PROPAGACIÓN POR CANALES MÓVILES Características generales de los canales móviles. Cobertura zonal: necesidad de predicciones de propagación. Multiplicidad de trayectos entre transmisor y receptor. Variabilidad de los trayectos debido al desplazamiento de los móviles lo que supone variación con la distancia y el tiempo de las condiciones de propagación Requisitos en la planificación de sistemas móviles: Caracterización del canal en banda estrecha: determinación de la pérdida básica de propagación entre transmisor y múltiples puntos situados en la zona de cobertura:
Lb es la pérdida básica de propagación Lbf pérdida básica de propagación en condiciones de espacio libre Lex es la pérdida por exceso debido a efectos del terreno Lent pérdidas del entorno inmediato al receptor Caracterización del móvil en banda ancha: análisis de los efectos del multitrayecto, sobre todo en zonas montañosas y urbanas. Desarrollo de modelos de simulación lógicos (software) y físicos (hardware) Realización de medidas radioeléctricas para validar los anteriores puntos.
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LA PROPAGACIÓN POR MÓVILES (I) Variabilidad: potencia transmitida es fija mientras que la recibida es una variable aleatoria. Pérdida básica de propagación: k depende del tipo de terreno n es función del medio de propagación y de la altura de la antena Las leyes anteriores de propagación proporcionan valores medianos.
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LA PROPAGACIÓN POR MÓVILES (II) (Gp:) 3 (Gp:) 2 (Gp:) 1 (Gp:) d (Gp:) d (Gp:) d
El entorno entre T y R varía: atenuación variable, desvanecimiento lento
G(x,y) variable aleatoria de media 0 y desviación típica s dB El entorno inmediato al móvil en un radio de 100 ? es donde se producen las interacciones de ondas con estructuras próximas al RX: desvanecimiento rápido
La función R(t,f) depende de la distancia y de la frecuencia y es una función Rayleigh de media 0
(Gp:) Señal recibida (dBu) (Gp:) tiempo
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LA PROPAGACIÓN POR MÓVILES (III) Patrón de ondas estacionarias
MÉTODOS DE PREDICCIÓN BASADOS EN MEDIDAS: OKUMURA-HATA (I, Okumura) El modelo de Okumura es uno de los más usados en el mundo para la predicción en áreas urbanas. Comenzó en base a una amplia campaña de medidas en Tokio para las bandas de 150, 450 y 900 MHz con antenas casi omnidireccionales en TX y RX. Se sacaron curvas de distribución y se extrajo el valor medio Se aplica de 150MHz a 1920MHz pero también se usa fuera de ese rango. En distancia se cubre un rango de 1 a 100 Km Se puede usar con estaciones base de altura de 30 m a1000 m. No tienen en cuenta la ondulación del terreno Se diseñó en Tokio lo cual es importante por la ciudad de la que parten. El modelo se expresa como
L50 son las pérdidas en el percentil LF pérdidas en espacio libre G(hte) factor de la antena transmisora G(hre) factor de la antena receptora y GAREA ganancia del entorno
OKUMURA GRÁFICA DE ATENUACIÓN
OKUMURA GRÁFICA DE CAMPO
MODELO DE OKUMURA-HATA Modelo de Okumura Basado en medidas con correcciones hechas gráficamente. Modelo de Hata Hata mejoró el modelo mediante la sistemización y formulación obtenida a partir de los gráficos de Okumura
Este término representa el valor de 10n a(hRX) corrección por altura de antena receptora. Para una ciudad pequeña:
Para una ciudad grande
Es fundamental fijar los límites de estabilidad
CARACTERIZACIÓN EN BANDA ANCHA DE LOS CANALES RADIOELÉCTRICOS La caracterización de un canal por medio de desvanecimiento no es válida en banda ancha: efectos multitrayecto, variabilidad del canal con el tiempo. Efecto multitrayecto: dispersión temporal: exceso de retardo entre el primer eco y el i. En el dominio del tiempo: interferencia entre símbolos. En el dominio de la frecuencia: desvanecimiento selectivo en frecuencia (FSF). Ancho de banda de coherencia: grado de correlación entre dos componentes separadas Bc. Si Bt< < Bc desvanecimiento plano, si no, selectivo. Variabilidad del canal con el tiempo: patrón espacial se transforma en otro temporal; el desv. espacial se transforma en desvanecimiento selectivo en tiempo (TSF) la señal TDMA "ve" distintos canales: tiempo de coherencia, Tc, tiempo entre el cual los elementos de señal están correlados. Variaciones temporales de la amplitud recibida originan una dispersión de frecuencia o desplazamiento Doppler: variaciones de las frecuencias espectrales. En resumen, se necesitan cuatro parámetros: Dispersión temporal: dispersión de retardo y ancho de banda de coherencia Dispersión de frecuencia: dispersión Doppler y tiempo de coherencia.
