Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación
29 de abril de 2008
Juan José Murillo Fuentes DTSC. ETSI. Univ Sevilla
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http://web.mit.edu/newsoffice/2005/cellphones.html COURTESY: SENSEable City Laboratory
Tema 9. SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MOVILES
9.1
Bibliografía Bibliografía básica: • Estas transparencias están basadas en el capítulo 7 del libro “Transmisión por radio” del prof. Hernándo Rábanos, ed. Ramón Areces 2003. Bibliografía adicional: • Generales:
“Wireless Communications. Principles and Practice” T. Rappaport, Prentice Hall 2003 scd ed. “Fundamentos de los sistemas de comunicaciones móviles”, Alberto Sendín Escalona. Mc Graw Hill. 2004.
• GSM:
“Comunicaciones Móviles GSM”, Coord. Hernándo Rábanos, ed. Fundación Airtel 1999.
• Contiene datos básicos de sistemas en España: http://www.mityc.es/esES/Servicios/IndicadoresE/sociedadinformacion/ © Copyright 2006. Si utiliza este material para generar algún otro cítelo como J.J. Murillo-Fuentes. “Comunicaciones móviles. Transparencias de la asignatura radiación y radiocomunicación.“ Universidad de Sevilla. 2005.
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9.2
9. SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MOVILES 9.1 Introducción 9.2 Composición de un sistema y cobertura 9.3 Clasificación
Parte I: Introducción
9.4 Frecuencias y modos de explotación 9.5 Caracterización del Canal 9.6 Calidad: cobertura 9.7 Sistemas digitales
Parte II: Sistemas Celulares Parte III: Sistemas Privados Parte IV: GSM Parte V: Proyectos Parte VI: Otros Sistemas
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9.8 Sistemas de concentración de enlaces 9.9 Sistemas celulares de radiotelefonía 9.10 Estructura básica de un sistema PMR 9.11 Sistemas típicos de PMR 9.12 Sistemas de telefonía móvil digital GSM 9.13 Proyectos de sistemas del Servicio Móvil 9.14 Nuevos sistemas de comunicaciones móviles 9.3
Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación Tema 9. SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MOVILES (Parte I)
Juan José Murillo Fuentes ATSC. ETSI.Univ Sevilla
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9.4
Parte I: Introducción y Sistemas PMR 9.1 Introducción 9.2 Composición de un sistema y cobertura 9.3 Clasificación 9.4 Frecuencias, acceso múltiple y modos de explotación 9.5 Caracterización del Canal 9.6 Calidad: cobertura 9.7 Sistemas de concentración de enlaces
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9.5
9.1 Introducción Sistemas inalámbricos: movilidad Cobertura Zonal: variación continua del trayecto de propagación Sistemas • Gran ubicuidad • Gran versatilidad: rápida instalación,... • Gran flexibilidad: fácil reconfiguración,... Definición (Reglamento de Radiocomunicaciones): • “un servicio de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones terrestres fijas, o entre estaciones móviles únicamente”. Tipos de servicios móviles: • Servicio móvil terrestre: Despacho, Gestión de flotas de vehículos, policía, ambulancias, bomberos, radiotaxi, … • Servicio móvil marítimo. • Servicio móvil aeronáutico.
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9.6
9.1 Introducción: Wireless Comunicaciones móviles - Comunicaciones inalámbricas
Satellite LEO MEO GSO
Personal Bluetooth IEEE 802.15
LAN
Fixed
IEEE 802.11 HomeRF HIPERLAN
IEEE802.16 (WiMax) LMDS
Mobile 1G Analog 2G Digital: PDC, GSM 2.5G GPRS/EDGE 3G UMTS DECT
Privada: PMR, PAMR Pública: TMA = PLMN
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9.7
9.1 Introducción: sistemas móviles privados Radiotelefonía privada (PMR, Private Mobile Radio): • No está conectada a la red pública. • Sistemas: Analógicos, MPTXXXX, TETRA, … • Cobertura local • Redes móviles tradicionales:
Asignación rígida de canales a varios usuarios (no todas las frecuencias se ofrecen a todos usuarios) 9 FDMA → señalización selectiva mediante tonos (CTCSS y 5 tonos)
• Sistemas avanzados
Truncking = sistemas troncales ⊂ Multiacceso basado en sistemas compartición de frecuencias = sistemas de concentración de enlaces: 9 señalización digital 9 espera en cola
Acceso Público Móvil Radio (PAMR, Public Access Mobile Radio) • Son sistemas para telefonía móvil privada desarrollados por operadoras con licencia que ofertan sus servicios a terceros
Por ejemplo: en España licencias para TETRA
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9.8
9.1 Introducción: Sistemas móviles públicos Telefonía móvil automática (TMA) • Conexión a la red pública. • Sistemas: NMT, AMPS, TACS, GSM, IS-136, IS-95, WCDMA(UMTS), CDMA2000... • Cobertura: desde una zona a un continente • Explotación totalmente automática • Características similares al servicio telefónico fijo en cuanto a
Fiabilidad-Disponibilidad Calidad (fidelidad)
• Sistemas digitales:
Multiplexación, TDMA, CDMA. Banda ancha y estrecha
• Otros Servicios como
Transmisión de Datos: GPRS, UMTS Mensajería unidireccional (SMS) Radiobúsqueda-localización (Ej, GALILEO+UMTS)
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9.9
9.1 Introducción: WLAN Dentro de los sistemas de comunicaciones móviles cabe al menos introducir los Sistemas “indoor”: • Sistemas restringidos a
Fábricas o naves industriales Oficinas Hogar
• Servicios de
Voz Datos: redes WLAN (Wireless LAN) 9 Blootooth, HIPERLAN, WiFi... Telecontrol (domótica)
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9.10
9.1 Introducción: Primera Generación Las principales características de sistemas 1G son • Analógicos • Básicamente servicio de voz • Baja capacidad • Cobertura limitada: local o regional • Sistemas: E-TACS, AMPS, NMT, C-net • Las interfaces son propietarias • España1:
En 1982 el TMA-450 de Telefónica basado en NMT (Nordic Mobile Telephone) En 1990 el TMA-900 de Telefónica basado en TACS (Total Access Communication System), es el sistema Moviline.
• UK: TACS en las compañías Cellnet y Vodafone.
