Conceptos celulares - Introducción

El inmenso potencial del teléfono convencional no se puede aprovechar al máximo debido a la limitación impuesta por los cables de conexión. Pero esta restricción se ha eliminado con la llegada de la radio celular.

Problema de escasez de frecuencia

Si usamos un bucle de RF dedicado para cada suscriptor, necesitamos un ancho de banda mayor para servir incluso a un número limitado de subsc en una sola ciudad.

Ejemplo

Un solo bucle de RF requiere 50 kHz B / W; luego, para un lakh de suscriptores, necesitamos 1,00,000 x 50 kHz = 5 GHz.

Para superar este problema de B / N, los suscriptores deben compartir los canales de RF según sea necesario, en lugar de bucles de RF dedicados. Esto se puede lograr utilizando múltiples métodos de acceso FDMA, TDMA o CDMA. Incluso entonces, el número de canales de RF necesarios para atender a los abonados resulta impracticable.

Ejemplo

Considere una densidad de sub de 30 km2, el grado de servicio como 1%, el tráfico ofrecido por sub móvil como 30 m E. Entonces el número de canales de RF requeridos es:

Radio (km) Área en km2 Subs Canales RF
1 3,14 100 8
3 28.03 900 38
10 314 10000 360

Para que 10,000 subs para asignar 360 canales de radio, necesitamos un B / W de 360 ​​× 50 KHz = 18 MHz. Esto prácticamente no es factible.

Enfoque celular

Con recursos de frecuencia limitados, el principio celular puede servir a miles de suscriptores a un costo asequible. En una red celular, el área total se subdivide en áreas más pequeñas llamadas "celdas". Cada celda puede cubrir un número limitado de abonados móviles dentro de sus límites. Cada celda puede tener una estación base con varios canales de RF.

Las frecuencias utilizadas en un área de celda determinada se reutilizarán simultáneamente en una celda diferente que está separada geográficamente. Por ejemplo, se puede considerar un patrón típico de siete celdas.

Los recursos de frecuencia disponibles totales se dividen en siete partes, cada una de las cuales consta de varios canales de radio y se asigna a un sitio celular. En un grupo de 7 celdas, el espectro de frecuencias disponible se consume totalmente. Los mismos siete conjuntos de frecuencias se pueden utilizar después de cierta distancia.

El grupo de celdas donde el espectro de frecuencia disponible se consume totalmente se denomina grupo de celdas.

Dos células que tienen el mismo número en el grupo adyacente, utilizan el mismo conjunto de canales de RF y, por lo tanto, se denominan "células cocanal". La distancia entre las celdas que utilizan la misma frecuencia debe ser suficiente para mantener la interferencia cocanal (co-chl) a un nivel aceptable. Por tanto, los sistemas celulares están limitados por la interferencia Cocanal.

Por tanto, un principio celular permite lo siguiente.

  • Uso más eficiente de la fuente de RF limitada disponible.

  • Fabricación de cada pieza de terminal de abonado dentro de una región con el mismo conjunto de canales para que cualquier móvil pueda usarse en cualquier lugar de la región.

Forma de las celdas

Para fines analíticos, se prefiere una celda "hexagonal" a otras formas en papel debido a las siguientes razones.

  • Un diseño hexagonal requiere menos celdas para cubrir un área determinada. Por tanto, prevé menos estaciones base y una mínima inversión de capital.

  • Otras formas geométricas no pueden hacer esto de manera efectiva. Por ejemplo, si hay celdas de forma circular, habrá superposición de celdas.

  • También para un área dada, entre cuadrado, triángulo y hexágono, el radio de un hexágono será el máximo que se necesita para móviles más débiles.

En realidad, las celdas no son hexagonales sino de forma irregular, determinada por factores como la propagación de ondas de radio sobre el terreno, obstáculos y otras limitaciones geográficas. Se requieren programas informáticos complejos para dividir un área en células. Uno de esos programas es "Tornado" de Siemens.

Entorno operativo

Debido a la movilidad, las señales de radio entre una estación base y los terminales móviles sufren una variedad de alteraciones a medida que viajan del transmisor al receptor, incluso dentro de la misma celda. Estos cambios se deben a:

  • Separación física de transmisor y receptor.
  • Entorno físico del camino, es decir, terreno, edificios y otros obstáculos.