CARACTERIZACIÓN EN BANDA ANCHA DE LOS CANALES RADIOELÉCTRICOS (II) En radioenlaces digitales los anteriores efectos provocan una degradación en la tasa de errores en los bits que llega a un valor umbral que no se reduce (I-BER). Compensación del multitrayecto: Técnicas de diversidad Saltos de frecuencia (frecuency hopping) Ecualizadores digitales en el receptor. Receptores de gran resolución para separar los ecos (receptor RAKE) a partir de las características del canal. Utiliza sondeadores en banda estrecha y ancha para extraer la información del canal.
MODELOS DE CANAL MULTITRAYECTO Por su naturaleza: Modelos matemáticos basados en la representación de las ondas por rayos y su interacción con fuentes dispersoras. Modelos físicos: materialización de los fenómenos mediante circuitos electrónicos Por su variabilidad: Modelos estáticos, el receptor es fijo. Modelos dinámicos, el receptor es móvil. Por el tipo de tratamiento: Modelo determinístico manejan estructuras de dispersores no aleatorias Modelo aleatorio caracterizan el canal como un proceso aleatorio multidimensional.
MODELO DETERMINÍSTICO DE DISPERSORES Señal en receptor es la suma de N rayos que después de incidir en un dispersor alcanzan el receptor. Señal paso bajo equivalente supone que en un intervalo elemental la estructura de dispersores es invariante y la variación de la señal moduladora pequeña:
Contribución del rayo i (dispersor i-ésimo)
Aproximaciones: Señal: Amplitud constante Función de retardo con variación lineal Intervalo temporal suficientemente pequeño Fase de la señal (una variación de p rad para 1800 Mhz equivale a un retardo de 0.556 ns) Contribución resultante del rayo i:
Expresión de la variación de la función de retardo: Desplazamiento Doppler: Señal resultante del rayo i:
Señal total, suma de todas las contribuciones:
Parámetros de dependencia: Amplitud Frecuencia Doppler: Retardo: Desfasamiento: MODELO DETERMINÍSTICO DE DISPERSORES (II) di(0) di(?t) v(?t) ai ai
CARACTERIZACIÓN DE CANALES MULTITRAYECTO (I): FUNCIONES DEL SISTEMA Canales variables multitrayecto (caracterización clasica): función de transferencia y respuesta impulsiva. Fenómenos a considerar: variación temporal y desplazamiento Doppler: Manejo de cuatro variables: tiempo, frecuencia, dispersión temporal y desplazamiento Doppler Funciones básicas de Bello: Función de respuesta impulsiva variable con el tiempo IDSF (Input Delay Spread Function): Función de transferencia variable con el tiempo TVTF (Time Variable Transfer Function): Función desplazamiento Doppler-retardo DDSF (Doppler Delay Spread Function): Función de transferencia de frecuencia-desplazamiento Doppler ODSF (Output D.S.F): (Gp:) Dispersión temporal ? (Gp:) Desvanecimiento selectivo en frec. f (Gp:) Variabilidad temporal t (Gp:) Dispersión frecuencia ?
Dominio (f, ?) Dominio (?, t)
FUNCIONES DEL SISTEMA (II) (Gp:) DFTt (Gp:) DFT? (Gp:) DFTt (Gp:) DFT? (Gp:) IFTf (Gp:) IFTf (Gp:) IFT? (Gp:) IFT?
Relación entre las funciones de Bello Problema: imposibilidad de disponer de la función densidad multidimensional Solución: trabajo con las funciones de correlación suponiendo procesos gaussianos de media nula (Gp:) DFTt (Gp:) DFT? (Gp:) DFTt (Gp:) DFT? (Gp:) IFTf (Gp:) IFTf (Gp:) IFT? (Gp:) IFT?
CARACTERIZACIÓN DE CANALES PRÁCTICOS (I) Para recorridos pequeños de los terminales t1 y t2 difieren poco y los procesos y H(t,f) son estacionarios en sentido amplio (WSS) por lo que sus funciones de correlación dependen únicamente de la diferencia de tiempos. La propiedad WSS implica incorrelación Doppler Las variables t,f y t, ? son duales por lo que las propiedades de WSS y US se trasladan. Los canales móviles reales, en una buena aproximación, son WSS en la variable t y US en t por lo que también son WSS en f y US en ?. Si definimos la variable u=t2-t1 y v=f2-f1 las nuevas funciones quedan: (Gp:) DFTu (Gp:) DFT? (Gp:) DFTu (Gp:) DFT? (Gp:) IFTv (Gp:) IFTv (Gp:) IFT? (Gp:) IFT?
