Conceitos celulares - introdução

O imenso potencial do telefone convencional não pode ser explorado ao máximo devido à limitação imposta pelos fios de conexão. Mas essa restrição foi removida com o advento do rádio celular.

Problema de escassez de frequência

Se usarmos loop RF dedicado para cada assinante, precisaremos de largura de banda maior para atender até mesmo um número limitado de subsc em uma única cidade.

Exemplo

Um único loop RF requer 50 kHz B / W; então, para assinantes de lakh, precisamos de 1.00.000 x 50 kHz = 5 GHz.

Para superar esse problema de P / B, os assinantes precisam compartilhar os canais de RF conforme a necessidade, em vez de loops de RF dedicados. Isso pode ser alcançado usando vários métodos de acesso FDMA, TDMA ou CDMA. Mesmo assim, o número de canais de RF necessários para atender aos assinantes acaba sendo impraticável.

Exemplo

Considere uma densidade de subs de 30Sq.Km., Grau de serviço como 1%, Tráfego oferecido por subs móvel como 30m E. Então, o número de canais RF necessários são -

Raio (km) Área em Sq.km Subs Canais RF
1 3,14 100 8
3 28,03 900 38
10 314 10.000 360

Para 10.000 assinantes para alocar 360 canais de rádio, precisamos de um B / Wof 360 × 50 KHz = 18 MHz. Isso é praticamente inviável.

Abordagem Celular

Com recursos de frequência limitados, o princípio do celular pode servir milhares de assinantes a um custo acessível. Em uma rede celular, a área total é subdividida em áreas menores chamadas “células”. Cada célula pode abranger um número limitado de assinantes móveis dentro de seus limites. Cada célula pode ter uma estação base com vários canais RF.

As frequências usadas em uma determinada área de célula serão simultaneamente reutilizadas em uma célula diferente, separada geograficamente. Por exemplo, um padrão típico de sete células pode ser considerado.

Os recursos totais de frequência disponíveis são divididos em sete partes, cada parte consistindo em uma série de canais de rádio e alocada a um local de célula. Em um grupo de 7 células, o espectro de frequência disponível é totalmente consumido. Os mesmos sete conjuntos de frequência podem ser usados ​​após certa distância.

O grupo de células em que o espectro de freqüência disponível é totalmente consumido é denominado cluster de células.

Duas células com o mesmo número no cluster adjacente usam o mesmo conjunto de canais de RF e, portanto, são denominadas “células de co-canal”. A distância entre as células que usam a mesma frequência deve ser suficiente para manter a interferência do co-canal (co-chl) em um nível aceitável. Conseqüentemente, os sistemas celulares são limitados pela interferência do Co-canal.

Portanto, um princípio celular permite o seguinte.

  • Uso mais eficiente da fonte de RF limitada disponível.

  • Fabricação de cada peça do terminal do assinante dentro de uma região com o mesmo conjunto de canais para que qualquer móvel possa ser usado em qualquer lugar da região.

Forma de Células

Para fins analíticos, uma célula “hexagonal” é preferível a outras formas no papel devido aos seguintes motivos.

  • Um layout de hexágono requer menos células para cobrir uma determinada área. Portanto, prevê menos estações de base e investimento mínimo de capital.

  • Outras formas geométricas não podem fazer isso com eficácia. Por exemplo, se houver células de formato circular, haverá sobreposição de células.

  • Também para uma determinada área, entre quadrado, triângulo e hexágono, o raio de um hexágono será o máximo necessário para celulares mais fracos.

Na realidade, as células não são hexagonais, mas irregulares em forma, determinadas por fatores como a propagação de ondas de rádio sobre o terreno, obstáculos e outras restrições geográficas. Programas de computador complexos são necessários para dividir uma área em células. Um desses programas é o “Tornado” da Siemens.

Ambiente operacional

Devido à mobilidade, os sinais de rádio entre uma estação base e os terminais móveis sofrem uma variedade de alterações à medida que viajam do transmissor para o receptor, mesmo dentro da mesma célula. Essas mudanças são devidas a -

  • Separação física de transmissor e receptor.
  • Ambiente físico do caminho, ou seja, terreno, edifícios e outros obstáculos.

