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Capitulo Iii
Capitulo Iii
Capitulo Iii
CARRERA DE TELECOMUNICACIONES
COMUNICACIONES MÓVILES
PROFESOR:
CAPÍTULO III
Planeación de frecuencias
Objetivo:
Aprender los conceptos básicos relacionados con la planeación de frecuencias en
sistemas celulares.
Planeación de frecuencias
✓ Conceptos básicos: CGSA, N, S.
✓ Tipos de canales utilizados: VCH, CCH y LCH.
✓ Concepto de reuso de frecuencias.
✓ Células omnidireccionales sectorizadas.
✓ Ventajas de la sectorización y del cell splitting. Uso de antenas inteligentes
(smart antenas).
✓ Elaboración de planes de frecuencias.
La celda o célula
Celda:
✓ Área geográfica a la cual se le asignan un número finito de canales de
radiofrecuencia (RFCH), dentro del espectro disponible.
El área de cobertura y la forma de una celda depende de distintos factores, entre ellos:
Cobertura de la celda
Ac = πR2 (km2)
Conceptos
✓ Se dispone de un cierto ancho de banda BW para la asignación de los canales
del sistema celular.
S = BW / BWch
✓ Para un área geográfica se puede dar cobertura con los S canales mediante una
celda o bien mediante varias celdas .
✓ Si se tienen k canales por celda y N celdas entonces:
S = kN
Reuso de frecuencias
✓ Se dice que se hace reuso de frecuencias cuando el grupo de canales k de una
de las N celdas es utilizado en una nueva celda para dar cobertura al área
geográfica.
✓ El reuso de frecuencias es altamente deseable, pues permite el incremento del
número de usuarios sobre una misma área geográfica y utilizando el mismo
ancho de banda (BW) disponible.
Caso 2: Área geográfica mediante 4 celdas (A1, B1, C1 y D1), más dos celdas con
reuso de frecuencias (A2 y C2). S=100 y k=25.
Ejemplo:
S=660, N=4, M=4 y k=165.
Entonces: C=2640
Geometría celular
✓ La utilización de una estructura geométrica ayuda a una mejor planeación
celular.
✓ La utilización de antenas omnidireccionales sugiere un patrón circular, sin
embargo en la planeación de una zona existen áreas ambiguas con traslape
entre celdas o sin cobertura.
Selección de un polígono
✓ Para asegurar una área de cobertura total, sin traslapes y puntos muertos se
puede seleccionar un polígono regular. Por ejemplo:
En donde:
N: Número de celdas del grupo de celdas
D: Separación mínima co-canal
R: Radio de la celda con estructura hexagonal
Planeación celular
Tipos de antenas
✓ En función del tipo de antena empleada por la estación base una o más celdas
pueden depender de una estación base.
✓ En general, es posible utilizar dos tipos de antenas:
La Celda Omnidireccional
✓ En este caso la estación base está equipada con una antena omnidireccional que
transmite prácticamente igual en todas las direcciones.
✓ Por lo tanto el área cubierta será circular y con la estación base al centro de la
celda.
✓ La representación gráfica de este tipo de celda es mediante un hexágono.
La Celda Sectorizada
✓ En este caso la estación base está equipada con antenas direccionales y la celda
es dividida en sectores.
✓ A cada sector le corresponde una antena y se le asigna un grupo de frecuencias,
distintos entre sectores de una misma celda.
✓ La sectorización implica hand-off entre los sectores de una misma celda.
✓ Existen tres tipos de sectores básicos mediante antenas direccionales:
Sectorización
✓ La sectorización implica dividir el número total de canales de tráfico (TCH)
disponibles en la celda omnidireccional entre el número de sectores del sitio.
✓ Ahora cada sector es tratado en forma lógica como si fuera una celda
omnidireccional.
✓ La capacidad no se incrementa pero se disminuye el nivel de interferencia en
general y esto permite un incremento en el reuso de frecuencias, lo cual se
traduce finalmente en un número mayor de usuarios.
Antenas
✓ Son el medio de acoplamiento de la potencia de RF de una línea de transmisión
al espacio libre, permitiendo a un transmisor radiar su señal y a un receptor
capturar la potencia incidente.
✓ Las antenas pueden ser tan simples como un pedazo de cable o sistemas
complejos con componentes electrónicos.