Descripción de las funciones anteriores: Función Ph(u,t), WSS en u y US en t; u=0, Ph(0,t)= Ph(t)=PDP, perfil retardo potencia. Función de correlación en f (WSS) y en u (US) de aquí se deduce el ancho de coherencia (en el caso u=0) o el tiempo de coherencia (v=0) (RT(u,v)) Función de correlación en v (WSS) y de dispersión Doppler (US) (PH(v, ?)) Función densidad de potencia en la variable dispersión (PS(t, ?)). Para t=0, PS(?) constituye el perfil de potencia Doppler. Esta función se ha tomado como base para el desarrollo de muchos software. Características del Perfil de Retardo potencia (PDP): Proporciona una información primaria sobre los valores del desplazamiento Doppler. Parámetros: retardo máximo último valor de t con cruce por el nivel de ruido Dispersión de retardo D (trasnp.31) Retardo medio: (transp31) Los mismos parámetros se pueden definir respecto a la dispersión Doppler con la función perfil de potencia Doppler. CARACTERIZACIÓN DE CANALES PRÁCTICOS (II)
CARACTERIZACIÓN DE CANALES PRÁCTICOS (III) Dispersión de retardo (Gp:) Retardo medio
(Gp:) Valor medio de la dispersión Doppler
Dispersión Doppler
ANCHURA DE BANDA DE COHERENCIA Y TIEMPO DE COHERENCIA Anchura de banda de coherencia del canal Bc, para el nivel de correlación ?, es el intervalo comprendido entre 0 y f1 para la que RT(f1)= ?. Para determinar dicho intervalo suele tomarse ?=0.5. Para un perfil de retardo potencia exponencial con parámetro D dispersión de retardo, el ancho de banda de coherencia es
Que se ve que es inversamente proporcional a la dispersión de retardo. Tiempo de coherencia Tc, para el nivel de correlación ?, es el valor de u para el que R(u)= ?; suele tomarse ?=0.5. Si la duración de un elemento de señal es T>Tc el canal es selectivo en el tiempo Si la duración de un elemento de señal es T< Tc el canal no es selectivo en el tiempo Para un perfil de potencia Doppler
SISTEMAS DE CONCENTRACIÓN DE ENLACES Fundamento teórico: Tráfico generado por un sistema de móviles se entrega a un conjunto de radiocanales. La asignación no es rígida sino flexible Pregunta: ¿Qué es más eficiente, entregar a un sistema radioeléctrico con N radiocanales o a N sistemas radioeléctricos con un radiocanal cada uno? Modelado del tráfico como una función Erlang B Opción A: Opción B: AN>A1 para N>1 Se cursa más tráfico cuando se ofrece a un número mayor de radiocanales Regímenes de funcionamiento de sistemas de telecomunicación: Sistemas privados: cuando el sistema se congestiona la llamada se pone en espera. Se modelan como una Erlang C Sistemas públicos: cuando el sistema se congestiona las llamadas se pierden. Se modelan como una Erlang B Método de gestión de canales: protocolo MPT1327
RECORDATORIO DE LA FUNCIÓN ERLANG-B Si se disponen de N canales con un tráfico de A Erlangs, la probabilidad de bloqueo es:
Para un N dado, conforme crece A, así también lo hace la probabilidad de bloqueo.
En función de las previsiones de tráfico y grado de calidad se determina : El número de radiocanales por celda La dimensión de la agrupación. El radio celular.
SISTEMAS DE TELEFONÍA PÚBLICA CELULAR (I) (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 1 (Gp:) 2 (Gp:) 3 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) D (Gp:) D (Gp:) D (Gp:) R
SISTEMAS DE TELEFONÍA PÚBLICA CELULAR (II) Objetivos: Gran capacidad de abonados; calidad telefónica similar al servicio convencional; utilización eficaz del espectro; conmutación automática de radiocanales. Sistemas celulares: La zona de cobertura se divide en zonas más pequeñas llamadas celdas, cada una con un número de radiocanales. En un conjunto de celdas separadas una distancia cocanal o de reutilización D, se pueden reutilizar las frecuencias. Son sistemas limitados por interferencia y la calidad de servicio depende de la relación portadora/interferencia.