Desvanecimento lento

  • Em condições de espaço livre (ou) LOS, a constante de propagação do sinal de RF é considerada como dois, ou seja, r = 2. Isso é aplicável para sistemas de rádio estáticos.

  • No ambiente móvel, essas variações são apreciáveis ​​e normalmente 'r' é considerado como 3 a 4.

Rayleigh desbotando

A linha de visão direta em ambiente móvel, entre a estação base e a unidade móvel, não é garantida e o sinal recebido no receptor é a soma de uma série de sinais que chegam por diferentes caminhos (multipath). A propagação multipercurso de ondas de RF é devido à reflexão da energia de RF de uma colina, prédio, caminhão ou avião aéreo etc .; a energia refletida também sofre uma mudança de fase.

Se houver 180 fora de fase com sinais de caminho direto, eles tendem a se anular. Portanto, os sinais de caminhos múltiplos tendem a reduzir a intensidade do sinal. Dependendo da localização do transmissor e do receptor e de vários obstáculos refletivos ao longo do comprimento do caminho, o sinal flutua. As flutuações ocorrem rapidamente e são conhecidas como “desbotamento de Rayleigh”.

Além disso, a propagação de multipercurso leva à “ampliação do pulso” e “Interferência do símbolo intermediário”.

Efeito Doppler

Devido à mobilidade do assinante, ocorre uma mudança na frequência dos sinais de RF recebidos. Os sistemas móveis celulares usam as seguintes técnicas para combater esses problemas.

  • Codificação de canal
  • Interleaving
  • Equalization
  • Receptores de rake
  • Salto de frequência lento
  • Diversidade de antenas

Interferência de cocanal e separação de células

Assumimos um sistema celular com um raio de célula “R” e distância de co-canal “D” e o tamanho do cluster “N”. Como o tamanho da célula é fixo, a interferência co-canal será independente da potência.

A interferência Co-chl é uma função de “q” = D / R.

Q = Fator de redução de interferência Co-chl.

Um valor mais alto de “q” significa menos interferência.

O valor mais baixo de “q” significa alta interferência.

“Q” também está relacionado ao tamanho do cluster (N), pois q = 3N

q = 3N = D / R

Para diferentes valores de N, q é -

N = 1 3 4 7 9 12
Q = 1.73 3 3.46 4.58 5.20 6.00

Valores mais altos de “q”

  • Reduz a interferência co-canal,
  • Leva a um valor mais alto de “N” mais células / cluster,
  • Menor número de canais / células,
  • Menos capacidade de tratamento de tráfego.

Valores mais baixos de “q”

  • Aumenta a interferência do co-canal,
  • Leva a um valor mais baixo de “n” menos células / cluster,
  • Mais número de canais / células,
  • Mais capacidade de tratamento de tráfego.

Geralmente, N = 4, 7, 12.

Cálculos C / I e 'q'

O valor de “q” também depende de C / I. “C” é a potência da portadora recebida do transmissor desejado e “I” é a interferência co-canal recebida de todas as células interferentes. Para um padrão de reutilização de sete células, o número de células co-canal interferentes deve ser seis.

I = m2b ∑ Mz1 I m

A perda de sinal é proporcional a (distância) –r

R - Constante de propagação.

c α R-r

R = Raio da célula.

I α 6 D-r

D = distância de separação do co-canal

C / I = R - r / 6D –r = 1/6 × Dr / Rr = 1/6 (D / R) r

C / I = 1/6 qr uma vez que q = D / R e qr = 6 C / I

Q = [6 × C / I] 1 / r

Com base na qualidade de voz aceitável, o valor de C / I foi considerado igual a 18 dB.

Assumindo,

  • Um padrão de reutilização de sete células
  • Antenas omnidirecionais

O valor de 'q' pode ser normalmente em torno de 4,6.

O valor r é considerado 3.

Esta é uma condição ideal, considerando-se a distância das unidades móveis das células interferentes uniformemente igual a 'D' em todos os casos. Mas se move praticamente móvel e a distância 'D' reduz para 'D-R' quando atinge o limite da célula, e C / I cai para 14,47 dB.

Conseqüentemente, o padrão de reutilização de 'freq' de 7 não está atendendo aos critérios C / I com antenas omnidirecionais.

