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September 30, 2017 | Author: ragr2005 | Category: Gsm, Mobile Telephony, 3 G, Code Division Multiple Access, Mobile Telecommunications
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Radiación y Radiocomunicación 4º Ingeniería de Telecomunicación

29 de abril de 2008

Juan José Murillo Fuentes DTSC. ETSI. Univ Sevilla murillo[email protected]

http://web.mit.edu/newsoffice/2005/cellphones.html COURTESY: SENSEable City Laboratory

Tema 9. SISTEMAS DE RADIOCOMUNICACIONES MOVILES

9.1

Bibliografía ƒ Bibliografía básica: • Estas transparencias están basadas en el capítulo 7 del libro “Transmisión por radio” del prof. Hernándo Rábanos, ed. Ramón Areces 2003. ƒ Bibliografía adicional: • Generales: ƒ

ƒ

“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: ƒ

“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.

[email protected]

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 [email protected]

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 [email protected]

9.4

Parte I: Introducción y Sistemas PMR ƒ 9.1 Introducción ƒ 9.2 Composición de un sistema y cobertura ƒ 9.3 Clasificación ƒ 9.4 Frecuencias, acceso múltiple y modos de explotación ƒ 9.5 Caracterización del Canal ƒ 9.6 Calidad: cobertura ƒ 9.7 Sistemas de concentración de enlaces

[email protected]

9.5

9.1 Introducción ƒ Sistemas inalámbricos: movilidad ƒ Cobertura Zonal: variación continua del trayecto de propagación ƒ Sistemas • Gran ubicuidad • Gran versatilidad: rápida instalación,... • Gran flexibilidad: fácil reconfiguración,... ƒ Definición (Reglamento de Radiocomunicaciones): • “un servicio de radiocomunicaciones entre estaciones móviles y estaciones terrestres fijas, o entre estaciones móviles únicamente”. ƒ Tipos de servicios móviles: • Servicio móvil terrestre: Despacho, Gestión de flotas de vehículos, policía, ambulancias, bomberos, radiotaxi, … • Servicio móvil marítimo. • Servicio móvil aeronáutico. [email protected]

9.6

9.1 Introducción: Wireless ƒ 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 [email protected]

9.7

9.1 Introducción: sistemas móviles privados ƒ Radiotelefonía privada (PMR, Private Mobile Radio): • No está conectada a la red pública. • Sistemas: Analógicos, MPTXXXX, TETRA, … • Cobertura local • Redes móviles tradicionales: ƒ

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 ƒ

Truncking = sistemas troncales ⊂ Multiacceso basado en sistemas compartición de frecuencias = sistemas de concentración de enlaces: 9 señalización digital 9 espera en cola

ƒ 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 ƒ

Por ejemplo: en España licencias para TETRA

[email protected]

9.8

9.1 Introducción: Sistemas móviles públicos ƒ 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 ƒ ƒ

Fiabilidad-Disponibilidad Calidad (fidelidad)

• Sistemas digitales: ƒ ƒ

Multiplexación, TDMA, CDMA. Banda ancha y estrecha

• Otros Servicios como ƒ ƒ ƒ

Transmisión de Datos: GPRS, UMTS Mensajería unidireccional (SMS) Radiobúsqueda-localización (Ej, GALILEO+UMTS)

[email protected]

9.9

9.1 Introducción: WLAN ƒ Dentro de los sistemas de comunicaciones móviles cabe al menos introducir los Sistemas “indoor”: • Sistemas restringidos a ƒ ƒ ƒ

Fábricas o naves industriales Oficinas Hogar

• Servicios de ƒ ƒ

ƒ

Voz Datos: redes WLAN (Wireless LAN) 9 Blootooth, HIPERLAN, WiFi... Telecontrol (domótica)

[email protected]

9.10

9.1 Introducción: Primera Generación ƒ 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: ƒ

ƒ

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

[email protected]

9.11

9.1 Introducción: Segunda Generación ƒ Las principales características son • Digital • Conmutación de circuitos • Voz y datos básicos ƒ ƒ ƒ

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)

ƒ En UK Cellnet, Vodafone, Orange, One–2–One ƒ En España Vodafone, Movistar, Amena

