Concepto celular clásico. Estructura celular y
cálculo de interferencias. Dimensionamiento. Arquitectura
general. Funciones relacionadas con la movilidad. Sistemas
celulares clásicos (FDMA/TDMA)
1. Concepto celular clásico
Una única estación base para cubrir la zona deseada
(ciudad y alrededores) Receptores satélite para equilibrar
la cobertura ascendente con la descendente FDMA (FM de 25-30 kHz,
voz) Limitaciones de cobertura y de capacidad Sistemas iniciales
(no celulares)
División de la zona de cobertura en zonas más
pequeñas, llamadas células o celdas. Cada
célula es atendida por una base. Reutilización de
las frecuencias en células suficientemente alejadas.
Concepto celular clásico
Se consideran (idealmente) células hexagonales.
Células cocanal: las que utilizan la misma frecuencia.
Están separadas la distancia de reutilización, D.
Relación de protección, Rp: mínima C/I
necesaria. Depende del sistema (modulación,
codificación, calidad objetivo, …). Cocanal. Ej: 9
dB en GSM. De canal adyacente: Ej: -9 dB en GSM.
Agrupación o cluster: conjunto de células que
utilizan canales diferentes. El número de células
por agrupación es el tamaño de la
agrupación, N. Conceptos relacionados
2. Estructura celular y cálculo de interferencias
Geometría de las redes celulares (Gp:) u (Gp:) v (Gp:)
60º (Gp:) r (Gp:) (i,j) (Gp:) (2,1) (Gp:) d (Gp:) R Ejes a
60º Paso de la red: d Radio celular: R
Agrupación celular (Gp:) 6 (Gp:) 7 (Gp:) 5 (Gp:) 1 (Gp:) 2
(Gp:) 3 (Gp:) 4 (Gp:) 6 (Gp:) 7 (Gp:) 5 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3
(Gp:) 4 (Gp:) 6 (Gp:) 7 (Gp:) 5 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4
(Gp:) 6 (Gp:) 7 (Gp:) 5 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4 (Gp:) 6
(Gp:) 7 (Gp:) 5 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4 (Gp:) 6 (Gp:) 7
(Gp:) 5 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4 (Gp:) 6 (Gp:) 7 (Gp:) 5
(Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4 (Gp:) 6 (Gp:) 7 (Gp:) 5 (Gp:) 1
(Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4 Ejemplo: N = 7
Agrupación celular (Gp:) 3 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 4
Ejemplo: N = 4 (Gp:) 3 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 4 (Gp:) 3 (Gp:) 1
(Gp:) 2 (Gp:) 4 (Gp:) 3 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 4 (Gp:) 3 (Gp:) 1
(Gp:) 2 (Gp:) 4 (Gp:) 3 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 4 (Gp:) 3 (Gp:) 1
(Gp:) 2 (Gp:) 4 3 1 2 4 3 1 2 4 (Gp:) 3 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:)
4
Distancia de reutilización D Área de la
agrupación: Área del rombo: Sagrup = Srombo: u v
?
La distancia entre la base de referencia (0,0) y una base cocanal
(i,j) es, por definición, D. Dicha distancia se expresa en
función de i,j como Como N = D2/d2, resulta Dado que las
coordenadas i, j de las bases deben ser números enteros,
sólo son posibles N que cumplan la expresión
anterior con i, j enteros. Tamaños de agrupación
posibles
Tamaño de agrupación Efecto de N: Interesa N bajo,
para reutilizar más las frecuencias: Pero N bajo implica
C/I baja. De acuerdo con esto, Interesa el menor N posible que
cumpla los requisitos de Rp. Se suelen incluir márgenes
por variabilidad de señal e interferencias. Nº
frecuencias por célula = Nº total de frecuencias /
N
Cobertura omnidireccional Cobertura sectorizada 2 Sectores 3
Sectores Células omnidireccionales y sectorizadas
Base en el centro de la célula con m antenas directivas.
Cada antena cubre un sector. En la agrupación hay N
células y N·m sectores. Habitualmente se usan
células trisectorizadas (m = 3), con antenas de ancho de
haz (a -3 dB) en torno a 65º. Características de las
estructuras sectorizadas: + Mejor cobertura (mayor ganancia de
cada antena). – Más equipos por emplazamiento. +
Normalmente permiten usar N más bajo que con
células omnidireccionales, ya que la directividad de la
antena reduce la interferencia. Células sectorizadas
Agrupación celular sectorizada Ejemplo: N = 7, m = 3
Agrupación celular sectorizada
El objetivo es ver si una asignación de frecuencias
(patrón de reutilización) es viable, es decir,
cumple los requisitos de C/I. Se analizan por separado UL y DL (a
veces sólo DL). Procedimiento: Se determina la zona de
cobertura de la célula, definida por la condición
Pr > S + M, siendo S la sensibilidad y M el margen por
desvanecimiento. Para cada punto de la zona de cobertura se
calcula C/I.. Se debe cumplir C/I > Rp en un cierto porcentaje
p del área de la célula. Se puede incluir un margen
adicional M’ para tener en cuenta la variabilidad de la
interferencia, en cuyo caso la condición es C/I > Rp +
M’. Cálculo de interferencia
Estudio simplificado. Enlace descendente. Se tiene en cuenta
sólo la primera corona de células cocanal. Se
supone que todas las células interferentes están
usando el canal considerado (caso peor). Se consideran todas las
bases iguales: mismas antenas y potencia transmitida. Se
considera un modelo de propagación de tipo potencial:lb =
k·dn (no se tienen en cuenta irregularidades del terreno).
