segundos? Solución al Ejemplo 2.7

Dado, Radio celular, R = 1.387 km. El área cubierta por celda es 2.598 x (1.387) ^2 = 5 km cuadrado Número de celdas por grupo = 4 Número total de canales = 60 Por lo tanto, el número de canales por celda = 60/4 = 15 canales. (a) De la gráfica de Erlang C, con un 5% de probabilidad de retraso con C = 15, intensidad del tráfico = 9.0 Erlangs. Por lo tanto, número de usuarios = intensidad de tráfico total I tráfico por usuario = 9.0 / 0.029 = 310 usuarios = 310 usuarios / 5 km2 = 62 usuarios / km2 (b) Dado ʎ = 1, tiempo de espera H = Au / ʎ = 0.029 hora = 104.4 segundos. La probabilidad de que una llamada retrasada tenga que esperar más de 10 s es Pr [delay>t [delay]= exp (. — (C-A) t / H) = exp (- (I5-9.0) 10 / l04.4) = 56.29% (c) Dado Pr[delay> 0] = 5% = 0.05 Probabilidad de que una llamada se retrase más de 10 segundos,

La eficiencia del enlace troncal es una medida de la cantidad de usuarios a los que se puede ofrecer un GOS particular con una configuración particular de canales fijos. La forma en que se agrupan los canales puede alterar sustancialmente la cantidad de usuarios que maneja un sistema troncal. Por ejemplo, de la Tabla 2.4, 10 canales troncales en un GOS de 0.01 pueden soportar 4.46 Erlangs de tráfico, mientras que 2 grupos de 5 canales troncales pueden admitir 2 x 1.36 Erlangs, o 2.72 Erlangs de tráfico. ¡Claramente, 10 canales troncales soportan un 60% más de tráfico en un GOS específico que dos troncales de 5 canales! Debe quedar claro que la asignación de canales en un sistema de radio troncal tiene un impacto importante en la capacidad general del sistema.

2.7 Mejora de la capacidad en sistemas celulares A medida que aumenta la demanda de servicios inalámbricos, la cantidad de canales asignados a una celda eventualmente se vuelve insuficiente para admitir la cantidad requerida de usuarios. En este punto, se necesitan técnicas de diseño celular para proporcionar más canales por unidad de área de cobertura. En la práctica, se utilizan técnicas como la división celular, la segmentación y los enfoques de zona de cobertura para ampliar la capacidad de los sistemas celulares. La división celular permite un crecimiento ordenado del sistema celular. La sectorización utiliza antenas direccionales para controlar aún más la interferencia y la reutilización de frecuencia de los canales. El concepto de microcélulas de la zona distribuye la cobertura de una celda y extiende el límite de la celda a lugares difíciles de alcanzar. Si bien la división de celdas aumenta el número de estaciones base para aumentar la capacidad, las microcélulas de sectorización y de zona dependen de las ubicaciones de las antenas de las estaciones base para mejorar la capacidad al reducir la interferencia entre canal. La división de células y las técnicas de microcélulas de zona no sufren las ineficiencias de enlace experimentadas por las células sectorizadas, y permiten que la estación base supervise todas las tareas de transferencia relacionadas con las microcélulas, lo que reduce la carga computacional en el MSC. Estas tres técnicas populares de mejora de la capacidad se explicarán en detalle.

2.7.1 División de células La división de celdas es el proceso de subdividir una celda congestionada en celdas más pequeñas, cada una con su propia estación base y la correspondiente reducción de la altura de la antena y la potencia del transmisor. La división de células aumenta la capacidad de un sistema celular ya que aumenta la cantidad de veces que se reutilizan los canales. Al definir nuevas celdas que tienen un radio más pequeño que las celdas originales e instalar estas celdas más pequeñas (llamadas microcélulas) entre las celdas existentes, la capacidad aumenta debido al número adicional de canales por área de unidad. Imagínese si cada celda de la Figura 2.1 se redujera de tal manera que el radio de cada celda se redujera a la mitad. Para cubrir toda el área de servicio con celdas más pequeñas, se requerirían aproximadamente cuatro veces más celdas. Esto se puede mostrar fácilmente considerando un círculo con radio R. El área cubierta por tal círculo es cuatro veces más grande que la zona cubierta por un círculo con radio R / 2. El aumento en el número de celdas aumentaría el número de agrupaciones en la región de cobertura, lo que a su vez