[email protected]

9.12

9.1 Introducción: Tercera Generación ƒ 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),… ƒ España: Operadores existentes y nuevos: amena, vodafone, movistar, xfera

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

2000

2005

2010

Years

9.17

9.1 Introducción. Penetración en España

[email protected]

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

[email protected]

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

9.20

9.1 Introducción: GSM en USA

[email protected]

9.21

9.2 Composición de un sistema de comunicaciones móviles

ƒ Elementos: Subsistema de Red / Subsistema de Acceso • Estaciones fijas (FS)

Estación Base (BS, Base Station): BTS en GSM, Nodo B en UMTS,… ƒ Estación de Control (CS) ƒ Estación Repetidora (RS) (túnel, valle,...) BS • Estaciones móviles (MS)=Equipos de usuarios ƒ

ƒ ƒ

Estación móvil montada en vehículos Equipos portátiles/móviles

• Elementos de control ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

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

[email protected]

9.22

9.2 Composición de un sistema de comunicaciones móviles: Ejemplos ƒ Ejemplo de BS (BTS en GSM) Antenas de panel: •dipolos, •2 polarizaciones •3 sectores ƒ Ejemplo de Terminales Enlaces a otras BTS o a Estación de control Cables de alimentación Casetilla con Equipos

[email protected]

9.23

9.3 Clasificación de sistemas móviles ƒ

Por la Banda de Frecuencias • Bandas VHF (30-300MHz) ƒ

Bandas III (162-230MHz)

• Bandas UHF (300-3GHz) ƒ

ƒ

Por el tipo de acceso múltiple en el sentido móvil a estación base • • • •

ƒ

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

ƒ

Por el tipo de enlace • Bidireccional: Radiotelefonía • Unidireccional: Radiomensajería (SMS y otros)

ƒ

Por el tipo de red • PMR • PAMR • PLMN (ó TMA, telefonía móvil automática)

[email protected]

9.24

9.4 Bandas de frecuencia ƒ 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

ƒ Estas bandas se caracterizan por • Emplearse en zonas rurales o urbanas • Ganancia y Tamaño antenas • Alcances típicos... ƒ 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”,...

[email protected]

9.25

9.4 Canalizaciones ƒ Sistemas Privados: • Analógicos FM: ƒ ƒ

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: ƒ

Dependen del sistema 9 TETRA: canalización de 12.5 KHz con 4 canales TDM-TDMA » Modulación π/4-DPSK

ƒ Sistemas Públicos • Dependen del sistema ƒ

ƒ

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)

[email protected]

9.26

9.4 Modos de explotación ƒ Símplex: Una sola frecuencia • Todos los equipos oyen (tonos) Tx Rx

• Ventaja: Ayuda Mutua ƒ

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: ƒ

ƒ

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:

[email protected]

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 ƒ 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: ƒ ƒ

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 ƒ Semidúplex: • La base retransmite en f1 hacia los móviles (TT, talk-trough) lo que recibe por f2 ƒ ƒ ƒ

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

ƒ Dúplex: radiocanal, PLMN • Elevado coste para PMR (DX y frecuencias) Tx Rx

[email protected]

D U X

f1 f2

D U X

Tx Rx

9.30

9.5 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Caracterización del canal ƒLas 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 ƒ

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-).

ƒSi 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.

[email protected]

9.31

9.5 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Caracterización del canal ƒ El cálculo de la cobertura es complicado ƒ 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 ƒ

Se utiliza mucho el método ITU-R P.1546 (antes 370)

ƒO mediante software • El software libre para cálculo de propagación es prácticamente inexistente ƒ

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,…

[email protected]

9.32

9.6 Calidad I: Cobertura ƒ 1) Grado de movilidad: Cobertura: Calidad de cobertura • Alcance ƒ ƒ

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: ƒ ƒ

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: ƒ ƒ

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 ƒ ƒ

Zonal Perimetral

[email protected]

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 [email protected]

9.34

9.6 Calidad II: Otros ƒ2) Disponibilidad de recursos ó Calidad de tráfico • La probabilidad de poder establecer la llamada por falta de recursos ƒ

probabilidad de congestión ó GOS (grade of service): p

ƒ3) Fiabilidad de la conexión • La probabilidad de perder una llamada en curso (caída) ƒ4) Seguridad: autenticación y cifrado ƒ5) Calidad de fidelidad de señal (fonía) • Sistemas analógicos ƒ