1
http://catedra-coitt.euitt.upm.es/web_socioeconomica/articulos/procesoimplantaciontelefoniamovil.pdf
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9.11
9.1 Introducción: Segunda Generación Las principales características son • Digital • Conmutación de circuitos • Voz y datos básicos
Fax SMS Circuit switched data (9.6 kbs)
• Cobertura regional con roaming (itinerancia) trans-national (panaeuropea) • Sistemas: GSM (EU), D-AMPS (=IS-136, USA), PDC (Japón), IS-95 (cdmaOne USA), • (more) interfaces abiertas (Open Interfaces)
En UK Cellnet, Vodafone, Orange, One–2–One En España Vodafone, Movistar, Amena
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9.12
9.1 Introducción: Tercera Generación Las principales características son • Digital • packet and circuit switched • Datos avanzados / Multimedia • Acceso de alta velocidad • Cobertura Global • Sistemas: UMTS (WCDMA, TD/CDMA), CDMA 2000 (USA),… España: Operadores existentes y nuevos: amena, vodafone, movistar, xfera
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9.13
9.1 Introducción: Crecimiento de demanda – Diferentes sistemas de acceso 1,000 Million subscribers
Fixed access 800 600
Mobile access
400 200 0
Fixed and mobile Internet
Mobile Internet 1996
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1998
2000
2002
2004
9.14
9.1 Introducción: Evolución de GSM a UMTS…
Second Generation
Maximum Data Rate
100 Mbit/s
Third Generation
10 Mbit/s HSPDA
1 Mbit/s EDGE
UMTS
GPRS
100 kbit/s
HSCSD GSM 14.4k
10 kbit/s
GSM
Since 1992
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1999
2000
2001
2002
9.15
9.1 Introducción: Aplicaciones 3G Video
Java WAP launch
Web cam
GPRS Music Mobile Office Schedule Management Work flow Management Electronic Conference File Sharing
1Q1999
Interactive TV
Web access
Radio Multi-player Games
m-banking m-cash m-stock trading Picture clips Chat Information Room email Services Route planning 4Q1999 4Q2000
[email protected]
Intranet
Video clips TV Conference
SMS
Visual, High Speed
Portal Link
4Q2001
9.16
9.1 Introducción: penetración (Subcriptores) de telefónia móvil por áreas Subscribers (million) 1800 1600 1400 1200
Rest of World
1000
Asia Pacific
800
North America
600
European Union Countries
400 200 0 1995
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2000
2005
2010
Years
9.17
9.1 Introducción. Penetración en España
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9.18
9.1 Introducción. Penetración Mundial
[email protected]
9.19
9.1 Introducción: Mercado de Telefonía Móvil por Tecnología 450
7%
400
PDC and PHS
350
IS 136 D-AMPS
9%
IS-95 CDMA
300
15 %
GSM
250
Analogue
200
GSM
150
62 %
100 50 0 1993
7% 1994
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1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
9.20
9.1 Introducción: GSM en USA
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9.21
9.2 Composición de un sistema de comunicaciones móviles
Elementos: Subsistema de Red / Subsistema de Acceso • Estaciones fijas (FS)
Estación Base (BS, Base Station): BTS en GSM, Nodo B en UMTS,… Estación de Control (CS) Estación Repetidora (RS) (túnel, valle,...) BS • Estaciones móviles (MS)=Equipos de usuarios
Estación móvil montada en vehículos Equipos portátiles/móviles
• Elementos de control
Subsistema Acceso
Conmutación Señalización Localización Identificación Conexión entre sistemas,...
BS
Subsistema de Red
BS
DL UL
MS
PSTN
MS
• Enlaces ascendente (UL) y descendente (DL) PSTN: public switched telephone network
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9.22
9.2 Composición de un sistema de comunicaciones móviles: Ejemplos Ejemplo de BS (BTS en GSM) Antenas de panel: •dipolos, •2 polarizaciones •3 sectores Ejemplo de Terminales Enlaces a otras BTS o a Estación de control Cables de alimentación Casetilla con Equipos
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9.23
9.3 Clasificación de sistemas móviles
Por la Banda de Frecuencias • Bandas VHF (30-300MHz)
Bandas III (162-230MHz)
• Bandas UHF (300-3GHz)
Por el tipo de acceso múltiple en el sentido móvil a estación base • • • •
Banda 2 GHz
FDMA: acceso múltiple por división en frecuencia TDMA: acceso múltiple por división en tiempo CDMA: acceso múltiple por división en código SDMA: acceso múltiple por división en espacio (haces de antenas)
Por la modalidad de explotación • Símplex • Semidúplex • Dúplex
Por el tipo de enlace • Bidireccional: Radiotelefonía • Unidireccional: Radiomensajería (SMS y otros)
Por el tipo de red • PMR • PAMR • PLMN (ó TMA, telefonía móvil automática)
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9.24
9.4 Bandas de frecuencia A modo de ejemplo, el servicio de radiocomunicaciones móviles tiene atribuidas, entre otras, las siguientes frecuencias y canalizaciones Banda
Frecuencias
Sistemas
1
VHF Baja
60-80 MHz
PMR
2
VHF alta
150-174 MHz
PMR, PAMR
3
Banda III
223-230 MHz
PMR, PAMR
4
Banda UHF baja
440-470 MHz
PMR, PAMR
5
Banda UHF alta
860-870 MHz
PMR
6
Banda 1-2 GHz
1800-2100 MHz
PLMN
Estas bandas se caracterizan por • Emplearse en zonas rurales o urbanas • Ganancia y Tamaño antenas • Alcances típicos... Ejercicio: busque las notas de utilización del CNAF que tengan que ver con comunicaciones móviles. Sugerencia: busque el CNAF con google, abra las notas de utilización (UN) y busque la palabra “móvil”, “servicio móvil”,...
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9.25
9.4 Canalizaciones Sistemas Privados: • Analógicos FM:
Normal: 25 kHz con ancho de señal 2(fd+fm)=2(5+3)=16 kHz Estrecha (más usada): 12.5 kHz con ancho de señal 2(fd+fm)=2(2.5+3)=11 kHz
• Digitales:
Dependen del sistema 9 TETRA: canalización de 12.5 KHz con 4 canales TDM-TDMA » Modulación π/4-DPSK
Sistemas Públicos • Dependen del sistema
GSM: canalización de 200 kHz con 8 usuarios en TDM-TDMA 9 Modulación GMSK, Gaussian minimum shift keying UMTS: canalización de 5 MHz con múltiples usuarios y tasas 9 Modulación BPSK y H-QPSK (hybrid-QPSK)
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9.26
9.4 Modos de explotación Símplex: Una sola frecuencia • Todos los equipos oyen (tonos) Tx Rx
• Ventaja: Ayuda Mutua
f1 f1
BS
Tx Rx
MS
si BS no escucha a un MS, otro MS puede escucharle 9 Hay comunicación directa MS a MS
• Desventaja:
Captura o bloqueo de una comunicación: 9 cuando una MS no escucha a la MS, está cerca de la BS, y Tx Interferencia canal adyacente entre BS1, BS2, BS3,...en un mismo emplazamiento f2 f1 9 hay que distanciar en f, Δf =4 a 5 MHz. 4-5MHz Problema:
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f3
8-10 MHz 9.27
9.4 Ventajas e inconvenientes de modo Símplex UL UL
RBM
MS2
DL
BS
DL
RMB
BS MS1
MS2 MS1
DL DL
Ayuda Mutua
[email protected]
Bloqueo 9.28
9.4 Modos de explotación en comunicaciones móviles Símplex a dos frecuencias: • Una solución poco viable es separar físicamente las estaciones base (>280m) • Otra solución es usar un par fTx y fRx, separadas 4-5 MHz. • Desventaja:
Los móviles no pueden hablar entre sí (no reciben a f1’) No saben si el canal está libre y pueden Tx infructuosamente cargando el sistema innecesariamente.
