Celular Es
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UPC Grupo de Comunicaciones Radio 1
• Sistemas celulares– Reuso de Frecuencias– Cálculo CIR. Relación con el factor de reuso– Sectorización y Eficiencia– Nuevas Estructuras
• Técnicas de Acceso Múltiple– FDMA– TDMA: Evaluación de la capacidad– CDMA: Aspectos básicos. Tasa de Error. Cálculo de la capacidad
• Técnicas de Duplexado– Duplex por división de frecuencia, FDD– Duplex por división en tiempo, TDD
• Estructura de la Red Móvil– Funciones básicas– Estructura de Protocolos de una red de acceso radio
Comunicaciones móviles celulares
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 2
• Protocolos de Acceso MAC– Slotted Aloha-CDMA– Protocolo ISMA– Protocolo DQRAP-CDMA
• Protocolos de Control de Enlace (RLC)– Técnicas de retransmisión (ARQ): Stop & Wait, Go-Back-N, ARQ selectivo– Técnicas de control de Flujo: Protocolo de Ventana Deslizante
Comunicaciones móviles celulares (cont.)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 3
A
BG
F
E
DC
A
F
E
seven cell cluster
cells with like letters use the same set of frequencies
mean re-use distance
u Sistemas basados en la reutilización de frecuenciasu Cobertura dividida en células (baja potencia)
u Hexágonos (permiten teselación con área similar al círculo)– Tamaño de la célula depende del tráfico– Estaciones base interconectadas– Agrupacion de células en clusters
SISTEMAS CELULARES
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 4
u En un cluster se utilizan todos los radiocanales.u Usuarios de distintos clusters usan simultáneamente el mismo
radiocanal (aumenta eficiencia )
u La estructura se diseña para reducir la interferencia cocanal.
)2m.Hz/.ch(KCN
.TB
1.KCN
.SN
TB1.
CS/NN/K
C ηη======ηη
u HANDOVER (traspaso de canal al cambiar de célula)
– Automatico, sin intervencion del usuario Incremento señalización
– Consume tiempo
REUSO DE FRECUENCIAS
K K es el es el factor de factor de reuso reuso ((numnum. . células por células por cluster)cluster)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 5
CALCULO CIR
RRD: D: distancia distancia de de reusoreuso
Punto Punto con con las peoreslas peorescondicionescondiciones de CIR de CIR
αα
αα
αα
−−==
−−ββ
ββ==== 1
RD
)RD(1
R1
PP
CIRI
u
αα
−−==== 1
RD
61
PP
CIRI
u
αα factor de factor de atenuaciatenuacióónncon la con la distancia distancia (2-5)(2-5)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 6
u No todos los valores de K son implementables (existen valorespara los que la distancia de reutilización no se mantiene, CIRvariable).
u Debe cumplirse: con u1 y v1 enteros
RELACION ENTRE K Y CIR
1121
21 vuvuK ++++==
11 11
11 11
11 22
11 22
11
11
11 22
33 11
33
22
11 22
33 11
33
22
K=1K=1
K= 4, 7,...K= 4, 7,...sisiK= 5, 6 noK= 5, 6 no
K=2, noK=2, noK=3, K=3, sisi
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 7
RELACION ENTRE K Y CIR
1121
21 vuvuK ++++==
PP
OO
αααα
RRdd
23
R30cosRd ====
DRK3DK)sinDv()cosDvDu(OP 12
112
1111 ======αα++αα++==
R3d2D1 ====
DD11 distancia entre centros distancia entre centros de dos de dos células vecinascélulas vecinas
(( ))αααα
−−==
−−== 1K3
61
1RD
61
CIR (( ))2/1)CIR6(131
K αα++==
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 8
uSECTORIZACIÓN (antenas direccionales 120 º):
n = núm. células interferentes { Antenas omnidireccionales n = 6
Antenas sectoriales (120º) n = 2– Cambio de sector handover
– Se utiliza solo en zonas de tráfico elevado
SECTORIZACION Y EFICIENCIA
(( ))2/1)nCIR(131
K αα++==
)2m.Hz/.ch(K1
RB1
2R
1
TB1.