Se realiza el cálculo en el punto más alejado de la
base, P. En redes sectorizadas debe tenerse en cuenta el diagrama
de radiación, g(a). C/I en redes hexagonales
regulares
C/I en redes hexagonales regulares Célula cocanal h dh (i,
j) d dp P (iP, jP) iP =-1/3, jP = 2/3 Caso omnidireccional
C/I en redes hexagonales regulares Sector cocanal h P (iP, jP) dh
(i, j) d Caso sectorizado ah iP =0, jP = 2/3 dp
Condiciones: Células con forma arbitraria en
función del terreno. Ubicaciones limitadas por la
disponibilidad de emplazamientos. Número de frecuencias
diferente en cada célula o sector. Células o
sectores de diferentes tamaños. No hay un patrón de
reutilización regular. Los parámetros radio
(potencias, número de sectores, orientación de
antenas, …) pueden ser diferentes en cada base.
Procedimiento: Se utilizan herramientas software con mapas
digitales y modelos de propagación más detallados.
Se realiza el cálculo de C/I en toda la zona cubierta:
mapa de C/I. Se comprueba si en un porcentaje p del área
cubierta se supera Rp, o bien Rp + M’. Cálculo
realista
Cálculo realista Ejemplo: red celular sectorizada en
entorno urbano
3. Dimensionamiento
El objetivo es saber cuántos canales (intervalos de tiempo
o portadoras) se necesitan en una célula o sector.
Hipótesis: Las llegadas siguen un proceso de Poisson
(válido cuando hay muchos usuarios: aproximación de
población infinita). El tiempo de servicio sigue una
distribución exponencial. Un solo tipo de servicio, por
conmutación de circuitos. Tratamiento de la
congestión: Sistemas de bloqueo o pérdidas
(PLMN):GoS = Pr [ llamada bloqueada ] = PB Sistemas de espera
(PMR, PAMR):GoS = Pr [ espera > tiempo de referencia ]. Modelo
de tráfico
Debido a la movilidad (traspaso), la llamada se divide en
“segmentos”, dando lugar a varias
“llegadas” (nuevas o traspasos). El tráfico
generado por cada usuario se reparte entre varias células.
Modelo de tráfico Usuario 1 Célula B Usuario 2
Usuario 3 Célula A llegada (nueva) llegada (traspaso)
llamada segmento
Tráfico ofrecido en la célula (sector), A:
número medio de canales ocupados suponiendo que todas las
llegadas son aceptadas. Tráfico ofrecido por usuario, a:
porcentaje de ocupación que genera un usuario, suponiendo
que todas sus llegadas son aceptadas. El tráfico ofrecido
por célula (sector), A, puede calcularse como el
tráfico ofrecido por usuario, a, por el número
medio de usuarios en la célula (sector), M. Tráfico
ofrecido Tsegmento: duración media de un segmento Tentre
llegadas: tiempo medio entre llegadas a la célula (nuevas
o traspasos) l: tasa de llegadas a la célula. l = 1/Tentre
llegadas a la cél./sec. m: tasa de servicio en la
célula. m = 1/ Tsegmento Tentre llamadas individuales:
tiempo medio entre llamadas por usuario Tllamada: duración
media de la llamada, suponiendo que no hay caídas
Tráfico cursado en la célula (sector), Ac:
número medio de canales ocupados en la célula
(sector). Puede medirse: Tráfico cursado Sistemas de
bloqueo: Ac = A(1-PB) < A Sistemas de espera: Ac = A 1 0 1 0 1
0 1 2 1 2 ··· Media: Ac n:
Resultados: sistemas de bloqueo B(Nc,A): función Erlang-B
PB coincide con Pr[Nc canales ocupados] debido a la
hipótesis (aproximación) de población
infinita. La probabilidad de bloqueo para traspasos, Ph, es, en
principio, igual a PB (el sistema trata por igual todas las
llegadas). Puede modificarse el sistema para Ph a costa de
aumentar PB; por ejemplo, reservando canales para traspasos. Nc:
número de canales de tráfico en la
célula/sector
1% 2% 0.0101 0.0204 0.1526 0.2235 0.4555 0.6022 0.8694 1.0923