Se N = 9 (ou) 12,

N = 9 q = 5,2 C / I = 19,78 dB

N = 12 q = 6,0 C / I = 22,54 dB

Portanto, o padrão de 9 ou 12 células deve ser com antenas omnidirecionais, mas a capacidade de tratamento de tráfego é reduzida. Portanto, eles não são preferidos.

Para usar N = 7 (ou inferior), antenas direcionais são usadas em cada local de célula. Uma célula com 3 setores é muito popular e será como a figura abaixo.

Fonte da antena - fenômeno de acoplamento traseiro reduz o número de interferentes potenciais.

Por exemplo, se N = 7.

Com antenas omnidirecionais, o número de células interferentes deve ser seis. Com antenas direcionais e 3 setores, o mesmo é reduzido para dois. Para N = 7 e três setores, o C / I melhora de 14,47 dB para 24,5 dB, mesmo nas piores condições. Então C / I atende ao requisito de 18dB. Para N = 7 e seis setores, o C / I melhora para 29 dB.

Para aplicações Urbanas, N = 4 e uma célula de três setores são usados ​​de forma que mais número de portadoras por célula seja obtido do que N = 7. Além disso, C / I se torna 20 dB nos piores casos.

DAMPS Usa padrão de célula 7/21

GSM Usa padrão de célula 4/21

Vantagens da setorização

  • Diminuir a interferência do co-canal
  • Aumente a capacidade do sistema

Desvantagens da setorização

  • Grande número de antenas na estação base.
  • O aumento no número de setores / célula reduz a eficiência do entroncamento
  • A setorização reduz a área de cobertura, para um determinado grupo de canais.
  • O número de 'Hand offs' aumenta.

Não interferir

Quando a unidade móvel viaja ao longo de um caminho, ela atravessa células diferentes. Cada vez que ele entra em uma célula diferente associada com f = frequência diferente, o controle da unidade móvel é assumido pela outra estação base. Isso é conhecido como 'Hand off'.

A transferência é decidida com base em -

  • Informação de força do sinal recebido se estiver abaixo de um valor limite.
  • A relação portadora para interferência é inferior a 18 dB.

Interferência de canal adjacente

Uma determinada célula / setor usa vários canais de RF. Devido aos filtros de receptor imperfeitos, que permitem que as frequências próximas vazem para a banda de passagem, ocorre interferência no canal adjacente.

Ele pode ser reduzido mantendo as separações de frequência entre cada canal de RF em uma determinada célula o maior possível. Quando o fator de reutilização é pequeno, essa separação pode não ser suficiente.

Uma separação de canais, selecionando frequências de RF, que são mais de 6 canais separados, é suficiente para manter as interferências de canais adjacentes dentro dos limites.

Por exemplo, em GSM que segue o padrão 4/12, N = 4

Setores = 3 / célula

IA usará RF Carr. 1, 13, 25, ……… ..

IB usará RF Carr 5, 17, 29, …………

IC usará RF Carr. 9, 21, 33, ……… .. e assim por diante.

Trunking

Os rádios celulares contam com entroncamento para acomodar um grande número de usuários em um espectro de rádio limitado. Cada usuário é alocado a um canal com base na necessidade / por chamada e na terminação da célula, o canal é retornado ao pool comum de canais RF.

Grau de serviço (GOS)

Por causa do entroncamento, existe uma probabilidade de que uma chamada seja bloqueada se todos os canais de RF estiverem engajados. Isso é chamado de “Grau de serviço” “GOS”.

O designer de celular estima a capacidade máxima necessária e aloca o número adequado de canais de RF para atender ao GOS. Para esses cálculos, a tabela 'ERLANG B' é usada.

Divisão Celular

Quando o número de usuários atinge uma saturação em uma célula de inicialização (design inicial) e não há mais frequência sobressalente disponível, a célula de inicialização é dividida, geralmente em quatro células menores e o tráfego aumenta em quatro e mais número de assinantes pode ser servido.

Após 'n' divisões, o tráfego será -

T2 = T0 × 42

A potência será reduzida -

P2 = P0 - n × 12 db

Conseqüentemente, a divisão de células melhora a capacidade e reduz a potência de transmissão.