CS/NN/K
C ππ====ηη
uEFICIENCIA– disminución del tamaño de la célula (aumenta el handover)
– disminución del ancho de banda del radiocanal
– disminución de K: - sectorización (aumenta el handover)
- disminuir CIR (modulaciones digitales)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 9
u MICROCELULAS (metropolitanas)– Cobertura: centenares de metros (baja pot.)
– usualmente en LOS
– Base por debajo de la altura de los edificios.
– Propagación guiada
u PICOCELULAS (indoor)– fuerte obstaculización
– estaciones base en cada planta
– cobertura del unos 100 m (baja pot.)
base stationmobil unit
LOS
mobil unitNLOS
thik wall thin wall
base
NUEVAS ESTRUCTURAS
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 10
u CELULA MULTICAPA
2+ Mb/s
In building
pico-cell
0.01 - 0.1 km
1 - 2 Mb/s
Metropolitan
micro-cell
0.1 - 0.5 km
300 kb/s
City-Urban-Ruralmacro-cell
0.5 - 100 km
Global cell by Mobile Satellite
Macrocell
Microcell
Picocell
u MACRO-CÉLULAS
u MICRO-CÉLULAS
u PICO-CÉLULAS
CLASIFICACIÓN TIPOS DE CÉLULAS
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 11
Técnicas de Acceso Múltiple:
• Acceso múltiple por División de Frecuencia - FDMA• Acceso múltiple por División en el Tiempo - TDMA• Acceso múltiple por Decisión en el Código - CDMA
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 12
* FDMAFrecuencia
TiempoUsuario 1
Usuario 2
Usuario 3Usuario 4
f1
f2
f3
f4
t10 t2 t3 t4
SE BASA EN LA SEGMENTACIÓN EN RADIOCANALES DE LA BANDADISPONIBLE.
A cada usuario se leasigna un radiocanal
Se divide el ancho de banda total asignado BT en M canales. Cada usuariotransmite durante todo el tiempo ocupando su canal.
1 2 3 M4
BT
f
BgBc Filtro separador
ACCESO MULTIPLE FDMA (I)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 13
CARACTERÍSTICAS
4 Compatibilidad con modulaciones y señales analógicas y digitales.4 Sencillez de implementación. Tecnología muy experimentada.4 No hace falta igualador (un usuario ocupa una banda reducida)4 Complejidad estaciones multicanal: un TRx/radiocanal más combinadores y
un amplificador lineal de banda ancha (intermodulación)4 Dificultad de inserción de canales de señalización de modo simple4 Rigidez en la gestión de recursos (no apta para flujo de tráfico variable)4 Poco adecuada a conmutación de paquetes (pensada para c.circuitos)4 Duplex FDD requiere duplexor de antena Sobrevive como técnica mixta FDMA/TDMA
Ancho de Banda Total Ocupado : cgcTFDMA MB)BB(MBB >>++≅≅==
Bg.puede suponer un 10% del totalBc depende de la modulación: FM banda estrecha 25 kHz (TACS) Mod. Digitales QPSK, MSK,..
M
R
TMTB b
bsc
22 loglog
11=
⋅=≅
ACCESO MULTIPLE FDMA (II)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 14
t10 t2 t3 t4
* TDMA Frecuencia
Tiempo
Usua-rio 4
Usua-rio 3
Usua-rio 2
Usua-rio 1
f1
f2
f3
f4A cada usuario se le asignaun intérvalo temporal
Los usuarios comparten la misma frecuencia en breves instantes de tiempoque se repiten periódicamente.
Tx Rx
Memoria
Memoria
Memoria
User 1
User 2
User M
N bits
Rb bit/s (codificados)
Memoria
Memoria
Memoria
User 1’
User 2’
User M’Rc bit/s
Sincronismo
ACCESO MULTIPLE TDMA (I)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 15
ESTRUCTURA DE UNA RAFAGA
1 2 MBurst o ráfaga
Slot o ranura
Trama TT
Tiempos de guarda entre ráfagas
Sec.sincronismo bity estimación h(t)
Canales lógicos de control,señalización c.potencia, etc.