Si se reduce el radio de la celda se puede disminuir la distancia de reutilización y por lo tanto reutilizar las frecuencias más veces. Así un conjunto de frecuencias suelen dividirse en juegos de frecuencias asignados a un cierto número de celdas constituyendo un cluster de forma que se cubre toda la zona formando un enlosado de celdas
DIMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA TMA Se dimensionan como sistemas de llamadas perdidas: p=B(N,A) p: probabilidad de pérdida N: número de canales de tráfico disponibles en la celda. A: tráfico ofrecido por los móviles Determinación del número de radiocanales (por cluster):C=W/?f W: recurso espectral; ?f: separación de radiocanales Número de radiocanales por célula: N=C/J (con J el número de celdas) Tráfico total ofrecido: A=MLH/3600(Erlang) (para un móvil a=HL/3600) M: número de móviles; L: número llamadas por móvil en hora cargada; H duración (s) Intensidad de tráfico en la celda: A=B-1(N-1,p) (N-1 canales de datos) Número de móviles en la célula: m=A/a. Densidad de tráfico admisible en la célula: ?a=A/Sc (Sc superficie celular) Superficie de un cluster o agrupación de celdas: Sr =JSc Número total de agrupaciones en la superficie de cobertura (S): Q=E(S/ Sr)+1 Q también representa el índice de reutilización del sistema Oferta total de canales de tráfico: QJ(N-1)~C*(S/(J*Sc)) El número de canales es tan grande como se quiera si reducimos J o la superficie de celda J está acotado por la relación de protección, sólo se puede reducir la superficie de la celda
EJEMPLO DE DIMENSIONAMIENTO Número total de móviles a los que se puede dar servicio: M=QJm EJEMPLO Supóngase un sistema celular con celdas circulares de radio 2 km y agrupaciones de J= 7 celdas. Se dispone de 280 canales. La probabilidad de bloqueo es del 10% y el tráfico por móvil es 25 mE. La superficie de cobertura es 400 km2
Número de radiocanales por celda: N=280/7=40 (uno para señalización y 39 datos). Intensidad de tráfico en la celda: A=B-1(39,0.1)=37.715E Número de móviles por celda: m=1508 Densidad de tráfico: ?a=37.715/p(2)2=3E/km2 Índice de reutilización: Q=E(400/(7*12.57))+1=5 Oferta total de canales de tráfico: 5*39*7=1365 Número total de móviles: 5*7*1508=52780
GEOMETRÍA CELULAR (I) (Gp:) u (Gp:) v (Gp:) 60º
Forma geométrica más conveniente. Estudio supone TX idénticos Terreno homogéneo Antenas omnidireccionales Esto supone cobertura circular Problema: solape o recubrimiento parcial Estructura geométrica de la agrupación Coberturas poligonales Polígonos: triángulo, cuadrado, hexágono Análisis de interferencia Hexágono tiene mayor relación área/radio Mínimo número de celdas necesario Ubicación de estaciones base Sistema de coordenadas oblicuas u-v. Cada vértice del triángulo es un nodo Las estaciones base se colocan en los nodos
GEOMETRÍA CELULAR (II) (Gp:) 6 (Gp:) 1 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 3 (Gp:) 2 (Gp:) 7
(Gp:) 6 (Gp:) 1 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 3 (Gp:) 2 (Gp:) 7
(Gp:) 6 (Gp:) 1 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 3 (Gp:) 2 (Gp:) 7
(Gp:) 6 (Gp:) 1 (Gp:) 4 (Gp:) 3 (Gp:) 2 (Gp:) 7
(Gp:) 6 (Gp:) 1 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 3 (Gp:) 2 (Gp:) 7
(Gp:) 6 (Gp:) 1 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 3 (Gp:) 2 (Gp:) 7
(Gp:) 6 (Gp:) 1 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 3 (Gp:) 2
(Gp:) 6 (Gp:) 1 (Gp:) 4 (Gp:) 5 (Gp:) 3 (Gp:) 2 (Gp:) 7
u v Parámetros de diseño. Radio del hexágono: R Distancia entre nodos contiguos: d=R*v3 Distancia entre nodos arbitrarios (th.coseno)
Distancia de reutilización
Los números enteros J se llaman rómbicos y definen el rombo cocanal que constituye el cluster, agrupación o racimo
GEOMETRÍA CELULAR (III): tamaño del racimo
GEOMETRÍA CELULAR: limitación por interferencia Relación portadora interferente para 6 interferencias cocanal idénticas en una EB
Ejemplo: Rp=17 dB; rp=50.12; n=3.9; J=6.22 lo que supone que el número rómbico inmediatamente superior J=7. En el borde de la zona de cobertura se tiene:
Con los datos del ejemplo anterior se obtiene J=9.43 y viendo la tabla de números rómbicos resulta J=12.