Criterios objetivos 9Inteligibilidad: función del Indice de Nitidez (IN) 9 SINAD =

ƒ

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)

[email protected]

9.35

9.6 Calidad II: Otros ƒ3) Calidad de fidelidad de señal (continuación) • Sistemas digitales Criterios objetivos 9BER: depende del codificador 9BER irreducible ƒ Criterios subjetivos: 9Notas de Opinión → Nota Media de Opinión (Mean Opinion Score, MOS) ƒ

[email protected]

9.36

9.6 Calidad II: Otros ƒBER irreducible • A: mediciones en laboratorio, sin desvanecimiento • B: con desvanecimiento Rayleigh (plano) • C: con desvanecimiento Rayleigh y efecto Doppler ƒPor 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 [email protected]

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 ƒTx de voz y datos con diferente tasa binaria: • Integración con redes digitales ƒMétodos de cifrado ƒControl de errores ƒSeñalización digital: • Control para evitar uso fraudulento • Control de potencia ƒServicios suplementarios, Ej: SMS ƒPosibilidad de utilizar TDMA: • Simplifica circuitos RF → menor volumen y consumo terminales ƒMás robusto a interferencia cocanal • Disminuye D → mayor reutilización →mayor capacidad ƒPosibilidad de utilizar tecnología digital: • Codificador de voz 13 y 6.5Kbps • Codificador de canal [email protected]

9.39

9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Inconvenientes sistemas digitales ƒNecesidad de digitalización (fonía) ƒSon más complejos ƒSensibilidad a las perturbaciones del medio de transmisión • Medios urbanos hostiles • Efecto doppler ƒISI: limitación de ancho de banda ƒRetardo de transmisión (TDMA)

[email protected]

9.40

9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Estructura ƒEstructura del transmisor Codec Vocal Multiplexador Datos

Codificador Fuente

Codificador de canal

Formatización Acceso múltiple

Tx-RF

ƒEstructura del Receptor Codec Vocal DeMultiplex. Datos [email protected]

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

ƒAspectos más relevantes en el canal: • Diferencia entre

Canal de Usuario: comunicación digital extremo a extremo ƒ Canal RF o radiocanal: par de frecuencias portadoras ƒ

Ojo!!

• Un mismo radiocanal puede soportar varios canales de usuarios (Multiacceso)

ƒAspectos 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) ƒAspectos más relevantes en el Rx: • Es preciso, en el Rx, ƒ

Recuperar portadora y sincronismo

• Hay que desformatizar, extrayendo el canal/es de usuario del de radiofrecuencia [email protected]

9.42

9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Retrasos ƒAspectos 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 ƒ Retardo en codificador de canal ƒ Retardo en multiacceso ƒ Retardo en canal ƒ

• 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 ƒ El margen que queda es 400-270=130ms 9Se deja para la red móvil 100ms ƒ

[email protected]

9.43

9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de fuente ƒLa 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 ƒ Tasa de bits reducida ƒ Robustez de los algoritmos frente a errores de bits ƒ Limitación de la complejidad: 9Recursos computacionales 9Limitación del tiempo de procesamiento: retardo reducido 9Viabilidad de realización física. ƒ

[email protected]

9.44

9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de fuente, ejemplos ƒMinimización de Errores: Por ejemplo en las transiciones 10

11

11

10

01 00

versus

Cambio de nivel = error de 2 bits

01 00

ƒReducir tasa de transmisión: Por ejemplo atendiendo a la probabilidad • Llega 00 con Pb=0.005 asigno 1000 ƒ 01 con Pb=0.05 asigno 100 ƒ 10 con Pb=0.1, asigno 10 ƒ 11 con Pb=0.845, asigno 1 ƒ

[email protected]

9.45

9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de canal ƒLa codificación de canal • Protege la información digital (voz, datos, señalización) contra errores producidos en la transmisión ƒ

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 ƒ La BER puede ser de 10 o peor ƒ

• La codificación de canal ƒ

Se pierden ráfagas de datos ƒSe puede perder sincronización ƒ

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 ƒ Convolucional ƒ

[email protected]

9.46

9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Codificación de canal ƒLa codificación bloque • Cada paquete de k bits se corresponde unívocamente a una palabra-código de n bits ƒLa codificación convolucional • Es un sistema de estados que dependen de los bits que estén llegando ƒ

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.