Tx 4MHz
[email protected]
Rx
BS
f1 f1’ Δf = 4 - 5 MHz y 10 MHz
Tx Rx
MS
9.29
9.4 Modos de explotación en comunicaciones móviles Semidúplex: • La base retransmite en f1 hacia los móviles (TT, talk-trough) lo que recibe por f2
Necesario un duplexor Ahora todos los móviles escuchan al que habla si éste llega a la BS Posible otra frecuencia símplex para Comunicación movil-móvil
Tx Rx
f1
D U X
Tx f2
Rx
Dúplex: radiocanal, PLMN • Elevado coste para PMR (DX y frecuencias) Tx Rx
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D U X
f1 f2
D U X
Tx Rx
9.30
9.5 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Caracterización del canal Las pérdidas del canal móvil se pueden modelar como
Desvanec. Desvanec. Selectivo Plano rápido
Desvanec. Plano lento
lb ⋅ r ( x, y ) ⋅ m f (t , f ) n
• Donde lb ( d ) = k ⋅ d es la pérdida básica de propagación y n = 2 para espacio libre, n = 4 tierra plana, en medios urbanos n =3.5~3.8 (valores típicos) • El término r ( x, y ) se introduce para evaluar estadísticamente las pérdidas por obstáculos en el entorno del móvil
Distribución log-normal con desv. tip 4 ~ 12 dB (rural, urbano)
• Se incluye m (t , f ) para incluir el efecto multitrayecto y doppler, ley f exponencial negativa (cuadrado –potencia- de una Rayleigh –tensión-).
Si además Tb < dispersión temporal (Ej, banda ancha), entonces hay que conocer los retrasos y niveles de cada trayecto para evaluar prestaciones: • Se hacen necesarios igualación, codificación con entrelazado y diversidad.
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9.31
9.5 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Caracterización del canal El cálculo de la cobertura es complicado Se pueden hacer de forma manual • Típico en la petición de licencias y proyectos técnicos sencillos • En entornos rurales se trazan radiales y se calcula mediante métodos empíricos
Se utiliza mucho el método ITU-R P.1546 (antes 370)
O mediante software • El software libre para cálculo de propagación es prácticamente inexistente
Ver http://www.cplus.org/rmw/english1.html para un programa basado en el método de Longley-Rice
• Existe gran variedad de software con licencia: Atoll de Forsk, ATDI, Planet,…
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9.32
9.6 Calidad I: Cobertura 1) Grado de movilidad: Cobertura: Calidad de cobertura • Alcance
Alcance de cobertura en el sentido Estación → Móvil Alcance de cobertura en el sentido Móvil → Estación, ó retroalcance
• El retroalcance limita la cobertura, a distancias elevadas:
Ejercicio:
el móvil escucha a la base pero, la base no escucha al móvil PIREBS = ?
Enlace descendente (DL, downlink)
PR min = −98 dBm
PR
min
= −95 dBm
PIRE MS = 30 dBm Enlace ascendente (UL, uplink)
• Sentido estadístico:
Solución: si se quiere igual cobertura UL-DL se puede observar que hay que compensar con PIREBS la diferencia de sensibilidad: PIREBS=PIREMS+3=33 dBm. Nota: la diferencia entre la PIRE y la sensibilidad en UL (ó DL) constituye la máxima pérdida ó “pérdida compensable”.
Porcentaje de emplazamientos Porcentaje de tiempo
• Cobertura
Zonal Perimetral
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9.33
9.6 Ejemplo de cobertura: YOIGO
Cobertura datos UMTS ó EDGE: Málaga, Sevilla, Cádiz, Granada, … Cobertura datos GSM/GPRS: Resto Fecha:25 Marzo 2007
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9.34
9.6 Calidad II: Otros 2) Disponibilidad de recursos ó Calidad de tráfico • La probabilidad de poder establecer la llamada por falta de recursos
probabilidad de congestión ó GOS (grade of service): p
3) Fiabilidad de la conexión • La probabilidad de perder una llamada en curso (caída) 4) Seguridad: autenticación y cifrado 5) Calidad de fidelidad de señal (fonía) • Sistemas analógicos
Criterios objetivos 9Inteligibilidad: función del Indice de Nitidez (IN) 9 SINAD =
Señal + Ruido + Distorsión S + N + D = Ruido + Distorsión N +D
Está relacionada con la MOS, se puede dar en Volt, dBμ ó dBm Criterios subjetivos: 9Notas de Opinión → Nota Media de Opinión (Mean Opinion Score, MOS)
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9.35
9.6 Calidad II: Otros 3) Calidad de fidelidad de señal (continuación) • Sistemas digitales Criterios objetivos 9BER: depende del codificador 9BER irreducible Criterios subjetivos: 9Notas de Opinión → Nota Media de Opinión (Mean Opinion Score, MOS)
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9.36
9.6 Calidad II: Otros BER irreducible • A: mediciones en laboratorio, sin desvanecimiento • B: con desvanecimiento Rayleigh (plano) • C: con desvanecimiento Rayleigh y efecto Doppler Por el efecto doppler se crean desplazamientos de frecuencia
fD = v / λ • Donde v es la velocidad • Efecto ≈ modulación parásita • Ej: 900MHz, 25 Km/h: fD=21Hz
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9.37
9.6 Calidad: Ejemplo en Orange
Fecha: 25 Marzo 2007
[email protected]
9.38
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Ventajas sistemas digitales Tx de voz y datos con diferente tasa binaria: • Integración con redes digitales Métodos de cifrado Control de errores Señalización digital: • Control para evitar uso fraudulento • Control de potencia Servicios suplementarios, Ej: SMS Posibilidad de utilizar TDMA: • Simplifica circuitos RF → menor volumen y consumo terminales Más robusto a interferencia cocanal • Disminuye D → mayor reutilización →mayor capacidad Posibilidad de utilizar tecnología digital: • Codificador de voz 13 y 6.5Kbps • Codificador de canal
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9.39
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Inconvenientes sistemas digitales Necesidad de digitalización (fonía) Son más complejos Sensibilidad a las perturbaciones del medio de transmisión • Medios urbanos hostiles • Efecto doppler ISI: limitación de ancho de banda Retardo de transmisión (TDMA)
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9.40
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Estructura Estructura del transmisor Codec Vocal Multiplexador Datos
Codificador Fuente
Codificador de canal
Formatización Acceso múltiple
Tx-RF
Estructura del Receptor Codec Vocal DeMultiplex. Datos
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Decod. Fuente
DeCod. de canal
Desformatiz. Acceso múltiple
Rx-RF (Digital)
Recordar introducción Tema 6
9.41
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Estructura
Aspectos más relevantes en el canal: • Diferencia entre
Canal de Usuario: comunicación digital extremo a extremo Canal RF o radiocanal: par de frecuencias portadoras
Ojo!!
• Un mismo radiocanal puede soportar varios canales de usuarios (Multiacceso)
Aspectos más relevantes en el Tx: • El MX de datos adapta la velocidad de llegada a la de transmisión • El codificador de canal optimiza la BER tras el paso por el canal • La formatización consiste en adaptar el canal de usuario al de radiofrecuencia (Multiacceso) Aspectos más relevantes en el Rx: • Es preciso, en el Rx,
Recuperar portadora y sincronismo
• Hay que desformatizar, extrayendo el canal/es de usuario del de radiofrecuencia
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9.42
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Retrasos Aspectos más relevantes del conjunto • La suma de las contribuciones de los retardos en cada bloque = retardo total: Retardos en codificador+decodificador de voz: 0.4 a 50 ms Retardo en codificador de canal Retardo en multiacceso Retardo en canal
• El retardo total debe estar acotado (fonía): ITU-T máximo en un sentido 400ms Hay que contar además que la llamada puede atravesar la PSTN, y ésta puede tener un enlace via satélite: 270ms El margen que queda es 400-270=130ms 9Se deja para la red móvil 100ms
[email protected]
9.43
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de fuente La codificación de fuente • Permite pasar la señal analógica de habla a una digital • Debe conjugar buena fidelidad con tasa de bit reducida • Así, debe caracterizarse por Buena Calidad Tasa de bits reducida Robustez de los algoritmos frente a errores de bits Limitación de la complejidad: 9Recursos computacionales 9Limitación del tiempo de procesamiento: retardo reducido 9Viabilidad de realización física.