Datos codificados
Tu
4 Cada cierto tiempo la BS transmite una ráfaga de control.
T
u
T
TTDMA T
TMT
)T(util.t ⋅⋅≅≅==ηη Tc
TDMATb TM
RTRN η==
FDMAbcTDMA BMRRB ≅≅≥≥≅≅
ACCESO MULTIPLE TDMA (II)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 16
CARACTERÍSTICAS
4 Se utiliza con modulaciones digitales. Requiere digitalizar la información.4 Sencillez de implementación. Tecnología muy experimentada.4 Simplicidad de las estaciones base multicanales. Un sólo equipo transceptor.4 Muy versátiles. Permiten acomodar flujos de tráfico variables asignando
varias ráfagas a un usuario.4 Adecuada a conmutación de paquetes4 Inserta canales de señalización modo simple.4 Posibilidad de transmisión dúplex utilizando un único radiocanal (TDD
elimina la necesidad del duplexor de antena)4 Requiere una estricta sincronización temporal para evitar colisiones entre
ráfagas de distintos usuarios (s. de trama y de bit)4 Normalmente requiere de igualadores para compensar distorsión del canal4 Requiere control de potencia y Time Advance
ACCESO MULTIPLE TDMA
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 17
TRAFICO Y CAPACIDAD EN SISTEMAS TDMA
)célula/.ch(KCB
TBm==uEFICIENCIA del sistema en unidades de tráfico
u Grado de Servicio (GoS) o probabilidad de bloqueo
u Se despeja el tráfico m1=f(m,PB) en Erlangs/célula
(normalmente en tablas para un GoS determinado)
u
u
u
u
Ts (seg) duración media de una llamada, Q n.llamadas/usuario en la hora cargada
∑∑==
==
m
0k
k1
m1
B!k/m
!m/)m(P
mm11
mm
ChCh//célula célula o o chch/sector /sector si si hay hay sectorizaciónsectorización
2212 km/erlangs)R/(mm ππ==
2s23 km/hora/llamadasT/3600mm ==
234 km/usuariosQ/mm ==
célula/usuariosRmm 245 ππ==
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 18
Los usuarios comparten la misma frecuencia y tiempo. Se distinguen entreellos asignándoles un código digital ortogonal..
A cada usuario se le asignaun código distinto
CARACTERÍSTICAS
4 La información a transmitir debe estar digitalizada. Se utiliza asociada amodulaciones digitales.
4 Realiza una expansión del espectro.4 Requiere una estricta sincronización temporal y control de potencia4 Mejor comportamiento frente interferencias cocanal y distorsión debida a
la propagación radioeléctrica.
t10 t2 t3 t4
* CDMAFrecuencia
Tiempo
Usuario 4Usuario 3
Usuario 2Usuario 1
f1
f2
fn
CÓDIGO ORTOGONAL 1
ACCESO MULTIPLE CDMA
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 19
•• CDMA por saltos en frecuencia (FFH-CDMA,SFH-CDMA)
• CDMA por secuencia directa (DS-CDMA)
{{ }}
{{ }}
∑∑ ωω==ωω−−⋅⋅==
∑∑ ±±∈∈−−⋅⋅==
±±∈∈∑∑ −−⋅⋅==
kccccTk
kkccTk
nn
bbTn
tcos)t(Actcos)kTt(rectcA)t(s
1b)kTt(rectb)t(p
1a)nTt(recta)t(m
m(t)
p(t) Gen.sec.PN
Gen.portadora
x xm(t) c(t) s(t)
p(t)
TRANSMISOR CDMA
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 20
Señal deinformación
Señal moduladaen direct sequence
2c
c2
cc
2b
b2
bm
)fT()fT(sin
T)f(S
)fT()fT(sin
T)f(S
ππππ==
ππππ==
c
bp T
Tlog10G ==
Ganancia de procesado
ESPECTRO CDMA
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 21
)t(Am)t(p)t(Am)t(K
)t(Ac)t(p)t(Am)t(f
tcos2tcos)t(p)t(Am)t(r
2
cc
====
====
ωω⋅⋅ωω==
Gen.sec.PN
x
O.L.
xr(t)
Filtro adaptadoL.P.F.
f(t)
p(t)
K(t)
Secuencia local perfectamente alineada con la secuenciarecibida
RECEPTOR CDMA
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 22
♦ SecuenciasSecuencias de ensanchamiento (sec.m, sec.Gold)• Las secuencias deben cumplir las siguientes características:
− Tener naturaleza pseudoaleatoria.− Presentar buen comportamiento en términos de autocorrelación.− Fácilmente distinguible de otra secuencia de la misma familia.− Ser fácil de generar.