ƒOuter code + Inner code = Bloque + Convolucional • Gran poder detector + corrector ƒActualmente se están empleando códigos LDPC (Low Density Parity Check) ƒEntrelazado (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 ƒTambién 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 ƒVentajas TDMA frente a SCPC/FDMA • Reducción del número de transceptores (TRXs) • Reducción en exigencia de tolerancia de frecuencia de portadoras ƒInconvenientes de TDMA • Exigencia de funcionamiento sincronizado • Tiempos de guarda • Bits de tara para sincronización de trama y señalización del canal: ƒ

Reduce el rendimiento de la trama

ƒTDMA • En el sentido ascendente • En el sentido descendente (TDM, time division multiplex); ƒ

no es de acceso sino de difusión

[email protected]

9.51

9.7 Sistemas de radiotelefonía pública celular: CDMA ƒCDMA, 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 ƒ Sistemas • Monoemplazamiento • Multiemplazamiento: ƒ ƒ

ƒ ƒ

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 ƒ ƒ

En espera En pérdidas

BS

ƒ En un sistema troncal • Se asignan canales ƒ ƒ

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

[email protected]

9.56

9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Dimensionamiento y Tráfico ƒ Objetivo del dimensionamiento: • Calcular el número de canales ƒ

Nº de canales de tráfico, N (Número de canales totales = N+1, incluyendo control)

• Para cumplir unos criterios de calidad ƒ

ƒ

ƒ

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).

ƒ 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

ƒ 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 ƒ ƒ

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) [email protected]

9.58

http://www.erlang.com/whatis.html

9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Fundamento teórico y realización ƒ 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: ƒ

Si el tiempo de espera máximo es igual a la duración de la llamada (habitual)

p = GOS ( N , A) = P (W > W0 ) ƒ

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

[email protected]

9.59

http://www.erlang.com/whatis.html

9.8 Sistemas de concentración de enlaces: Fundamento teórico y realización ƒ 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 ƒ ƒ

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 ƒ

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.

ƒ

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

[email protected]

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 [email protected]

9.61

Parte II: Sistemas de Telefonía Móvil Automática (TMA) ƒ 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: ƒ ƒ ƒ

Sectorización Asignación dinámica de frecuencias Tilt

• Generalidades

[email protected]

¿En qué consiste un sistema celular? ¿Cómo se dimensiona una sistema celular?

9.62

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular ƒLos sistemas de telefonía móvil automática TMA ó PLMN son auténticas redes de telefonía • PLMN (Public Land Mobile Network) ƒCon sus centrales de conmutación propias • MSC Mobile Switching Centers, ó MTSO Mobile Telephone Switching Office ƒSe persigue • Calidad telefónica similar o superior. • Conmutación automática • Gran capacidad de abonados • Capacidad de expansión PSTN • Coste razonable • Eficiencia en espectro Mobile ƒLos sistemas celulares Telephone Switching Office • Dan respuesta a este problema MTSO • Actualmente se utilizan también en PMR-PAMR [email protected]

9.63

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Una celda (o célula) ƒMobile Terminal (MT) = Mobile Units (MU) = Mobile Systems (MS) • ≈ Mobile Hosts (MH) ≈ Mobile Equipment (ME). ƒMSC: Mobile Switching Centers = MTSO: Mobile Telephone Switching Office ƒBS (Base Station) MSC (MTSO)

BS MS MS

Componentes Radio

Cell [email protected]

9.64

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Una célula ƒForma circular frente a formas triangular, cuadragular, hexagonal ƒCada radiocanal entre la BS y el MT se divide en • Enlace Descendente = down-link, DL =forward link (US) ƒ BS a MT up-link • Enlace Ascendente = up-link, UL = reverse link (US) down link ƒ MT a BS ƒEl sistema es un conjunto de células