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9.44
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de fuente, ejemplos Minimización de Errores: Por ejemplo en las transiciones 10
11
11
10
01 00
versus
Cambio de nivel = error de 2 bits
01 00
Reducir tasa de transmisión: Por ejemplo atendiendo a la probabilidad • Llega 00 con Pb=0.005 asigno 1000 01 con Pb=0.05 asigno 100 10 con Pb=0.1, asigno 10 11 con Pb=0.845, asigno 1
[email protected]
9.45
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de canal La codificación de canal • Protege la información digital (voz, datos, señalización) contra errores producidos en la transmisión
Voz: Se protegen mejor los bits más sensibles
• Ejemplo: un MS a 50Km/h puede experimentar desvanecimientos profundos de algunos ms de duración De forma recurrente (cada 25-50ms) -2 La BER puede ser de 10 o peor
• La codificación de canal
Se pierden ráfagas de datos Se puede perder sincronización
Por cada k bits se proporcionan n=k+r bits 9Rendimiento del código (code rate): k/n 9La tasa de bits se incrementa a Vn=Vk·n/k → incrementa BW
• Existe codificación Bloque Convolucional
[email protected]
9.46
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de canal La codificación bloque • Cada paquete de k bits se corresponde unívocamente a una palabra-código de n bits La codificación convolucional • Es un sistema de estados que dependen de los bits que estén llegando
Los estados los da un registro de tamaño m (longitud obligada, constraint lenght)
• La redundancia introducida ante la llegada de un bit depende del estado actual. • Tren continuo de bits, Rendimientos de 1/2. • Decodificación: gran poder corrector. Ej, algoritmo de Viterbi.
Outer code + Inner code = Bloque + Convolucional • Gran poder detector + corrector Actualmente se están empleando códigos LDPC (Low Density Parity Check) Entrelazado (no transmisión consecutiva): evitar ráfagas errores L·Tb>Tc
[email protected]
9.47
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Acceso múltiple TDMA, Time Division Multiple Access Código po t . e . d s t canal 2 Slo canal 1
canal N ..
Frecuencia
Tiempo
[email protected]
9.48
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Acceso múltiple TDMA/FDMA También denominado NB-TDMA (Narrow Band- TDMA)
Canal RF 1
canal 2 canal 1 Canal RF 2
...
...
canal N
.
.
.
canal 2 canal 1
canal N
...
canal N
...
Slo ts d e tp o
Código
canal 2 canal 1
Frecuencia
Canal RF Q
Tiempo
[email protected]
9.49
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Trama TDMA Una Trama TDMA
Preamble
Information Message
Slot 1 Slot 2 Slot 3
Trail Bits Sync. Bits
[email protected]
Trail Bits
Slot N
Information Data
Guard Bits
9.50
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Trama TDMA, TDM Ventajas TDMA frente a SCPC/FDMA • Reducción del número de transceptores (TRXs) • Reducción en exigencia de tolerancia de frecuencia de portadoras Inconvenientes de TDMA • Exigencia de funcionamiento sincronizado • Tiempos de guarda • Bits de tara para sincronización de trama y señalización del canal:
Reduce el rendimiento de la trama
TDMA • En el sentido ascendente • En el sentido descendente (TDM, time division multiplex);
no es de acceso sino de difusión
[email protected]
9.51
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: CDMA CDMA, Code Division multiple Access
Código
...
canal 1 canal 2 Frecuencia
canal N Tiempo
[email protected]
9.52
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Time Division Duplex, TDD ? 2500 Market needs
Kbps
2000 1500
Downlink Uplink
1000 500 0
[email protected]
1997
2000
2005
Asymmetrical traffic increases with time !! 9.53
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: TDD Frequency Division Duplex, FDD Canal bajada
Canal Subida Frecuencia
División en frecuencia
Time Division Duplex, TDD Canal bajada
Canal Subida División en tiempo
[email protected]
Tiempo
9.54
9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Acceso Múltiple Sistema Celular
Acceso Múltiple
Advance Mobile Phone System (AMPS) - PLMN
FDMA/FDD
CT2 (Cordless Telephone) - PLMN
FDMA/FDD
Japanese Figital Cellular (JDC) – PLMN
TDMA/FDD
U.S. Narrowband Sprea Spectrum (IS-95) -. PLMN
CDMA/FDD
Groupe Speciale Mobile (GSM) - PLMN
NB-TDMA/FDD
UMTS, Universal Mobile Telecommunic System – PLMN CDMA/FDD y TDD MPT 1325 – PMR
FDMA/FDD
TETRA – PMR y PAMR
NB-TDMA/FDD
Digital European Cordless Telephone (DECT) (*)
TDMA/TDD
(*)El sistema DECT es para telefonía inalámbrica en el hogar u oficina. Y pueden utilizarse varias estaciones base para cubrir una zona amplia
[email protected]
9.55
9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Estructura de un sistema troncal Sistemas • Monoemplazamiento • Multiemplazamiento:
Cada nodo tiene su juego de frecuencias Interconexión (en anillo) de estaciones base y sistemas de control (TSC, trunking system controller) No tiene por qué haber transferencia automática de una BS a otra. Transceptor sintetizador controlado por microprocesador (software-radio)
• Régimen de llamadas
En espera En pérdidas
BS
En un sistema troncal • Se asignan canales
Según necesidades Y no de forma rígida
NMC
• Se optimiza la capacidad
BS
MS
TSC
PSTN
T/R PABX
FS
PABX
http://en.wikipedia.org/wiki/Trunked_radio_system
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9.56
9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Dimensionamiento y Tráfico Objetivo del dimensionamiento: • Calcular el número de canales
Nº de canales de tráfico, N (Número de canales totales = N+1, incluyendo control)
• Para cumplir unos criterios de calidad
Régimen de llamadas en espera: que la probabilidad de superar un tiempo de espera W0 al realizar una llamada sea menor de p. Régimen de llamadas perdidas: que la probabilidad de tener canal disponible al realizar una llamada sea menor de p. A p se le denomina probabilidad de congestión o grado de servicio (GOS).