Desvanecimiento lento

  • En condiciones de espacio libre (o) LOS, la constante de propagación de la señal de RF se considera como dos, es decir, r = 2. Esto es aplicable a los sistemas radioeléctricos estáticos.

  • En el entorno móvil, estas variaciones son apreciables y normalmente se toma 'r' como 3 a 4.

Rayleigh Fading

La línea de visión directa en el entorno móvil entre la estación base y el móvil no está garantizada y la señal recibida en el receptor es la suma de varias señales que llegan a través de diferentes caminos (multitrayecto). La propagación por trayectos múltiples de ondas de RF se debe al reflejo de la energía de RF de una colina, edificio, camión o avión, etc .; la energía reflejada también sufre un cambio de fase.

Si hay 180 fuera de fase con señales de ruta directa, tienden a anularse entre sí. Por tanto, las señales de trayectos múltiples tienden a reducir la intensidad de la señal. Dependiendo de la ubicación del transmisor y del receptor y de varios obstáculos reflectantes a lo largo de la trayectoria, la señal fluctúa. Las fluctuaciones ocurren rápidamente y se conoce como "desvanecimiento de Rayleigh".

Además, la propagación por trayectos múltiples conduce a un “ensanchamiento del pulso” y una “interferencia entre símbolos”.

Efecto Doppler

Debido a la movilidad del abonado, se produce un cambio en la frecuencia de las señales de RF recibidas. Los sistemas móviles celulares utilizan las siguientes técnicas para contrarrestar estos problemas.

  • Codificación de canal
  • Interleaving
  • Equalization
  • Receptores de rake
  • Salto de frecuencia lento
  • Diversidad de antenas

Interferencia cocanal y separación celular

Suponemos un sistema celular que tiene un radio de celda "R" y una distancia de cocanal "D" y el tamaño de grupo "N". Dado que el tamaño de la celda es fijo, la interferencia cocanal será independiente de la potencia.

La interferencia Co-chl es una función de “q” = D / R.

Q = factor de reducción de interferencia Co-chl.

Un valor más alto de "q" significa menos interferencia.

Un valor más bajo de "q" significa una interferencia alta.

"Q" también está relacionado con el tamaño del grupo (N) como q = 3N

q = 3N = D / R

Para diferentes valores de N, q es -

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

Valores más altos de "q"

  • Reduce la interferencia cocanal,
  • Conduce a un valor más alto de "N" más celdas / grupo,
  • Menor número de canales / células,
  • Menor capacidad de manejo de tráfico.

Valores más bajos de "q"

  • Aumenta la interferencia cocanal,
  • Conduce a un valor más bajo de "n" menos celdas / grupo,
  • Más cantidad de canales / células,
  • Más capacidad de manejo de tráfico.

Generalmente, N = 4, 7, 12.

Cálculos C / I y 'q'

El valor de "q" también depende de C / I. “C” es la potencia de portadora recibida del transmisor deseado e “I” es la interferencia cocanal recibida de todas las células interferentes. Para un patrón de reutilización de siete celdas, el número de celdas interferentes cocanal será de seis.

Yo = m2b Mz1 Yo m

La pérdida de señal es proporcional a (distancia) –r

R - Constante de propagación.

c α R-r

R = Radio de la celda.

I α 6 D-r

D = distancia de separación cocanal

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

C / I = 1/6 qr ya que q = D / R y qr = 6 C / I

Q = [6 × C / I] 1 / r

Basándose en la calidad de voz aceptable, se ha encontrado que el valor de C / I es igual a 18 dB.

Asumiendo,

  • Un patrón de reutilización de siete celdas
  • Antenas omnidireccionales

El valor de 'q' puede rondar normalmente 4,6.

El valor r se toma como 3.

Ésta es una condición ideal, considerando que la distancia de las unidades móviles a las celdas interferentes es uniformemente igual a 'D' en todos los casos. Pero prácticamente los movimientos móviles y la distancia 'D' se reduce a 'D-R' cuando alcanza el límite de la celda, y C / I cae a 14,47 dB.

Por lo tanto, el patrón de reutilización de 'frecuencia' de 7 no cumple con los criterios C / I con antenas omnidireccionales.