1.3608 1.6571 1.9090 2.2759 2.5009 2.9354 3.1276 3.6271 3.7825
4.3447 4.4612 5.0840 5.1599 5.8415 5.8760 6.6147 6.6072 7.4015
7.3517 8.2003 8.1080 9.0096 8.8750 9.8285 9.6516 10.6558 10.4369
11.4909 11.2301 12.3330 12.0306 13.1815 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
12 13 14 15 16 17 18 19 20 12.8378 14.0360 13.6513 14.8959
14.4705 15.7609 15.2950 16.6306 16.1246 17.5046 16.9588 18.3828
17.7974 19.2648 18.6402 20.1504 19.4869 21.0394 20.3373 21.9316
22.0483 23.7249 23.7720 25.5291 25.5070 27.3431 27.2525 29.1662
29.0074 30.9973 30.7712 32.8360 32.5430 34.6817 34.3223 36.5337
36.1086 38.3916 37.9014 40.2551 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 32
34 36 38 40 42 44 46 48 50 1% 2% Erlang-B
Erlang-B (Gp:) 0 (Gp:) 2 (Gp:) 4 (Gp:) 6 (Gp:) 8 (Gp:) 10 (Gp:)
12 (Gp:) 14 (Gp:) 16 (Gp:) 18 (Gp:) 20 (Gp:) 0 (Gp:) 2 (Gp:) 4
(Gp:) 6 (Gp:) 8 (Gp:) 10 (Gp:) 12 (Gp:) 14 (Gp:) Nc (Gp:) A (Gp:)
1% (Gp:) 2%
Resultados: sistemas de espera C(Nc,A): función Erlang-C
Nc: número de canales de tráfico en la
célula/sector
Capacidad en sistemas celulares El dimensionamiento se hace por
célula, o por sector si es una red sectorizada. d:
densidad de usuarios (usuarios/km2) S: superficie de la
célula o sector r: densidad de tráfico (E/km2): r =
d·a Dados Nc y PB, puede determinarse A = B-1(PB,Nc) Para
poder atender una mayor densidad de tráfico (r) puede
recurrirse a reducir el tamaño de las células o
sectores. Eficiencia espectral (E/km2/MHz): Btotal: ancho de
banda total del sistema
Capacidad: ejemplo GSM 900 MHz: radiocanales de 200 kHz, 8
canales/radiocanal (TDMA) Btotal = 12,5 MHz (para cada sentido) 2
canales para señalización en cada célula. PB
= 1%. r = 20 E/km2. Estructura celular: 1) omnidireccional con N
= 7 2) sectorizada con N = 4, m = 3. Se supone que ambas cumplen
los requisitos de C/I. ¿S, h? ¿Densidad de
emplazamientos?
Capacidad: ejemplo 1) Hay 12,5/0,2 = 62 radiocanales en total.
Pueden asignarse 62/7=8,9 ? 8 radiocanales por célula
(redondeo pesimista). Nc = 8*8-2 = 62 canales de tráfico
por célula. A = 48,8 E por célula. Scélula =
A/r = 2,4 km2. h = 56,1 / (12,5·2,8) = 1,6 E/km2/MHz = r /
Btotal. Densidad de emplazamientos = 1/Scélula = 0,42
km-2. 2) Pueden asignarse 62/(4*3) ? 5 radiocanales por sector.
Nc = 5*8-2 = 38 canales de tráfico por sector. A = 27,3 E
por sector. Ssector = A/r = 1,365 km2. h = r / Btotal=1,6
E/km2/MHz (igual que en el caso anterior). Densidad de
emplazamientos = 1/(m·Ssector) = 0,24 km-2. La estructura
sectorizada con N=4, m=3 es más interesante que la
omnidireccional con N = 7, pues requiere menos emplazamientos
para la misma capacidad (r).
4. Arquitectura general. Funciones relacionadas con la
movilidad
Arquitectura general Controlador de bases Base Móvil Resto
de la red Red de acceso radio Núcleo de red Red fija
Interfazradio
Funciones relacionadas con la movilidad Registro/desregistro del
móvil en la red (attach/detach). Actualización de
posición: Área de localización (location
area, LA): conjunto de células. La red conoce en todo
momento la LA del móvil. Aviso al móvil (paging):
se hace en la LA en que se encuentra. Reselección de
célula: El móvil sin llamada en curso elige la
célula “mejor” en cada momento. La
elección se basa en medidas hechas sobre un canal piloto
transmitido por cada base, y en información de la red.
Traspaso (handover, o handoff) Cambio de célula con
llamada en curso. Suele ser controlado por la red, usando
información enviada por el móvil.
Autentificación, cifrado: Son necesarios por seguridad,
sobre todo en la interfaz radio.