MSC

[email protected]

PSTN

9.65

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Sistemas Celulares ƒEl problema central en la capa radio de los sistemas TMA es conseguir Una amplia cobertura Gran capacidad de tráfico

Número limitado de frecuencias

Con ƒSi 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

[email protected]

9.66

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Sistemas Celulares, agrupaciones (racimos, clusters) ƒLos 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 ƒ 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. ƒ

Se repiten las frecuencias: reutilización de frecuencias

[email protected]

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

[email protected]

f2

f3

f3 f4

f2

9.68

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Sistemas Celulares FDMA, agrupaciones: frecuencias ƒ Así: • Un operadora dispone de un ancho de banda para dar cobertura a una zona en un país. ƒ

La operadora dispone de C canales

• La zona se divide en Q agrupaciones. ƒ

Cada agrupación hace uso de C canales

• Cada agrupación se divide en J células ƒ

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 ƒ Si se reserva 1 canal para

ƒ Ahora bien

control en cada célula: Q ·J · (N-1)

¿cuántas células hay?¿J? Relación de protección

[email protected]

¿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. [email protected]

9.70

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Geometría celular ƒGeometría 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 ⎠

[email protected]

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 [email protected]

9.72

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: número rómbicos ƒIMPORTANTE: 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 ƒ 1, 1 ƒ 1, 2 ƒ 3, 0 ƒ 4,-2 ƒ 4,-1 ƒ 4, 0 ƒ

J=1 J =3 J= 7 J=9 J=12 J=13 J=16,...

[email protected]

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 ƒEjemplos de agrupaciones i=1 j=1 J=3

i=2 j=2 J=12

i=1 j=2 J=7

[email protected]

9.74

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Celda cocanal: Reutilización de frecuencias ƒ 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. ƒ Ejemplo: • N=19: i=3, j=2;

ƒHexágonos de igual radio: un racimo o agrupación está rodeada de otros 6: •Existen 6 celdas cocanales •Donde se reutilizan las frecuencias [email protected]

9.75

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Calculo de J: interferencia de una celda ƒLa 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 ƒ Se impone que esté por encima de la relación de protección ƒ

pt c = pr = k ⋅ dc n

dc

i =

pt k ⋅ di n

di

Veamos cuánto vale cada parámetro [email protected]

9.76

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Calculo de J: interferencia de una celda ƒLa 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 ƒEn 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

[email protected]

(

(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 ƒ 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

ƒ 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 [email protected]

9.78

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Tráfico ofrecido y demandado en una celda ƒ ¿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 ƒ El número de canales en una celda ƒ El número de canales de tráfico ƒ Se ofrece un tráfico, para p, de ƒ

• La demanda ƒ

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 )

ƒ

Número de móviles en una celda

ƒ

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 ƒ Conociendo la superficie total S a cubrir y calculados m y Sc se dimensiona • Superficie de una agrupación

Sr = J ⋅ Sc

• Número de agrupaciones ƒ

Q = índice de reutilización

• El número de móviles servidos • También: ƒ

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 ƒPaso 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 ƒPaso 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 ƒ El índice de reutilización Q [email protected] ƒ

9.81

9.9 Sistemas de radiotelefonía pública celular: Otros aspectos: división celular ƒ La retícula básica es un instrumento, en la realidad es difícil establecer el límite entre dos celdas ƒ En la práctica habrá celdas (ó células) (zona urbana) que tengan mucho más tráfico que otras (zona rural). ƒ Se hace necesario subdividir algunas celdas en otras: El mapa de celdas no es homogéneo ƒ 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 ƒ Microceldas ( Rp Características de potencia y radiación: C/N > C/Nmin

ƒ 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: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

grado de centralización, canales/mensajes de control, identificación/autentificación, encaminamiento, conexión PABX.