Tipos de Antenas
✓ Existen diversos tipos de antenas para diversas aplicaciones.
✓ En aplicaciones celulares la más común es la colinear.
Antenas Colineares
✓ Las antenas colineares se componen de arreglos de elementos de radiación en
serie de longitud de ¼ y ½ de longitud de onda.
✓ Este tipo de antenas producen un patrón de radiación ominidirecional.
Antenas Inteligentes
✓ Los sistemas de Antenas inteligentes permiten incrementar la capacidad del
sistema así como su calidad.
✓ Su funcionamiento se basa en el procesamiento digital previo a la recepción de la
señal en la estación base.
✓ Existen antenas inteligentes de dos tipos:
• Las de Haz Conmutado
• Las de Arreglo Adaptativo
✓ SDMA (Space Division Multiple Access)
Haz conmutado
✓ Switched Beam o Haz Conmutado es la evolución natural del método utilizado
actualmente para sectorizar a una celda, sus principales características son:
• Subdivide macro-sectores en varios micro sectores.
• Cada micro sector tiene un patrón de haz predefinido, con alta ganancia y con
lóbulos angostos
• Cuando un usuario sale de un micro sector, el sistema selecciona a aquel que
emite la señal más fuerte y conmuta hacia él.
Ventajas
• Hasta un 40% de aumento en el rango de cobertura
• Incremento en la sensibilidad de ondas de RF
Arreglos adaptivos
✓ Los arreglos adaptivos son los sistemas más avanzados a la fecha, en los cuales
se utilizan algoritmos de procesamiento digital de señales, capaces de distinguir
entre una señal deseada y una no deseada, Con este análisis se calcula la
dirección del origen de las señales captadas y se actualiza en tiempo real el
patrón de radiación.
✓ Las características de estos sistemas son:
• Utilizan una gran variedad de nuevos algoritmos de procesamiento digital
• Habilidad para localizar y rastrear eficientemente varios tipos de señales.
• Minimiza los efectos causados por señales de interferencia
• Proporcionan una ganancia óptima
Asignación FCA
✓ Los sistemas celulares utilizan FCA (Fixed channel allocation).
✓ Existen un cierto número de canales que son asignados de manera fija a un
grupo de celdas.
✓ Esta asignación dependerá de la densidad de tráfico en cada celda.
Asignación DCA
✓ La asignación de canales ocurre basado en la demanda de tráfico de las celdas.
Es decir no existe una planeación fija, se tiene un grupo de frecuencias para todo
el sistema y las asignaciones se hacen y se modifican en tiempo real.
✓ La interferencia se minimiza haciendo evaluaciones en tiempo real acerca del
canal más adecuado para ser asignado.
✓ Por ejemplo un obstáculo como la pared o un piso pueden ser suficientes para
que el mismo canal sea reutilizado en ambos lados al mismo tiempo.
Ejemplo:
✓ Supongamos un BW = 20.16 MHz para Tx y Rx.
✓ Un BWch = 30 KHz para canales simplex
✓ Entonces: S=20.16 MHz / 2x30 kHz = 336 canales de RF Duplex.
✓ Seleccionemos un grupo de celdas con N=7 y con antenas omnidireccionales,
entonces tendremos k=48 canales para cada celda.
✓ Si escogemos N=7 pero con 3 antenas direccionales tendremos 21 sectores o
grupos de frecuencias con k=16 canales para cada sector.
Asignar los primeros 21 canales comenzando con A1, B1, C1, ..., G1 y terminando con
E3, F3 y G3
Repetir el proceso con los siguientes 21 canales (22-42) y así 14 veces más para para
completar 16 canales por sector y así los 336 canales disponibles.
Diseño de la cobertura de un sistema celular
✓ El objetivo del diseño de la cobertura de cualquier sistema celular pretende:
Ejercicio
1. ¿En telefonía celular cómo se determina la capacidad total (número de canales)
de un área geográfica?
2. ¿Qué es la sectorización? ¿Cuándo es conveniente utilizarla?
1. ¿Qué son las antenas inteligentes? Describa los dos tipos de antenas
inteligentes que existen.
2. ¿Qué son las técnicas de asignación de canal?