Datos de partida • Nº de móviles M • Tiempo medio de llamada H (segundos) • Número medio de llamadas por móvil y en la hora cargada L (llamadas/hora)
M ⋅ L⋅H erlangs Ad = 3600 Intensidad de tráfico demandado
[email protected]
9.57
Régimen de llamadas perdidas (TMA y PMR): Erlang-B • Se supone un conjunto de usuarios que solicitan aleatoriamente los servicios de N canales de radio con un promedio dado de llegada de solicitudes de llamada. • Las llamadas se pierden con una probabilidad de congestión p (ó GOS ó pb de pérdida) si todos los canales están ocupados.
http://www.erlang.com/whatis.html
9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Fundamento teórico y realización
• La probabilidad de pérdida en un sistema
que tiene que servir una intensidad de tráfico Ad (Erlangs) demandado con N radiocanales
es p=B(Ad ,N) fórmula Erlang B
N
En la Erlang se asume que la llegada de llamadas es aleatoria (Poisson)
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9.58
http://www.erlang.com/whatis.html
9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Fundamento teórico y realización Régimen de llamadas en espera (PMR): Erlang-C • Se supone un conjunto de usuarios que solicitan aleatoriamente los servicios de N canales de radio con un promedio dado de llegada de solicitudes de llamada. • GOS: Las llamadas se pierden con una probabilidad p si se supera un tiempo de espera W0. • La probabilidad de pérdida ó GOS:
Si el tiempo de espera máximo es igual a la duración de la llamada (habitual)
p = GOS ( N , A) = P (W > W0 )
El tiempo medio de espera, Ŵ:
W0 = H
= C ( N , A) ⋅ e − ( N − A ) C(N,A): Distrib. Erlang-C
H Wˆ = C ( N , A) N−A
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9.59
http://www.erlang.com/whatis.html
9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Fundamento teórico y realización Trunking o concentración de enlaces: • La idea del trunking es poder compartir todos los canales entre todos los usuarios. • El tráfico que se puede ofertar es mayor
El sistema es más eficiente Pero más complejo: hay que controlar la asignación de canales
• Ejemplo: se propone un ejemplo sencillo para un régimen de llamadas en pérdida
Una estación base da servicio a una zona con 3 canales y puede: 9 A) Asignar los 3 canales a toda la superficie con truncking. 9 B) Asignar 1 canal de forma rígida a cada tercio de la superficie.
La intensidad de tráfico A (Erlangs) que se puede ofertar en 9 A) es Ao,A=B-1(p,N)
3 A
1
1 1
B
9 B) es Ao,B= N·B-1(p,1) < Ao,A
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9.60
Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación Tema 9 Comunicaciones Móviles Parte III: Sistemas Celulares: sistemas celulares en FDMA
Juan José Murillo Fuentes ATSC. ETSI.Univ Sevilla
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9.61
Parte II: Sistemas de Telefonía Móvil Automática (TMA) 9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular • Introducción • Concepto de celda ó célula • Reutilización de frecuencia en sistemas FDMA • Geometría celular: distancia de reutilización • Distancia de reutilización y relación de protección • Dimensionamiento de tráfico y del sistema • Otros:
Sectorización Asignación dinámica de frecuencias Tilt
• Generalidades
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¿En qué consiste un sistema celular? ¿Cómo se dimensiona una sistema celular?
9.62
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular Los sistemas de telefonía móvil automática TMA ó PLMN son auténticas redes de telefonía • PLMN (Public Land Mobile Network) Con sus centrales de conmutación propias • MSC Mobile Switching Centers, ó MTSO Mobile Telephone Switching Office Se persigue • Calidad telefónica similar o superior. • Conmutación automática • Gran capacidad de abonados • Capacidad de expansión PSTN • Coste razonable • Eficiencia en espectro Mobile Los sistemas celulares Telephone Switching Office • Dan respuesta a este problema MTSO • Actualmente se utilizan también en PMR-PAMR
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9.63
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Una celda (o célula) Mobile Terminal (MT) = Mobile Units (MU) = Mobile Systems (MS) • ≈ Mobile Hosts (MH) ≈ Mobile Equipment (ME). MSC: Mobile Switching Centers = MTSO: Mobile Telephone Switching Office BS (Base Station) MSC (MTSO)
BS MS MS
Componentes Radio
Cell
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9.64
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Una célula Forma circular frente a formas triangular, cuadragular, hexagonal Cada radiocanal entre la BS y el MT se divide en • Enlace Descendente = down-link, DL =forward link (US) BS a MT up-link • Enlace Ascendente = up-link, UL = reverse link (US) down link MT a BS El sistema es un conjunto de células
MSC
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PSTN
9.65
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Sistemas Celulares El problema central en la capa radio de los sistemas TMA es conseguir Una amplia cobertura Gran capacidad de tráfico
Número limitado de frecuencias
Con Si a una sistema TMA (operadora) se le asigna un rango del espectro, y es FDMA • ¿Cómo se puede dar cobertura a todo un país? Interferencia múltiple cocanal controlada Distancia de reutilización
Sistemas FDMA Reutilización de frecuencias
Sistema celular
Nota: La planificación celular que se verá aquí es para FDMA
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9.66
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Sistemas Celulares, agrupaciones (racimos, clusters) Los sistemas celulares (FDMA) se basan en • Tener J tipos de célula • Cada tipo de célula tiene asignado un juego de frecuencias diferente • El conjunto de J células diferentes se agrupa: agrupación (o cluster) 1-cell cluster
3-cell cluster
4-cell cluster 12-cell cluster
7-cell cluster La zona de cobertura de este racimo o cluster se denomina “footprint”
• El racimo o cluster se repite sistemáticamente (enlosado) para conseguir el mapa de cobertura deseado.
Se repiten las frecuencias: reutilización de frecuencias
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9.67
Planificación de frecuencia en FDMA Estructura con J = 7 (Patrón de reutilización 7)
f7 f6
f2
f7
f1
f6
f5
f1
f4 f2
f5 f7
f6
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f2
f3
f3 f4
f2
9.68
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Sistemas Celulares FDMA, agrupaciones: frecuencias Así: • Un operadora dispone de un ancho de banda para dar cobertura a una zona en un país.
La operadora dispone de C canales
• La zona se divide en Q agrupaciones.
Cada agrupación hace uso de C canales
• Cada agrupación se divide en J células
Cada célula tiene asignados, en general, N=C/J canales disponibles
ÎLas
veces que se repiten las N frecuencias en el mapa de cobertura total no es más que el número de agrupaciones Q = el índice de reutilización ÎEl número de canales total es Q ·J · N Si se reserva 1 canal para
Ahora bien
control en cada célula: Q ·J · (N-1)
¿cuántas células hay?¿J? Relación de protección
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¿qué superficie cubren?¿Q? Tráfico 9.69
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: parámetros relevantes de geometría celular 2 7
2
3 1
6
7
4
1
5
6
Sr 1 ⎛ D ⎞ J≡ = ⎜ ⎟ Sc 3 ⎝ R ⎠
2
2
3 4 5 R
D7
3 1
6
4 5
D = distancia de reutilización entre celúlas que utilizan mismas frecuencias R = Radio de la Célula J = patrón de reutilización (el tamaño del racimo (cluster)). Ejemplo: para un racimo de 7 celdas con radio R = 3km, la distancia de reutilización de frecuencia es D = 13.74 km.
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9.70
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Geometría celular Geometría celular Área de un rombo de lado D:
D2 3 Sr = 2 Área de un hexágono de radio R:
d2 3 R2 3 3 Sc = = 2 2 Relación entre estas áreas:
2
Sr D 2 1 ⎛ D ⎞ = = ⎜ ⎟ ≡J 2 Sc R 3 3 ⎝ R ⎠
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Zona Romboidal: “Rombo cocanal”
D
D d R 9.71
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: números rómbicos
(i·d, j·d)
i = v / d = v /( R 3) j = u / d = u /( R 3)
i za ció n
• Sistema de ejes:
eu til
v
er
α=π/3 u (i·d,0)
D, d
ist an
cia d
(0, j·d)
D 2 (i, j ) = d 2 (i 2 + j 2 + 2 ⋅ i ⋅ j ⋅ cos(α )) D 2 (i, j ) = d 2 (i 2 + j 2 + i ⋅ j )
(0,0) R
d
d=R 3
D2
2
1⎛ D ⎞ = ⎜ ⎟ = i2 + j2 + i ⋅ j d 2 3⎝ R ⎠
=J
En la figura, i=3, j=2, J=19
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9.72
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: número rómbicos IMPORTANTE: sólo son posibles, para células hexagonales, algunos números de células por racimo, J. ¿CUÁLES? • Aquellos que cumplen con
i 2 + j 2 + i ⋅ j = J , i, j enteros • Ejemplos para i,j 0, 1 1, 1 1, 2 3, 0 4,-2 4,-1 4, 0
J=1 J =3 J= 7 J=9 J=12 J=13 J=16,...