♦ SincronismoSincronismo• Tres etapas:
− Adquisición (sec.alineadas con desplazamiento< que Tc/2)− Seguimiento (mediante DLL o filtro de Kalman).− Verificación (control del sincronismo).
♦ Control deControl de potenciapotencia (fenómeno “Near-Far”)• La potencia recibida en la estación base debe ser idéntica para todos losmóviles.
ASPECTOS BASICOS EN UN SISTEMA CDMA
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 23
♦ El CDMA es una forma de acceso múltiple más distribuidadistribuida enrelación al TDMA
♦♦ Inmunidad y diversidadInmunidad y diversidad inherentes frente a las interferencias.
♦♦ Plan de Plan de reusoreuso de frecuencias más sencillo y flexible. Soporta unreuso universal (cluster de tamaño 1)
♦♦ ConvivenciaConvivencia con otros sistemas de banda estrecha.
♦♦ Mayor flexibilidadMayor flexibilidad para acomodar servicios de naturalezaestadística distinta
VENTAJAS CDMA
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 24
[[ ]]
dbkd
1x
x
ccycx
nTAar
)t(n)t(Am)t(p)t(n)t(Am)t(d
)t(n)t(p)t(Am)t(f
tcos2tsin)t(ntcos)t(n)t(s)t(r
++==
++==++==++==
ωω⋅⋅ωω−−ωω++==
n(t) ruido gaussiano con densidad espectral No
xxr(t)
L.P.F.
f(t)
p(t)OL
d(t)s(t)+n(t)∫∫
++ bT)1k(bkT dt(.)
rd
kTb
Si Gp es grande, nd es una v.a. Gaussiana de media cero y varianza NoTb
{{ }} {{ }}
==
σσ
==>>++−−<<==o
b
n
bbdbdb N
Eerfc
21
2AT
erfc21
ATnprob21
ATnprob21
P
PROBABILIDAD DE ERROR CDMA
CASO a) : 1 USUARIO + RUIDO BLANCO
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 25
Acceso múltiple (dos usuarios: útil (i) y s1(t))
YnTAadtcos)t(p)t(paAnTAar dbki
bT)1k(
bkTi1i11kdbkid ++++∫∫ ==ϕϕ++++==
++
xxr(t)
L.P.F.f(t)
p(t)OL
d(t)s1(t)+s2(t)+..+sN(t)+n(t)∫∫
++ bT)1k(bkT dt(.) rd
kTb
• Y es una v.a. Gaussiana de media cero y varianza (suponiendo p1 y pi local sincronizadas y aleatorias)
•Si tenemos M usuarios habrá M-1 interferencias.
2/1
pb
o
cb
2
bo
2b
2
b G)1M(
EN
erfc21
)1M(TT2
ATN2
TAerfc
21
P
−−
−−++==
−−++
==
cb
2TT
2A
CASO b) : M USUARIOS + RUIDO BLANCO
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 26
XYnTAadt)tcos()t(pIYnTAar dbki
bT)1k(
bkTIidbkid ++++++∫∫ ==ϕϕ++ωω∆∆++++++==
++
Interferencias
• X es una v.a. Gaussiana de media cero y varianza
2/1
p
22
pb
o
cb
2
cb
2
bo
bbb
GA/I
G)1M(
EN
erfc21
TT2
I)1M(TT
2A
TN
TEerfc
21
P
−−
++−−++==
==
++−−++==
cb
2TT
2I
s1(t)+s2(t)+..+sN(t)+i(t)+n(t)
cIc T/1)ttcos(I)t(i <<ωω∆∆ϕϕ++ωω∆∆++ωω==
CASO c) : M USUARIOS + RUIDO BLANCO + INTERFERENCIA DEBANDA ESTRECHA
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 27
CASO d) : M USUARIOS + RUIDO BLANCO + INTERFERENCIA DEBANDA ESTRECHA EN UN ENTORNO MULTICELULAR
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
Caso TDMA: Cluster paraevitar interferencia cocanal
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
Caso CDMA: soporta reusocompleto de frecuencias
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 28
Ahora hay que considerar dos componentes de interferencia multiusuario:
A)A) Interferencia intracelular Interferencia intracelular (célula propia)
MOVIL1
MOVIL2
A1 A2
PT1=A1 PR1=1 (normalizada)
PT2=A2 PR2=1 (normalizada)
Con control de potencia ideal:
MOVIL1
A1MOVIL2
A2 A3
BASE1
BASE2
A4PT2=A2 PR2,2=1 (normalizada)
PT1=A1 PR2,1= A1 / A3 (normalizada)
PR1,1= 1 (normalizada)
PR1,2= A2 / A4 (normalizada)
PRi,j : potencia recibida en la base i-ésima del usuario j-ésimo
B)B) Interferencia intercelular Interferencia intercelular (células vecinas)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 29
En el enlace ascendente, y bajo condiciones de control de potencia ideal, lainterferencia INTRACELULAR depende de la estadística de tráfico (número deusuarios simultáneos), mientras que la interferencia INTERCELULAR dependetanto de la estadística de tráfico como de la estadística del canal.