aumentaría el número de canales, y por lo tanto la capacidad, en el área de cobertura. La división de celdas permite que un sistema crezca al reemplazar las celdas grandes con celdas más pequeñas, mientras que no trastorna el esquema de asignación de canales requerido para mantener la relación Q de reutilización de entre canal mínima (consulte la ecuación (2.4)) entre celdas de entre canal. Un ejemplo de división de células se muestra en la Figura 2.8. En la Figura 2.8, las estaciones base están ubicadas en las esquinas de las celdas, y se supone que el área servida por la estación base A está saturada de tráfico (es decir, el bloqueo de la estación base A excede las tasas aceptables). Por lo tanto, se necesitan nuevas estaciones base en la región para aumentar el número de canales en el área y para reducir el área servida por la estación base única. Observe en la figura que la estación base original A ha estado rodeada por seis nuevas estaciones base de microcélulas. En el ejemplo que se muestra en la Figura 2.8, las celdas más pequeñas se agregaron de tal manera que preservaron el plan de reutilización de la frecuencia del sistema. Por ejemplo, la estación base de microcélulas etiquetada G se colocó a mitad de camino entre dos estaciones más grandes que utilizan el mismo conjunto de canales G. Este es también el caso de las otras microcélulas en la figura. Como puede verse en la Figura 2.8, la división de celdas simplemente escala la geometría del grupo. En este caso, el radio de cada nueva microcélula es la mitad del de la celda original.

Figura 2.8 Ilustración de la división celular.

Para que las nuevas celdas sean de menor tamaño, se debe reducir el poder de transmisión de estas celdas. La potencia de transmisión de las nuevas celdas con un radio de la mitad de la de las celdas originales se puede encontrar al examinar la potencia recibida en los límites de las celdas nuevas y antiguas y hacer que sean iguales entre sí. Esto es necesario

para garantizar que el plan de reutilización de frecuencia para las nuevas microcélulas se comporte exactamente como para las celdas originales. Para la figura 2.8

Y

Donde Pt1 y Pt2 son las potencias de transmisión de las estaciones base de células más grandes y más pequeñas, respectivamente, y ii es el exponente de pérdida de trayectoria. Si tomamos n = 4 y establecemos las potencias recibidas iguales, entonces

En otras palabras, la potencia de transmisión debe reducirse en 12 dB para completar el área de cobertura original con microcélulas, mientras se mantiene el requisito de S / I. En la práctica, no todas las celdas se dividen al mismo tiempo. A menudo es difícil para los proveedores de servicios encontrar bienes raíces que estén perfectamente situados para la división de células. Por lo tanto, diferentes tamaños de células existirán simultáneamente. En tales situaciones, se debe tener especial cuidado para mantener la distancia entre las celdas de entre canal en el mínimo requerido y, por lo tanto, las asignaciones de canales se vuelven más complicadas [Rap97]. Además, los problemas de transferencia deben abordarse para que el tráfico de alta velocidad y baja velocidad puedan acomodarse simultáneamente (el método de la celda paraguas de la Sección 2.4 se usa comúnmente). Cuando hay dos tamaños de celda en la misma región que se muestra en la Figura 2.8, la ecuación (2.22) muestra que uno no puede simplemente usar la potencia de transmisión original para todas las nuevas celdas o la nueva potencia de transmisión para todas las celdas originales. Si se utiliza la mayor potencia de transmisión para todas las celdas, algunos canales utilizados por las celdas más pequeñas no se separarán lo suficiente de las celdas de entre canal. Por otro lado, si la potencia de transmisión más pequeña se utiliza para todas las celdas, habría partes de las celdas más grandes que queden sin servicio. Por esta razón, los canales en la celda antigua se deben dividir en dos grupos de canales, uno que corresponde a los requisitos de reutilización de celda más pequeños y el otro que corresponde a los requisitos de reutilización de celda más grande. La celda más grande

generalmente se dedica al tráfico de alta velocidad para que las transferencias ocurran con menos frecuencia. Los dos tamaños de grupos de canales dependen de la etapa del proceso de división. Al comienzo del proceso de división de celdas, habrá menos canales en los grupos de poder pequeños. Sin embargo, a medida que la demanda crece, se requerirán más canales, y por lo tanto los grupos más pequeños requerirán más canales. Este proceso de división continúa hasta que todos los canales en un área se usan en el grupo de menor potencia, en cuyo punto se completa la división de celdas dentro de la región, y se vuelve a escalar todo el sistema para tener un radio menor por celda. La reducción de la antena, que enfoca deliberadamente la energía radiada desde la estación base hacia el suelo (en lugar de hacia el horizonte), se usa a menudo para limitar la cobertura de radio de las microcélulas recién formadas.