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Números Rómbicos
Una lista completa ordenada: J= 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, 25, 27, 28, 31, 36, ... J=1 y 2 no tienen sentido. No hay reutilización.
9.73
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Geometría de racimos-agrupaciones-clusters Ejemplos de agrupaciones i=1 j=1 J=3
i=2 j=2 J=12
i=1 j=2 J=7
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9.74
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Celda cocanal: Reutilización de frecuencias Para calcular dónde existe una celda con igual juego de frecuencias • Muévase i celdas a lo largo de cualquier cadena de hexágonos. • Gire 60º en el sentido contrario a las agujas del reloj y muévase j celdas. Ejemplo: • N=19: i=3, j=2;
Hexágonos de igual radio: un racimo o agrupación está rodeada de otros 6: •Existen 6 celdas cocanales •Donde se reutilizan las frecuencias
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9.75
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Calculo de J: interferencia de una celda La solución en sistemas celulares es reutilizar las frecuencias • Se admite una interferencia • Que tiene que estar controlada ¿Cómo controlarla? Se calcula la potencia útil e interferente que llega a un punto de la celda Se impone que esté por encima de la relación de protección
pt c = pr = k ⋅ dc n
dc
i =
pt k ⋅ di n
di
Veamos cuánto vale cada parámetro
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9.76
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Calculo de J: interferencia de una celda La señal recibida en un sistema celular
pt c = pr = k ⋅dn
donde • d es la distancia desde el transmisor (BS) al punto de la celda donde se mide la potencia, • k es una constante y • n es otra constante (path loss slope) que depende de la propagación. En Celdas urbanas n=2.7 a 5 En el peor caso en el que el móvil se sitúa en el borde de una celda d=R, y otra celda a una distancia D transmite a la misma frecuencia y potencia:
pt c= n , kR
R cell 1
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(
(D − R)n c D = = −1 n i R R
pt i = k (D − R)n MS
)
n
D cell 2
9.77
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Calculo de J: interferencia de racimos adyacentes La relación entre la potencia recibida en el borde de una celda
c=
pt
k ⋅ Rn
y la potencia interferente recibida en el borde de esa misma celda, 6ic = n
c 1 ( D − R) 1⎛D ⎞ ⎛c⎞ = = = ⎜ ⎟ ⎜ − 1⎟ n 6⎝ R ⎠ ⎝ i ⎠tot 6 ⋅ ic 6 R 1⎛ D ⎞ J= ⎜ ⎟ 3⎝ R ⎠
6 pt
k ⋅ ( D − R) n
n
Siempre hay 6 racimos rodeando el de interés
2
Se asume esta distancia Para todos interferentes
1⎡ c ⎢ J = 1+ 6⋅ 3 ⎢⎣ i
1 / n ⎤2
( () ) tot
Como ha de cumplirse (c/i)tot
(
1⎡ c ⎥ = {D − R ≈ D } = ⎢ 6 ⋅ ⎥⎦ 3 ⎢⎣ i
1 / n ⎤2
( () ) tot
⎥ ⎥⎦
≥ rp (relación de protección)
1 J ≥ 1 + (6 ⋅ rp )1 / n 3
)
2
Límite inferior Sólo depende de rp!!
Y además J debe ser un número rómbico
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9.78
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Tráfico ofrecido y demandado en una celda ¿Número de móviles en una célula a los que se puede dar servicio con una probabilidad de congestión p (también conocido como grado de servicio GOS) en un sistema celular de J células por agrupación al que se asigna un espectro W divido en bandas de Δf ? • La oferta El número de canales en el sistema El número de canales en una celda El número de canales de tráfico Se ofrece un tráfico, para p, de
• La demanda
El tráfico ofrecido por M móviles
C = W / Δf N =C/J N − 1−1
Ao = B ( p, N − 1)
Ad = M ⋅ a = M ⋅ H ⋅ L(Erlang )
• Se iguala Oferta=Demanda→ A=Ao=Ad y se obtiene:
M A M = ⇒ Sc = a ρ m (móviles / km 2 )
Número de móviles en una celda
O también, en función del “Tráfico admisible”:
ρa =
[email protected]
Ao A (Erlang / km 2 ) = ρm ⋅ a ⇒ Sc = o Sc ρa 9.79
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Dimensionamiento en sistema Conociendo la superficie total S a cubrir y calculados m y Sc se dimensiona • Superficie de una agrupación
Sr = J ⋅ Sc
• Número de agrupaciones
Q = índice de reutilización
• El número de móviles servidos • También:
S Q = ⎣S / S r ⎦ + 1 ≈ J ⋅ Sc
M Total = Q ⋅ J ⋅ M
La oferta total de canales de tráfico en el sistema (superficie S)
Q ⋅ J ⋅ ( N − 1) ≈
S ⋅C J ⋅ Sc
9A menor área de celda »Con los mismos canales: podría servir a una mayor densidad de móviles »La oferta total en S crece: tengo mayor número de canales en el sistema
[email protected]
9.80
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: sistema celular: resumen dimensionamiento Paso 1: La relación de protección te da el número mínimo de celdas, el número rómbico más cercano proporciona el mínimo posible J
(
1/ n 1 J ≥ 1 + ( 6 ⋅ rp ) 3
)
2
Analógico: C/I=17 dB, n=3,8 Æ J=7 Digital: C/I=9 dB, n=3,8 Æ J=3
• Se obtiene el número N de canales por celda Paso 2: Igualar la oferta de tráfico que proporciona la célula a la demanda de tráfico que cursan los abonados al sistema
• Con ello se obtiene
Ao = B −1 ( p, N − 1) Ad = M ⋅ H ⋅ L
El área o radio de la celda El índice de reutilización Q
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9.81
9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Otros aspectos: división celular La retícula básica es un instrumento, en la realidad es difícil establecer el límite entre dos celdas En la práctica habrá celdas (ó células) (zona urbana) que tengan mucho más tráfico que otras (zona rural). Se hace necesario subdividir algunas celdas en otras: El mapa de celdas no es homogéneo Generalmente se va dividiendo el radio de la celda en 2: • La superficie se divide por cuatro • Se incrementa la capacidad de tráfico en un factor ≈ 4 • Mayor precisión de las BS • Aumenta el tránsito entre celdas (llamada), aumenta tráfico de señalización • Aumentan los costes Microceldas ( Rp Características de potencia y radiación: C/N > C/Nmin
Aparte • Arquitectura de red: Número, tipo y localización de elementos de control y conmutación y de radiación. • Tipos y formatos de mensajes: voz, datos, radiobúsqueda, llamada selectiva. • Tipo de control:
grado de centralización, canales/mensajes de control, identificación/autentificación, encaminamiento, conexión PABX.