Si N = 9 (o) 12,

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

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

Por lo tanto, el patrón de 9 o 12 celdas debe ser con antenas omnidireccionales, pero la capacidad de manejo del tráfico se reduce. Por tanto, no se prefieren.

Para usar N = 7 (o menos), se usan antenas direccionales en cada sitio celular. Una celda que tiene 3 sectores es muy popular y será como la figura que se muestra a continuación.

El fenómeno de acoplamiento de fuente y retroceso de la antena reduce el número de posibles interferencias.

Por ejemplo, si N = 7.

Con antenas omnidireccionales, el número de células interferentes será seis. Con antenas direccionales y 3 sectores lo mismo se reduce a dos. Para N = 7 y tres sectores, el C / I mejora de 14,47 dB a 24,5 dB incluso en las peores condiciones. Entonces C / I cumple con el requisito de 18dB. Para N = 7 y seis sectores, el C / I mejora a 29 dB.

Para aplicaciones urbanas, N = 4 y se utiliza una celda de tres sectores para obtener más portadoras por celda que N = 7. Además, el C / I se convierte en 20 dB en los peores casos.

DAMPS Utiliza patrón de celda 7/21

GSM Utiliza un patrón de celdas 4/21

Ventajas de la sectorización

  • Disminuir la interferencia cocanal
  • Incrementar la capacidad del sistema

Desventajas de la sectorización

  • Gran cantidad de antenas en la estación base.
  • El aumento en el número de sectores / celda reduce la eficiencia del enlace
  • La sectorización reduce el área de cobertura, para un grupo particular de canales.
  • Aumenta el número de "transferencias".

Manos libres

Cuando la unidad móvil viaja por un camino, atraviesa diferentes celdas. Cada vez que ingresa a una celda diferente asociada con f = frecuencia diferente, el control del móvil es asumido por la otra estación base. Esto se conoce como "Entrega".

La entrega se decide en función de:

  • Información de intensidad de señal recibida si está por debajo de un valor umbral.
  • La relación portadora / interferencia es inferior a 18 dB.

Interferencia de canal adyacente

Una celda / sector determinado utiliza varios canales de RF. Debido a los filtros del receptor imperfectos, que permiten que las frecuencias cercanas se filtren en la banda de paso, se produce la interferencia del canal adyacente.

Puede reducirse manteniendo las separaciones de frecuencia entre cada canal de RF en una celda determinada lo más grande posible. Cuando el factor de reutilización es pequeño, esta separación puede no ser suficiente.

Una separación de canales, mediante la selección de frecuencias de RF, que están separadas por más de 6 canales, es suficiente para mantener las interferencias de los canales adyacentes dentro de los límites.

Por ejemplo, en GSM que sigue el patrón 4/12, N = 4

Sectores = 3 / celda

IA utilizará RF Carr. 1, 13, 25, ……… ..

IB utilizará RF Carr 5, 17, 29, …………

IC utilizará RF Carr. 9, 21, 33, ……… .. y así sucesivamente.

Trunking

Las radios celulares se basan en enlaces troncales para adaptarse a una gran cantidad de usuarios en un espectro de radio limitado. A cada usuario se le asigna un canal en función de la necesidad / por llamada y, al terminar la celda, el canal se devuelve al grupo común de canales de RF.

Grado de servicio (GOS)

Debido al trunking, existe la posibilidad de que una llamada se bloquee si todos los canales de RF están ocupados. Esto se llama "Grado de servicio" "GOS".

El diseñador celular estima la capacidad máxima requerida y asigna la cantidad adecuada de canales de RF para cumplir con el GOS. Para estos cálculos, se utiliza la tabla 'ERLANG B'.

División celular

Cuando el número de usuarios alcanza una saturación en una celda de inicio (diseño inicial) y no hay más frecuencia de reserva disponible, entonces la celda de inicio se divide, generalmente en cuatro celdas más pequeñas y el tráfico aumenta en cuatro y más el número de suscriptores se puede servir.

Después de 'n' splits, el tráfico será:

T2 = T0 × 42

La potencia se reducirá -

P2 = P0 - n × 12 db

Por tanto, la división de células mejora la capacidad y reduce la potencia de transmisión.