Ejemplo 2.8 Considere la figura 2.9. Supongamos que cada estación base utiliza 60 canales, independientemente del tamaño de la celda. Si cada celda original tiene un radio de 1 km y cada microcélula tiene un radio de 0.5 km, encuentre el número de canales contenidos en un cuadrado de 3 km por 3 km centrado alrededor de A, (a) sin el uso de microcélulas, (b) cuando se usan las microcélulas con letras, como se muestra en la Figura 2.9, y (c) si todas las estaciones base originales se reemplazan por microcélulas. Suponga que las celdas en el borde del cuadrado están contenidas dentro del cuadrado. Solución al Ejemplo 2.8 (a) sin el uso de microcélulas: Un radio de celda de 1 km implica que los lados de los hexágonos más grandes también tienen 1 km de longitud. Para cubrir el cuadrado de 3 km por 3 km centrado alrededor de la estación base A, necesitamos cubrir 1,5 km (1,5 veces el radio del hexágono) hacia la derecha, izquierda, arriba y abajo de la estación base A. Esto se muestra en la Figura 2.9. De la Figura 2.9 vemos que esta área contiene 5 estaciones base. Como cada estación base tiene 60 canales, el número total de canales sin división de celdas es igual a 5 x 60 = 300 canales. (b) con el uso de las microcélulas como se muestra en la Figura 2.9: En la Figura 2.9, la estación base A está rodeada por 6 microcélulas. Por lo tanto, el número total de estaciones base en el área cuadrada en estudio es igual a 5 + 6 = 11. Como cada estación base tiene 60 canales, el número total de canales será igual a II x 60 = 660 canales. Esto es un aumento de 2,2 veces la capacidad en comparación con el caso (a). (c) Si todas las estaciones base son reemplazadas por microcélulas:

En la Figura 2.9, vemos que hay un total de 5 + 12 = 17 estaciones base en la región cuadrada en estudio. Como cada estación base tiene 60 canales, el número total de canales será igual a 17 x 60 = 1020 canales. Esto es un aumento de la capacidad de 3,4 veces en comparación con el caso (a). Teóricamente, si todas las células fueran microcélulas que tienen la mitad del radio de la célula original, el aumento de capacidad se acercaría a 4.

2.7.2 Sectorización Como se muestra en la sección 2.7.1, la división de celdas logra una mejora de la capacidad esencialmente al reajustar el tamaño del sistema. Al disminuir el radio de celda R y mantener sin cambios la relación de reutilización entre canal D / R, la división de celda aumenta el número de canales por unidad de área. Sin embargo, otra forma de aumentar la capacidad es mantener el radio de la celda sin cambios y buscar métodos para disminuir la relación D / R. En este enfoque, la mejora de la capacidad se logra reduciendo el número de celdas en un grupo y aumentando así la reutilización de la frecuencia. Sin embargo, para hacer esto, es necesario reducir la interferencia relativa sin disminuir la potencia de transmisión.

La interferencia entre canal en un sistema celular puede disminuirse reemplazando una antena omnidireccional única en la estación base por varias antenas direccionales, cada una irradiando dentro de un sector específico. Al usar antenas direccionales, una celda dada recibirá interferencia y transmitirá con solo una fracción

Figura 2.9 Ilustración de la división celular en un cuadrado de 3 km por 3 km centrado alrededor de la estación base A.

de las celdas entre canal disponibles. La técnica para disminuir la interferencia entre canal y por lo tanto aumentar la capacidad del sistema mediante el uso de antenas direccionales es llamada sectorización. El factor por el cual se reduce la interferencia entre canal depende de la cantidad de sectorización utilizada. Una celda normalmente se divide en tres sectores de 1200 o seis sectores de 60 ° como se muestra en la Figura 2.10 (a) y (b).