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9.149
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Campo El “valor de proyecto de la intensidad de campo” en Com. Móv. es aquel valor mediano del campo que • Asegura una determinada calidad en recepción
Para una cobertura perimetral (L%) Durante un porcentaje de tiempo (T%)
Campo mediano necesario en sistemas analógicos limitados por ruido
E n = Em + Δ r E + Δ e E • Em: campo mínimo utilizable • ΔEr: corrección por ruido/multitrayecto • Δ Ee: corrección estadística por emplazamiento y tiempo
Campo mediano necesario en sistemas digitales limitados por ruido • Puede obtenerse también a partir de curvas de BER • Es frecuente trabajar con potencia de recepción en lugar de campo:
ecuación de balance
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9.150
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos: Campo Mínimo Utilizable Campo mínimo utilizable Em para una sensibilidad del Rx, S Rd − Gd* (dBd ) − 33,6 Em (dBμ ) = S (dBμ ) + 20 log f ( MHz ) + 10 log Ro • Si Rd=73,2 Ω, Resistencia de radiación Ro: Resist. entrada del Rx. (Móviles, 50 Ω), queda Em ( dBμ ) = S (dBμ ) + 20 log f ( MHz ) − Gd* ( dBd ) − 32
Gd*=Gd-α·l-L, ganancia de potencia - pérdidas en alimentación - pérdidas adicionales
Las pérdidas adicionales • Para estaciones base L=0. • Para estaciones móviles, depende
tipo de antena, frecuencia y posición respecto a usuario
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Tabla 7.14.1
9.151
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos : Corrección por ruido/multitrayecto del campo ΔrE
Efectos • Propagación multitrayecto →Cuando vehículo se desplaza • Ruido artificial. (Ruido encendido de coches)
Efecto con vehículo estacionado
Vehículo en marcha lenta o detenido • Degradación mayor que con el vehículo en marcha
Debido a la menor separación entre vehículos
Degradación: incremento necesario de señal a la entrada • para reestablecer un grado de calidad impuesto únicamente por el Rx. Nota Efecto de la perturbación 5 Casi nulo 4 Perceptible 3 Molesto 2 Muy Molesto 1 Apenas puede percibirse la palabra
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9.152
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos: Corrección por ruido/multitrayecto del campo ΔrE, BS Recepción en BS
B C
D E
Vehículo en Movimiento. Densidad de tráfico, 2 vehículos/seg Vehículo en Movimiento. Densidad de tráfico, 1 vehículos/seg Vehículo en Movimiento. No hay ruido de encendido ni ruido ambiental Vehículo parado. Densidad de tráfico, 2 vehículos/seg Vehículo parado. Densidad de tráfico, 1 vehículos/seg
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ΔrE
A
Nota de calidad: 4
9.153
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos: Corrección por ruido/multitrayecto del campo ΔrE, MS Recepción en MS
B C
Vehículo parado en zona de mucho ruido Vehículo en Movimiento en una zona de mucho ruido Vehículo en movimiento en una zona de poco ruido
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ΔrE
A
Nota de calidad: 4
9.154
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos : Corrección estadística del campo ΔeE
Las variaciones con las ubicaciones y el tiempo se modelan mediante una distribución normal de los valores del campo en dB
{
Δ e E = [k ( L )σ L ] + [k (T )σ T ] 2
}
2 12
• Donde
σL y σT son las desviaciones típicas de la variabilidad del campo con los emplazamientos L (Perimetral) y el tiempo T −x 1 −y 2 e dy k(P) es la función inversa de una distribución de gauss G(x) G (x ) = ∫
(
k (P ) = G −1 1 −
Banda VHF (150 MHz) UHF (Δh=50 m) (450 MHz)
σ L (dB)
σT (dB)
(hasta d=50 Km)
5.6
3
8.0
2
[email protected]
P (% ) 50 75 90 95
P 100
)
−∞
2π
k (P ) 0 0 ,6 7 1 ,2 8 1 ,6 4 9.155
Nota sobre corrección (I) El campo recibido es una v.a. log normal P(E ) log N (En , σ) Si el campo mediano necesario es E n = Em + Δ r E
• ¿En qué % por ciento del tiempo y ubicaciones habrá un E > En ?
P(E )
Nivel necesario
σ
Pb de E > En
En
E (dBμ)
Si estudiamos por ejemplo la desviación con el tiempo y conocemos σT • Qué nivel E n exigiríamos para que E > En en el T %
Pensar si T>50 ¿ la nueva E n será mayor o menor que antes (T=50%)? ¿cuánto?
[email protected]
9.156
Nota sobre corrección (II) Si se transmite con ΔeE de más sobre Emin ¿En qué % se cumple ∞
P = P (E > Emin ) =
∫
∞
N (E )dE =
E min
⎧ Eσ = E / σ ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ = ⎨dEσ = dE / σ ⎬= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ Δ = − E E E ⎪ min n⎪ ⎪ e ⎪ ⎩ ⎭
∫ E min
∞
1
∫
−Δe E / σ
2π
2
1 2πσ
( E −En )
e
−
2
σ2
e−Eσ dEσ =1 −
∞
1
∫
dE =
2πσ
E min −En −Δe E / σ
∫
−∞
1 2π
e
−
P (E > Emin )
?
E2 σ 2 dE
2
e −Eσ dEσ = 1 − G (Δe E / σ)
⎛ P ⎞⎟ ⎟ P = P (E > Emin ) = { k (P ) Δe E / σ } = 1 − G (k (P )) ⇒ k (P ) = G −1 ⎜⎜ 1 − ⎟ ⎜⎝ ⎟ 100 ⎠
Para una σ ≠ 0 y P dadas ⇒ Δe E = σ ⋅ k (P ) P(E )
Nivel necesario
Pb de recibir señal mayor que Emin Para potencia sería igual!
ΔeE
Emin
[email protected]
En = Emin + Δe E
E (dBμ)
9.157
9.13 Proyectos de sistemas del Servicio Móvil Cobertura Zonal y Perimetral Para pasar de cobertura perimetral L (%) a zonal Z (%) supuesta una variación de las pérdidas básicas de propagación de la forma
lb (d ) = k ⋅ d n • se puede utilizar la siguiente expresión
⎛ 2xy + 1 ⎞⎟ 1 ⎞⎟ ⎛ ⎜ ⎜ Z = L + 50 exp ⎜ erfc ⎜ x + ⎟⎟ ⎜⎝ y 2 ⎠⎟⎟ ⎝ y⎠ • Donde
• Nota:
k (L) x = 2 n y = 3, 071 σL
erfc(z ) =
2
∞
∫ π
2
e−t dt
L%
Z%
z
[email protected]
9.158
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Digitales: campo mediano necesario Suele trabajarse en términos de potencia recibida más que en intensidad de campo. En término de la Intensidad de campo s 2 / Ro Eb Eb 1/Tb c w = = ⋅ = = N0 kTfs 1/Tb kTfs ⋅ vb kTfs ⋅ vb
s 2 = w ⋅ kTfs ⋅ Ro ⋅ vb
• Para Ro = 50 Ω -174dBm+-10*log10(1e3)+10*log10(50)+20*log10(1e6)=-67
dBm a dBW Y
dB a dBμ
S (dBμ) = W (dB) + 10 log10 Vb (bit/s) + Fs (dB) − 67
• Nótese que las figuras de Eb/No incluyen ya las correcciones por ruidomultitrayecto, por lo que se aplica directamente
E n (dBμ ) = Em (dBμ ) + Δ e E = S (dBμ ) + 20 log f ( MHz ) − Gd* (dB ) − 32 + Δ e E
[email protected]
9.159
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Digitales: potencia mínima necesaria En términos de potencia quedaría • La sensibilidad
Cm (dBm) = W (dB) + 10 log10 Vb (bit/s) + Fs (dB) − 174 • La potencia mínima necesaria
Cn (dBm) = Cm (dBm) + ΔCe = W (dB) + 10 log10 Vb (bit/s) + Fs (dB) − 174 + ΔEe
Donde se ha utilizado
ΔCe = ΔEe
Y la W=Eb/N0 incluye el efecto del ruido-multitrayecto
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9.160
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Cálculos de Cobertura La cobertura depende de • los equipos: configurables • las condiciones de propagación. Dos vertientes • Cálculo de una cobertura para una configuración dada • Cálculo de una configuración para alcanzar una cobertura Los valores de campo que se utilizan son valores medianos en sentido estadístico En los sistemas celulares tenemos además del ruido la interferencia. • Una opción a la hora del diseño es dividir el objetivo global de calidad entre Ruido C/N •cálculo de cobertura=potencia •cálculo de la distancia de reutilización Interferencia C/I
¿Dónde no hay cobertura?¿En qué % de emplazamientos C/I o C/N no se cumplen?