GEOMETRÍA CELULAR: división celular Los sistemas con pocas celdas se saturan pronto. División celular posterior en mitades Reducción a la mitad del radio de la celda; división por cuatro de la superficie. Incremento de la capacidad en un factor 4. Exigencia de mayor precisión en las ubicaciones y aumento de carga de señalización Aumento de costes. Concepto de recubrimiento: añadir células dentro de la zona de cobertura inicial División no es homogénea (Gp:) Urbano (Gp:) Rural
GEOMETRÍA CELULAR: caracterización de las celdas Tipos de celdas Ubicación antena EB Dimensión celda Macrocelular Sobre los tejados 1-30km Celdas grandes (urbano) Sobre los tejados 3-30km Celdas pequeñas (urbano) Sobre los tejados 1-3km Microcelular Por debajo o a nivel de tejado 0.1-1km Picocelular Por debajo del tejado o interior 0.01-0.1km (Gp:) microceldass (Gp:) macrocelda
SECTORIZACIÓN (I) Antena omnidireccional. Antena trisectorial.
SECTORIZACIÓN (II) La cobertura omnidireccional requiere tamaños altos de la agrupación. Hay un mínimo de 6 interferencias. Las antenas directivas reducen la contribución de las mismas. Se reduce el tamaño de los racimos de celdas. Asignación dinámica de frecuencias. (Gp:) F1 (Gp:) F2 (Gp:) F3 (Gp:) EB1 (Gp:) EB2 (Gp:) EB3
GENERALIDADES SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA CELULAR (I) (Gp:) MS (Gp:) BSC (Gp:) BTS
(Gp:) BSS (Gp:) MSC (Gp:) Um (Gp:) A (Gp:) A-bis (Gp:) EIR AUC HLR (Gp:) VLR (Gp:) NMC (Gp:) OMC (Gp:) MSC (Gp:) RPMT RTPC RDSI (Gp:) VLR
El significado de las abreviaturas de la figura anterior es:
BSC: Controlador de la Estación Base BTS: Transceptor de Estación Base BSS: Sistema de Estación Base
MS: Estación Móvil
MSC: Centro de Conmutación de Móviles NMC: Centro de Gestión de Red OMC: Centro de Operación y Mantenimiento AUC: Centro de autenticación EIR: Registro de identidad de equipos HLR: Registro de abonados locales VLR : Registro de abonados visitantes
RDSI: Red Digital de Servicios Integrados RPMT: Red Pública Móvil Terrestre RPTC: Red Pública Telefónica Conmutada
Estaciones base conectadas a los centros MSC mediante enlaces dedicados. Facilidades requeridas: Localización del móvil y mantenimiento de la misma (roaming) Inscripción del móvil en el registro de abonados locales (HLR) Exploración de canales de control e inscripción en el registro de visitas VLR Transferencia de esta información al HLR del móvil. Conexión del móvil dondequiera que esté (paging) Encaminamiento de una llamada mediante interrogación al HLR Se indica a la MSC donde debe reencaminarse la llamada. El aviso le llega simultáneamente por varias celdas (paging) Sintonización automática de canales por parte del móvil Transferencia o de una llamada cuando el móvil cambia de celda (handover) Medidas de campo entre la MS y las EB próximas para efectuar o no la conmutación. Puede suponer una brevísima interrupción de la comunicación. GENERALIDADES SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA CELULAR (II)
PROYECTO DE SISTEMAS MÓVILES (I) Deben abordarse dos tipos de cálculos: De tráfico: determinación del número de canales necesarios. De cobertura radioeléctrica: se obtienen características de potencia y radiación así como las distancias de reutilización de frecuencias. Intensidad de campo utilizable en los sistemas móviles: obtención del campo mediano necesario. Corrección por ruido y multitrayecto Corrección estadística: Relación entre porcentajes de cobertura zonal y perimetral
Corrección estadística para porcentajes L y T
Cálculo de cobertura radioeléctrica: Cálculo de cobertura-potencia Cálculo de la distancia de reutilización. Valor umbral de la relación de protección Calidad de cobertura perimetral PROYECTO DE SISTEMAS MÓVILES (II) Porcentajes en comunicaciones móviles Desviaciones en emplazamientos y tiempo
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