Cuando se emplea la sectorización, los canales utilizados en una celda particular se dividen en grupos sectorizados y se usan solo dentro de un sector particular, como se ilustra en la Figura 2.10 (a) y (b). Suponiendo que la reutilización de 7 celdas, para el caso de sectores de 120 °, el número de fuentes interferentes en el primer nivel se reduzca de 6 a 2. Esto se debe a que solo 2 de las 6 celdas de entre canales reciben interferencia con un grupo de canales sectorizado en particular. Refiriéndose a la Figura 2.11, considere la interferencia experimentada por un móvil ubicado en el sector más a la derecha en la celda central con la etiqueta '5 ". Hay 3 sectores de celdas entre canales etiquetados con" 5 "a la derecha de la celda central, y 3 a la izquierda de la celda central. De estas 6 celdas entre canal, solo 2 celdas tienen sectores con patrones de antena que se irradian hacia la celda central, y por lo tanto, un móvil en la celda central experimentará interferencia en el enlace directo solo desde estos dos sectores. El S / I resultante para este caso se puede encontrar usando la ecuación (2.8) para ser 24.2 dB, que es una mejora significativa sobre el caso omnidireccional en la Sección 2.5, donde se mostró que el peor caso S / I es 17 dB. En

sistemas prácticos, se logra una mejora adicional en S / I bajando las antenas del sector de manera que el patrón de radiación en el plano vertical (elevación) tenga una muesca en la distancia de celda de entre canal más cercana.

La mejora en S / I implica que, con 1200 sectorización, el S / I mínimo requerido de 18 dB se puede lograr fácilmente con la reutilización de 7 celdas, en comparación con la reutilización de 12 celdas para la peor situación posible en el caso no selectivo (ver la Sección 2.5.1). Por lo tanto, la sectorización reduce la interferencia, lo que equivale a un aumento de la capacidad en un factor de 12/7. o 1.714. En la práctica, la reducción de la interferencia ofrecida por la segmentación permite a los planificadores reducir el tamaño del grupo N, y proporciona un grado adicional de libertad en la asignación de canales. La penalización por S / I no probada y la mejora de la capacidad resultante es un mayor número de antenas en cada estación base y una disminución en la eficiencia del enlace debido a la segmentación de canales en la estación base. Dado que la sectorización reduce el área de cobertura de un grupo particular de canales, la cantidad de transferencias también aumenta. Afortunadamente, muchas estaciones base modernas admiten la sectorización y permiten que los móviles se transfieran de un sector a otro dentro de la misma celda sin la intervención del MSC, por lo que el problema de la transferencia no suele ser una preocupación importante. Es la pérdida de tráfico debido a la disminución de la eficiencia del enlace troncal lo que hace que algunos operadores se alejen del enfoque de sectorización, particularmente en áreas urbanas densas donde los patrones de antena direccional son algo ineficaces para controlar la propagación de radio. Debido a que la segmentación utiliza más de una antena por estación base, los canales disponibles en la celda deben subdividirse y dedicarse

Figura 2.11 Ilustración de cómo la segmentación de 120 ° reduce la interferencia de las células entre canales. De las 6 celdas de entre canal en el primer nivel, solo 2 de ellas interfieren con la celda central. Si se usaran antenas omnidireccionales en cada estación base, las 6 celdas entre canales interferirían con la celda central.

a una antena específica. Esto divide el conjunto de canales troncalizados disponibles en varias piscinas más pequeñas, y disminuye la eficiencia del enlace troncal.

Ejemplo 2.9

Considere un sistema celular en el que una llamada promedio dura 2 minutos, y la probabilidad de bloqueo no debe ser más del 1%. Supongamos que cada suscriptor hace 1 llamada por hora, en promedio. Si hay un total de 395 canales de tráfico para un sistema de reutilización de 7 celdas, habrá alrededor de 57 canales de tráfico por celda. Suponga que las llamadas bloqueadas se borran de manera que el bloqueo se describe en la distribución Erlang B. De la distribución de Erlang B, se puede encontrar que el sistema no sectorizado puede manejar 44.2 Erlangs o 1326 llamadas por hora.

Ahora empleando sectorización de 120 °, solo hay 19 canales por sector de antena (57/3 antenas). Para la misma probabilidad de bloqueo y longitud de llamada promedio, se puede

encontrar en la distribución Erlang B que cada sector puede manejar 11.2 Erlangs o 336 llamadas por hora. Dado que cada celda consta de 3 sectores, esto proporciona una capacidad de celda de 3 x 336 = 1008 llamadas por hora, lo que equivale a una disminución del 24% en comparación con el caso no seleccionado. Por lo tanto, la sectorización disminuye la eficiencia del enlace troncal al tiempo que mejora la S / I para cada usuario en el sistema.