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9.161
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Cálculo de cobertura=potencia 1. Selección de emplazamientos 2. Análisis general del tipo de zona: urbana, rural, mixta •
Para aplicar el modelo de predicción adecuado
3. Calculo qué potencia/campo necesito en el Rx 4. Calculo las pérdidas (pérdida “compensable”) que tengo en la propagación •
A) Métodos empíricos ó B) Modelos más rigurosos (trazado rayo)
Tema 7 5. Despejo la potencia necesaria en Tx para alcanzar sensibilidad o campo en Rx Lb(d) • En sistemas analógicos: PMR y TMA analógicos: En PRA Lb(d) PIRE • En sistemas TMA digitales: S Nota: también es posible estimar d a partir de PRA/PIRE y En/S
Problemas Tema 7
[email protected]
9.162
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso1, Emplazamientos Ø Plan nominal para una ciudad: Ø Plan teórico: sites cada 500 m colocados regularmente
[email protected]
9.163
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso1, Emplazamientos Ø Retocar el plan: acercar los sites a las calles ppales o edificios importantes
[email protected]
9.164
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso1, Emplazamientos Ø
Resultado: la altura de edificios no es homogénea, no siempre se puede contratar donde se desea...
[email protected]
9.165
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso2, Clasificación Zonas
Ø clutters
[email protected]
9.166
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso 4: Pérdida compensable (I) A) Aplico método empírico: figuras o fórmulas
• No se requiere perfil del terreno •A veces se incluyen datos acerca de
la ondulación del terreno la altura efectiva de las antenas,..
•Dispersión media del error 10-12 dB •Si se utiliza Método Okumura (Fig 3.57 3.58), para obtener
Ec(d):
Ec (d ) = E n − PRA(dBK ) Se despeja directamente la potencia necesaria
•Tal como se vió en Tema 7, se puede
calcular la distancia para un campo dado o ver que campo tengo para una distancia dada
[email protected]
9.167
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso 4: Pérdida compensable (II) B) Modelo riguroso: Trazado de rayos radiales (separados 1º)
•Complicado pero sólo 3-6 dB de dispersión 900
[email protected]
1800
9.168
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso 4: Pérdida compensable (III) B) Modelo riguroso (píxeles): modelos urbanos
[email protected]
9.169
[email protected]
9.170
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: cobertura=potencia: Paso 5 potencia entregada Despejo la potencia necesaria en Tx. • En sistemas analógicos: PMR y TMA analógicos
En
Lb(d)
PRA
Lb (d ) = 109.4 + PRA(dBW ) + 20 log10 f (MHz) − E n (dBμ )
PRA = Pet (dBW) − Ltt − Lat + Gt (dBd )
• En sistemas TMA digitales
S
Lb(d)
PIRE
Lb (d ) = PIRE − S + Gr (dBi ) − Ltr − Lar PIRE = Pet (dBW) − Ltt − Lat + Gt (dBi) Nota: Aquí S=Cmin
[email protected]
9.171
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Cálculo de cobertura=distancia de reutilización Necesarios dos datos de partida • Valor umbral de la relación de protección Rpth(dB) • Calidad de cobertura perimetral L(%)
Relación de protección y Distancia de reutilización
pt / k ⋅ R n c ( D − R) n 1/ n rpth = = = ⇒ D = R ⋅ [1 + (6rpth ) ] n n 6 ⋅ i 6 pt / k ⋅ ( D − R ) 6R En sentido estadístico • Hay que asegurar un valor en un tanto por ciento de las ubicaciones, con lo que se utiliza para la relación de protección
R p (dB) = R pth + k ( L) ⋅ σ L'
σ L' =
2 ⋅σ L
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1/ n
D = R ⋅ [1 + (6r p )
] 9.172
9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: DANGER
Un transceptor (TRX) es un equipo que permite transmitir y recibir un par de portadoras. • En GSM permitiría tener 8 canales de usuario: 8 slots en el UL y 8 en el DL “Una operadora de GSM con 36 canales” tiene 36 pares de portadoras de 200 KHz disponibles a repartir entre las celdas de una agrupación. Cuando se reparten portadoras (TRXs) entre celdas se hace de forma entera • De forma que en GSM se reparten bloques completos de 8 slots entre celdas Cuando hay sectorización cada sector es una nueva celda=BTS. • Un conjunto de celdas sectorizadas que transmiten desde el mismo poste es un emplazamiento Si no se indica lo contrario se asigna un canal de señalización por celda • Esto es, un canal de usuario (1 slot) Ejemplo: Una operadora tiene 60 canales, un patrón de reutilización 3/9, y sectorización de 120º. ¿Cuántos canales de usuario hay para tráfico por celda? Sol: ⎢⎣ 60 / 9 ⎥⎦ ⋅ 8 − 1 = 47 y hay 6 TRXs por celda
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Tema 9. Sistemas Comunicaciones Móviles Parte VI: Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles :
DCS1800, DECT, ERMES, TETRA, UMTS
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9.174
Parte V: Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles 9.14 Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles •DCS1800 •DECT •ERMES •TETRA •UMTS
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9.13 Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles Se propone introducir los sistemas •DCS1800: Digital Cellular Systems
Sistema GSM en 1800 (Dual) Terminales Potencias reducidas (0.25 y 1 W) Banda 1710-1785 y 1805-1880 MHz
PCN (Personal Comm. Networks)
•DECT : acceso a redes públicas o privadas fijas desde equipos móviles •TFTS: comunicaciones públicas con aeronaves en vuelo •TETRA:Telefonía Privada (PMR) •ERMES: European Radio Messagerie System, Sistema de Mensajería: envio de mensajes, datos ofreciendo gran seguridad y capacidad de almacenamiento y recuperación.... •UMTS: Sistema PCS/TMA de 3ª Generación
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9.13 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: DECT DECT Digital (European) Enhanced Cordless Telecommunications (19871992) • Sistema de acceso a la red telefónica pública y/o redes privadas desde equipos portátiles • Alcance