[email protected]

9.149

9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Campo ƒ 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 ƒ ƒ

Para una cobertura perimetral (L%) Durante un porcentaje de tiempo (T%)

ƒ 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

ƒ 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: ƒ

ecuación de balance

[email protected]

9.150

9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos: Campo Mínimo Utilizable ƒ 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 ƒRd=73,2 Ω, Resistencia de radiación ƒRo: 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

ƒ

ƒ Las pérdidas adicionales • Para estaciones base L=0. • Para estaciones móviles, depende ƒ ƒ ƒ

tipo de antena, frecuencia y posición respecto a usuario

[email protected]

Tabla 7.14.1

9.151

9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos : Corrección por ruido/multitrayecto del campo ΔrE

ƒ Efectos • Propagación multitrayecto →Cuando vehículo se desplaza • Ruido artificial. (Ruido encendido de coches) ƒ

Efecto con vehículo estacionado

ƒ Vehículo en marcha lenta o detenido • Degradación mayor que con el vehículo en marcha ƒ

Debido a la menor separación entre vehículos

ƒ 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 [email protected]

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

[email protected]

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

[email protected]

ΔrE

A

Nota de calidad: 4

9.154

9.13 Proyectos de Sistemas Móviles Analógicos : Corrección estadística del campo ΔeE

ƒ 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 ƒ

ƒ

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

)

−∞



k (P ) 0 0 ,6 7 1 ,2 8 1 ,6 4 9.155

Nota sobre corrección (I) ƒ El campo recibido es una v.a. log normal P(E )  log N (En , σ) ƒ 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)

ƒ Si estudiamos por ejemplo la desviación con el tiempo y conocemos σT • Qué nivel E n exigiríamos para que E > En en el T % ƒ

Pensar si T>50 ¿ la nueva E n será mayor o menor que antes (T=50%)? ¿cuánto?

murill[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



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 ƒ 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 ƒ Suele trabajarse en términos de potencia recibida más que en intensidad de campo. ƒ 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 ƒ 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 ƒ

Donde se ha utilizado

ΔCe = ΔEe ƒ

Y la W=Eb/N0 incluye el efecto del ruido-multitrayecto

[email protected]

9.160

9.13 Proyectos de Sistemas Móviles: Cálculos de Cobertura ƒ La cobertura depende de • los equipos: configurables • las condiciones de propagación. ƒ Dos vertientes • Cálculo de una cobertura para una configuración dada • Cálculo de una configuración para alcanzar una cobertura ƒ Los valores de campo que se utilizan son valores medianos en sentido estadístico ƒ 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 ƒRuido C/N •cálculo de cobertura=potencia •cálculo de la distancia de reutilización ƒInterferencia C/I

¿Dónde no hay cobertura?¿En qué % de emplazamientos C/I o C/N no se cumplen? [email protected]

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) ƒ A) Aplico método empírico: figuras o fórmulas

• No se requiere perfil del terreno •A veces se incluyen datos acerca de ƒ ƒ

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 ƒ ƒ

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) ƒ 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) ƒ 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 ƒ 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 ƒ Necesarios dos datos de partida • Valor umbral de la relación de protección Rpth(dB) • Calidad de cobertura perimetral L(%)

ƒ 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 ƒ 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

ƒ 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 ƒ “Una operadora de GSM con 36 canales” tiene 36 pares de portadoras de 200 KHz disponibles a repartir entre las celdas de una agrupación. ƒ 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 ƒ Cuando hay sectorización cada sector es una nueva celda=BTS. • Un conjunto de celdas sectorizadas que transmiten desde el mismo poste es un emplazamiento ƒ Si no se indica lo contrario se asigna un canal de señalización por celda • Esto es, un canal de usuario (1 slot) ƒ 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 [email protected]

9.173

Tema 9. Sistemas Comunicaciones Móviles Parte VI: Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles :

DCS1800, DECT, ERMES, TETRA, UMTS

[email protected]

9.174

Parte V: Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles ƒ 9.14 Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles •DCS1800 •DECT •ERMES •TETRA •UMTS

[email protected]

9.175

9.13 Nuevos sistemas europeos de comunicaciones móviles ƒ Se propone introducir los sistemas •DCS1800: Digital Cellular Systems ƒ ƒ ƒ

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 [email protected]

9.176

9.13 Nuevos Sistemas Europeos de comunicaciones móviles: DECT ƒ DECT Digital (European) Enhanced Cordless Telecommunications (19871992) • Sistema de acceso a la red telefónica pública y/o redes privadas desde equipos portátiles • Alcance
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