Se puede encontrar que el uso de sectores de 60 ° mejora el S / I aún más. en este caso, el número de interferencias de primer nivel se reduce de 6 a solo 1. Esto da como resultado S / I = 29dB para un sistema de 7 celdas y permite la reutilización de 4 celdas. Por supuesto, el uso de 6 sectores por celda reduce la eficiencia del enlace e incrementa aún más el número de transferencias necesarias. Si el sistema no sectorizado se compara con el caso del sector 6, se puede demostrar que la degradación en la eficiencia del enlace es del 44%. (La prueba de esto se deja como ejercicio).

2.7.3 Un nuevo concepto de zona de micro celda El mayor número de transferencias requeridas cuando se emplea la segmentación da como resultado una mayor carga en los elementos de enlace de conmutación y control del sistema móvil. Lee [Lee9lbJ presentó una solución a este problema. Esta propuesta se basa en un concepto de microcélulas para la reutilización de 7 celdas, como se ilustra en la Figura 2.12. En este esquema, cada uno de los tres (o posiblemente más) sitios de la zona (representados como Tx / Rx en la Figura 2.12) están conectados a una única estación base y comparten el mismo equipo de radio. Las zonas están conectadas por cable coaxial, cable de fibra óptica o enlace de microondas a la estación base. Múltiples zonas y una sola estación base conforman una celda. Cuando un móvil viaja dentro de la celda, es atendido por la zona con la señal más fuerte. Este enfoque es superior al sectorizado, ya que las antenas se colocan en los bordes exteriores de la celda y la estación base puede asignar cualquier canal de estación base a cualquier zona.

Cuando un móvil viaja de una zona a otra dentro de la celda, retiene el mismo canal. Por lo tanto, a diferencia de la sectorización, no se requiere una transferencia en el MSC cuando el móvil se desplaza entre zonas dentro de la celda. La estación base simplemente cambia el canal a un sitio de zona diferente. De esta manera, un canal dado está activo solo en la zona particular en la que se desplaza el móvil, y por lo tanto la radiación de la estación base se localiza y se reduce la interferencia. Los canales se distribuyen en tiempo y espacio por

las tres zonas y también se reutilizan en celdas de canal común en la forma normal. Esta técnica es particularmente útil en carreteras o en corredores de tráfico urbano.

La ventaja de la técnica de celda de zona es que, si bien la celda mantiene un radio de cobertura particular, la interferencia entre canal en el sistema celular se reduce ya que una gran estación base central se reemplaza por varios transmisores de baja potencia (transmisores de zona) en los bordes de la célula. La disminución de la interferencia entre canal mejora la calidad de la señal y también conduce a un aumento de la capacidad, sin la degradación en la eficiencia del enlace causada por la segmentación. Como se mencionó anteriormente, generalmente se requiere un S / I de 18 dB para un rendimiento satisfactorio del sistema en FM de banda estrecha. Para un sistema con N = 7, un D / R de 4.6 fue

demostrado para lograr esto. Con respecto al sistema de microcélulas de la zona, ya que la transmisión en cualquier instante se limita a una zona en particular, esto implica que un Dz / Rz de 4.6 (donde Dz es la distancia mínima entre las zonas de entre canales activas y Rz es el radio de la zona) lograr el rendimiento de enlace requerido. En la Figura 2.13, cada hexágono individual representa una zona, mientras que cada grupo de tres hexágonos representa una celda. El radio de zona Rz es aproximadamente igual a un radio de hexágono. Ahora, la capacidad del sistema de microcélulas de la zona está directamente relacionada con la distancia entre las celdas entre canal y no con las zonas. Esta distancia se

representa como D en la Figura 2.13. Para un valor Dz / Rz de 4.6, se puede ver en la geometría de la Figura 2.13 que el valor de la relación de reutilización entre canal, D / R, es igual a 3, donde R es el radio de la celda y es igual a El doble de la longitud del radio del hexágono. Usando la ecuación (2.4), D / R = 3 corresponde a un tamaño de grupo de N = 3. Esta reducción en el tamaño de grupo de N = 7 a N = 3 equivale a un aumento en la capacidad de 2.33 veces para un sistema completamente basado en el Concepto de microcélula de zona. Por lo tanto, para el mismo requisito de S / I de 18 dB, este sistema proporciona un aumento significativo de la capacidad en comparación con la planificación celular convencional.

Al examinar la Figura 2.13 y usar la ecuación (2.8) [Lee9lb], el S / I en el peor de los casos del sistema de microcélulas de la zona puede estimarse en 20 dB. Por lo tanto, en el peor de los casos, el sistema proporciona un margen de 2 dB sobre la relación de señal a interferencia requerida, mientras que aumenta la capacidad en 2,33 veces en un sistema convencional de 7 celdas que utiliza antenas omnidireccionales. No se experimenta ninguna pérdida en la eficiencia del enlace. Las arquitecturas de celda de zona están siendo adoptadas en muchos sistemas de comunicación celular y personal.