3. Una vez definida el área de servicio celular (CGSA) ¿Cuáles son los puntos a
considerar en el diseño celular? Describa cada uno de ellos
ANEXOS
ANEXO
Ingeniería de Tráfico
✓ Objetivo de la ingeniería de tráfico
✓ Conceptos básicos: Erlang, GOS, BH, BHCA.
✓ Suposiciones para la planeación celular
✓ Cálculo del número de VCH en función del área
✓ Cálculo del número de VCH en función del tráfico
✓ Efectos del fabricante en la planeación de capacidad
✓ Hand-off y Soft Handoff
Objetivo:
Aprender el manejo de los aspectos relacionados con la planeación de tráfico sobre sistemas
celulares.
INGENIERÍA DE TRÁFICO
El objetivo de la ingeniería de tráfico es planear la capacidad del sistema para satisfacer la
demanda de los usuarios a cierto grado de servicio (GOS).
Limitantes de capacidad de una celda:
✓ Ruido en el enlace de subida (reverse link)
✓ Potencia requerida por cada usuario en el enlace de bajada (forward)
✓ Número de canales de voz equipados en la celda (Hardware)
Más Claro
✓ Un Erlang de tráfico sobre un circuito significa la ocupación del 100% del tiempo de
dicho circuito relativo a una referencia de tiempo. Por ejemplo, si la referencia es de una
hora entonces un Erlang significa una hora de ocupación o bien 60 minutos sobre un
circuito.
✓ Un circuito significa un trayecto sobre el cual solo puede existir una llamada al mismo
tiempo.
✓ Por lo tanto en una señal E1 existen 30 circuitos
Poisson
Erlang B
* Asumiendo 0.026 Erlangs por llamada (con una duración promedio de 100 segundos).
** El número de canales está calculado para un GOS=0.02 o del 2%
Por ejemplo el siguiente sistema tiene una eficiencia casi del 30%
Finalmente se hace un balance entre ambas maneras para considerar los dos aspectos de diseño
de una red:
Sin embargo otros parámetros afectarán la forma real de la cobertura, entre ellos:
✓ El ambiente de propagación
✓ Existencia de colinas y cerros
✓ Túneles
✓ Vegetación
✓ Edificios
Para conocer el radio de la celda se utilizan los modelos de predicción (Hata, Okumura, Ikegami)
que consideran estos parámetros y que están diseñados dependiendo del tipo de terreno
=5
Entonces un número de celdas que considerará tanto la cobertura como la capacidad estaría
dado por:
✓ Por esta razón es necesario llevar a cabo una optimización en el número de celdas
considerando la realidad topográfica del área de servicio, así como su conducta de
tráfico.
✓ Esta tarea en la práctica es realizada mediante herramientas de software que nos
ayuden a predecir la cobertura y el número de celdas óptimo.
En donde:
✓ M: número de usuarios móviles/celda
✓ W: Ancho de banda esparcido en Hz (1.228MHz)
✓ R: Velocidad binaria de la información (9.6k/14.4k)
✓ Eb/No: Relación energía bit a interferencia (5dB - 7dB)
✓ Eb: Cantidad de energía en un período de bit
✓ No: Densidad de potencia de ruido
✓ Vaf: factor de actividad de voz (0.4 - 0.5)
Objetivos de Cobertura
Se deben de definir los objetivos de calidad con respecto a la cobertura:
✓ Probabilidad de cobertura en las fronteras de las celdas
✓ Limitaciones de cobertura en interiores
✓ Ciudades que tendrán cobertura
✓ Carreteras o caminos que requieren cobertura
✓ Cobertura de interiores de edificios
Ejercicio
1. ¿Cuál es la diferencia entre tráfico ofrecido y tráfico transportado?
2. ¿Qué nos indica el grado de servicio? ¿Cómo se utiliza en las tablas de tráfico?
3. ¿Cómo se determina el número total de celdas necesarias para cubrir un área de servicio
celular?
4. Enumere los pasos a considerar en el diseño celular
5. Si se tiene una densidad de 150 usuarios móviles por km2 uniforme, con un tráfico por
usuario de 0.01E y una capacidad por sector de 7.2E, ¿Cuál será el radio máximo que se
podría soportar en función del tráfico a fin de no exceder las especificaciones del
fabricante?