2.8 Resumen En este capítulo, se presentan los conceptos fundamentales de transferencia, reutilización de frecuencia, eficiencia de trunking y planificación de frecuencia. Se requieren transferencias para pasar el tráfico móvil de celda a celda, y hay varias maneras en que se implementan las transferencias. La capacidad de un sistema celular es una función de muchas variables. El S / I limita el factor de reutilización de frecuencia de un sistema, que limita el número de canales dentro del área de cobertura. La eficiencia del enlace limita la cantidad de usuarios que pueden acceder a un sistema de radio troncal. El enlace troncal se ve afectado por la cantidad de canales disponibles y la forma en que se dividen en un sistema celular troncal. La eficiencia del enlace se cuantifica por el GOS. Finalmente, se muestra que la división de células, la segmentación y la técnica de microcélulas de zona mejoran la capacidad al aumentar el S / I de alguna manera. El objetivo primordial de todos estos métodos es aumentar la cantidad de usuarios dentro del sistema. Las características de propagación de la radio influyen en la efectividad de todos estos métodos en un sistema real. La propagación por radio es el tema de los siguientes dos capítulos.

2.9 problemas

2.1 Demostrar que, para una geometría hexagonal, la relación de reutilización entre canal corresponde a Q = √3N, donde N = i ^ 2 + ij + i ^ 2. F. (Sugerencia: use la ley de coseno y la geometría de celda hexagonal).

2.2 Demuestre que el factor de reutilización de frecuencia para un sistema celular está dado por k / S. donde k es el número promedio de canales por celda y S es el número total de canales disponibles para el proveedor del servicio celular.

2.3 Un proveedor de servicios celulares decide utilizar un esquema TDMA digital que puede tolerar una relación de señal a interferencia de 15 dB en el peor de los casos. Encuentre el valor óptimo de N para (a) antenas omnidireccionales, (b) sectorización 120°, y (c) sectorización 60 °. ¿Debe utilizarse la sectorización? Si es así, ¿qué caso (60 ° o 120 °) debe usarse? (Suponga un exponente de pérdida de trayectoria de n = 4 y considere la eficiencia del enlace).

2.4 Si una campaña de medición de propagación intensiva mostró que el canal de radio móvil proporcionó un exponente de pérdida de trayectoria de propagación de n = 3 en lugar de 4, ¿cómo cambiarían sus decisiones de diseño en el Problema 2.3? ¿Cuál es el valor óptimo de N para el caso de n = 3?

2.5 Para un sistema N = 7 con un Pr [Bloqueo] = 1% y una duración promedio de llamada de 2 minutos, encuentre la pérdida de capacidad de tráfico debido al enlace troncal para 57 canales cuando se pasa de antenas omnidireccionales a antenas sectorizadas de 60 °. (Suponga que las llamadas bloqueadas se borran y la tasa promedio de llamadas por usuario es X = I por hora.

Figura 2.13 Definiendo D, Dz, R, Rz, para una arquitectura de microcélulas con N = 7. Los hexágonos más pequeños forman zonas y tres hexágonos (delineados en negrita) juntos forman una celda. Se muestran seis celdas entre canal más cercanas.

2.6 Suponga que una celda llamada "Perilla de radio" tiene 57 canales, cada uno con una potencia radiada efectiva de 32 vatios y un radio de celda de 10 km. El grado de servicio se establece como una probabilidad de bloqueo del 5% (suponiendo que las llamadas bloqueadas estén desactivadas). Suponga que la duración promedio de las llamadas es de 2 minutos, y cada usuario promedia 2 llamadas por hora. Además, suponga que la celda acaba de alcanzar su capacidad máxima y debe dividirse en 4 microcélulas nuevas para proporcionar 4 veces la capacidad en la misma área. (a) ¿Cuál es la capacidad actual de la celda "Perilla de radio"? (b) ¿Cuál es el radio y la potencia de transmisión de las nuevas células? (c) ¿Cuántos canales se necesitan en cada una de las nuevas celdas para mantener la estabilidad de reutilización de frecuencia en el sistema? (d) Si el tráfico se distribuye de manera uniforme, ¿cuál es el nuevo tráfico transportado por cada nueva celda? ¿La probabilidad de bloqueo en estas nuevas celdas será inferior al 0.1% después de la división?

2.7 Ejercicios en teoría de trunking (hacer cola):

(a) ¿Cuál es la capacidad máxima del sistema (total y por canal) en Erlangs cuando proporciona una probabilidad de bloqueo del 2% con 4 canales, con 20 canales, con 40 canales? (b) ¿Cuántos usuarios pueden ser compatibles con 40 canales con un bloqueo del 2%? Suponga que H = 105 s, ʎ = 1 llamada / hora. (c) Utilizando la intensidad de tráfico por canal calculada en la parte (a), encuentre el grado de servicio en un sistema de demora de llamadas perdidas para el caso de demoras mayores a 20 segundos. Suponga que H = 105 s, y determine el GUS para 4 canales, para 20 canales, para 40 canales. (d) Al comparar la parte (a) y la parte (c), ¿un sistema de demora de llamadas perdidas con una cola de 20 segundos funciona mejor que un sistema que borra las llamadas bloqueadas?

2.8 Un receptor en un sistema de radio celular urbano detecta una señal de 1 mW en d = = I metro desde el transmisor. Para mitigar los efectos de interferencia cocanal, se requiere que la señal recibida en cualquier receptor de estación base desde otro transmisor de estación base que opera con el mismo canal debe estar por debajo de -100 dBm. Un equipo de medición ha determinado que el exponente de pérdida de trayectoria promedio en el sistema es n = 3. Determine la mayor radio de cada celda si se usa un patrón de reutilización de 7 celdas. ¿Cuál es el radio principal si se usa un patrón de reutilización de 4 celdas?

2.9 Un sistema celular que usa un tamaño de grupo de 7 se describe en el Problema 2.8. Se opera con 660 canales, 30 de los cuales están designados como canales de configuración (control) de manera que hay aproximadamente 90 canales de voz disponibles por celda. Si hay una densidad de usuarios potenciales de 9000 usuarios / km2 en el sistema, y cada usuario hace un promedio de una llamada por hora y cada llamada dura 1 minuto durante las horas pico, determine la probabilidad de que un usuario experimente un retraso mayor a 20 segundos si todas las llamadas están en cola.

2.10 Demuestre que si n = 4, una celda se puede dividir en cuatro celdas más pequeñas, cada una con la mitad del radio y 1116 de la potencia del transmisor de la celda original. Si las mediciones extensas muestran que el exponente de pérdida de trayectoria es 3, ¿cómo debería cambiarse la potencia del transmisor para dividir una celda en cuatro celdas más pequeñas? ¿Qué impacto tendrá esto en la geometría celular? Explica tu respuesta y proporciona dibujos que muestren cómo las nuevas celdas encajarían en las macro células originales. Para simplificar el uso de antenas omnidireccionales.

2.11 Usando el cuadro de asignación de frecuencia en la Tabla 2.2, diseñe un esquema de canalización para una portadora del lado B que usa reutilización de 4 celdas y 3 sectores por celda. Incluir un esquema de asignación para los 21 canales de control.

2.12 Repita el problema 2.11 para el caso de reutilización de 4 celdas y 6 sectores por celda.

2.13 En la práctica de los sistemas de radio celular, el MSC está programado para asignar canales de radio de manera diferente para las celdas de entre canal más cercanas. Esta técnica, llamada secuencia de búsqueda, garantiza que las celdas entre canal usen primero diferentes canales dentro del conjunto de entre canales, antes de que los mismos canales se asignen a llamadas en celdas cercanas. Esto minimiza la interferencia entre canal cuando el sistema celular no está completamente cargado. Considere 3 grupos adyacentes y diseñe un algoritmo que el MSC pueda usar para buscar los canales apropiados cuando se solicite desde las celdas de canales compartidos. Supongamos un patrón de reutilización de 7 celdas con 3 sectores por celda, y use el esquema de asignación de canales celulares de los EE. UU. para la portadora del lado A.

2.14 Determine el piso de ruido (en dBm) para los receptores móviles que implementan los siguientes estándares: (a) AMPS, (b) GSM, (c) USDC, (d) DECT, Ce) 18-95, y (0 CT2. Suponga Todos los receptores tienen una cifra de ruido de 10 dB.

2.15 Si una estación base proporciona un nivel de señal de -90 dBm en el margen celular, encuentre la SNR para cada uno de los receptores móviles descritos en el Problema 2.14.

2.16 De los primeros principios, derive la expresión para Erlang B dada en este capítulo. 2.17 Analice detenidamente el equilibrio entre la eficiencia de la segmentación y el trunking para un tamaño de conglomerado de 4 celdas. Si bien la sectorización mejora la capacidad al mejorar la SNR, existe una pérdida debido a la disminución de la eficiencia del enlace troncal, ya que cada sector debe ser truncado por separado. Considere una amplia gama de canales totales disponibles por celda y considere el impacto de usar 3 sectores y 6 sectores por celda. Su análisis puede incluir simulación por computadora y debe indicar el punto de "equilibrio" cuando la sectorización no es práctica.

2.18 Suponga que cada usuario de un solo sistema de radio móvil de estación base promedia tres llamadas por hora, cada llamada dura un promedio de 5 minutos. (a) ¿Cuál es la intensidad del tráfico para cada usuario? (b) Encuentre el número de usuarios que podrían usar el sistema con 1% de bloqueo si solo un canal está disponible (c) Encuentre el número de usuarios que podrían usar el sistema con 1% de bloqueo si Cinco canales troncales están disponibles. (d) Si la cantidad de usuarios que encontró en (c) se duplicó repentinamente, ¿cuál es la nueva probabilidad de bloqueo del sistema de radio móvil troncalizado de cinco canales? ¿Sería este desempeño aceptable? Justifica por qué o por qué no.

2.19 Al sistema AMPS de EE. UU. Se le asignan 50 MHz de espectro en el rango de 800 MHz y proporciona 832 canales. Cuarenta y dos de esos canales son canales de control. La frecuencia del canal directo es exactamente 45 MHz mayor que la frecuencia del canal inverso. (a) ¿El sistema AMPS es simple, semidúplex o dúplex? ¿Cuál es el ancho de banda para cada canal y cómo se distribuye entre la estación base y el suscriptor? (b) Suponga que una estación base transmite información de control en el canal 352, operando a 880.560 MHz. ¿Cuál es la frecuencia de transmisión de una unidad de abonado que transmite en el canal 352? (c) Los operadores celulares del lado A y del lado B dividen los canales AMPS de manera uniforme. Encuentre la cantidad de canales de voz y la cantidad de canales de control para cada operador. (d) Supongamos que usted es el ingeniero jefe de un operador de telefonía celular que utiliza la reutilización de 7 celdas. Proponga una estrategia de asignación de canales para una distribución uniforme de usuarios en todo su sistema celular. Específicamente, suponga que cada celda tiene 3 canales de control (se emplean 1200 sectores) y especifique el número de canales de voz que asignaría a cada canal de control en su sistema. (e) Para una disposición celular hexagonal ideal que tenga sitios de celdas idénticos, ¿cuál es la distancia entre los centros de las dos celdas entre canales más cercanas para la reutilización de 7 celdas? para reutilización de 4 celdas?

2.20 Pretenda que su compañía ganó una licencia para construir un sistema celular en los EE. UU. (El costo de la solicitud para la licencia fue de solo $ 500). Su licencia es para cubrir

140 km cuadrados. Suponga que una estación base cuesta $ 500,000 y una MTSO cuesta $ 1,500,000. Se necesitan $ 500,000 adicionales para anunciar y comenzar el negocio. Usted ha convencido al banco para que le preste $ 6 millones, con la idea de que en cuatro años habrá ganado $ 10 millones en ingresos brutos de facturación, y habrá pagado el préstamo. (a) ¿Cuántas estaciones base (es decir, sitios celulares) podrá instalar por $ 6 millones? (b) Suponiendo que la Tierra sea plana y los suscriptores se distribuyan de manera uniforme en el terreno, ¿qué suposición puede hacer acerca del área de cobertura de cada uno de sus sitios celulares? ¿Cuál es el radio principal de cada una de sus células, suponiendo un mosaico hexagonal? (c) Suponga que el cliente promedio pagará $ 50 por mes durante un período de 4 años. Suponga que el primer día que enciende su sistema, tiene un cierto número de clientes que permanece fijo durante todo el año. En el primer día de cada año nuevo, la cantidad de clientes que usan su sistema se duplica y luego permanece fija por el resto de ese año. ¿Cuál es la cantidad mínima de clientes que debe tener el primer día de servicio para haber ganado $ 10 millones en ¿Ingresos brutos de facturación al final del cuarto año de operación? (d) Para su respuesta en (c), ¿cuántos usuarios por pariente cuadrado se necesitan el primer día de servicio para alcanzar la marca de $ 10 millones después del cuarto año?