Habitualmente la interferencia INTERCELULAR se representa como un cierto %de la interferencia INTRACELULAR:
2/122 /
)1()1(
2
1−
++
−+=
ppb
ob G
AIf
G
M
E
NerfcP
Con un modelo de propagación con constantede atenuación con la distancia µµ=4 y shadowinglognormal σσ (dB) se encuentra que:
σσ (dB) f
0 0.44 2 0.43 4 0.45 6 0.49 8 0.55 10 0.66 12 0.91
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 30
CÁLCULO DE CAPACIDAD EN CDMA
• CDMA ofrece la propiedad de “SOFT CAPACITY” de manera que nohay bloqueo en el sentido de no encontrar canales disponibles(suponiendo que el número de secuencias código no es restrictivo) comoen el caso de TDMA. Es decir, puede aceptarse la entrada de un nuevousuario a costa de degradar la calidad de TODOS los demás.
• Debe distinguirse entre: Usuario registrado Usuario activo Usuario simultáneo
• Para un cierto nivel de calidad en términos de tasa de error, puededefinirse un umbral para la probabilidad de sufrir degradación decalidad como criterio para fijar la capacidad de un sistema CDMA
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 31
CÁLCULO DE CAPACIDAD EN CDMA
• Un requerimiento de calidad en términos de tasa de error supone:
mino
bp
o
b
N
E
fM
G
N
E
≥
+−=
)1)(1(
( )
+
+>=
<
+−=
min
b
P
mino
bpdegr
NEf
GMob
N
E
fM
GobP
01
1Pr)1)(1(
Pr
• Definimos la probabilidad de que se degraden las prestaciones:
• Para una población que genera llamadas con una tasa λλ, de duración media (1/µµ)y con factor de actividad vocal αα se tiene:
{ } ( ))/exp(
!
/µαλ
µαλ−==
aaMP
a
Nu ×= λλ
( )µλ / son Erlangs/sector, tasa de llegadas por usuario y nùmero de usuarios regitradosuλ N
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 32
mino
b
p
N
Ef
GA
+
+=)1(
1• Llamando:
resulta:
( )∑=
−−=A
a
a
degr aP
0
)/exp(!
/1 µαλ
µαλ
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 33
3 Permiten la comunicación Duplex (transmisión y recepción simultanea) del sistema.3 Técnicas utilizadas:
• FDD: Duplexado por División de Frecuencia.• TDD: Duplexado por División en Tiempo.
TECNICAS DE DUPLEXADO
kTécnica FDD• El enlace ascendente y el enlace descendente operan en bandas de frecuencia distintas
• Para simplificar la separación de ambas bandas por filtrado se fija una mínima diferencia de frecuenciaentre ambas bandas. Por ejemplo: 45 MHz para sistema GSM, 90 MHZ para el sistema DSC1800.
• Si la técnica de acceso múltiple es TDMA, aun disponiendo de una única antena, no es necesario incluirel Filtro de Duplexado. Basta con desplazar algunos slots el origen de la trama de enlace ascendente conrespecto a la trama descendente . ⇒ Instantes de tiempo de transmisión y recepción separados..
Guarda deDuplexado
FrecuenciaEnlace Ascendente Enlace Descendente
T=0
Enlace Descendente
Enlace Ascendente
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 34
TECNICAS DE DUPLEXADO (Cont.)
kTécnica TDD• El enlace ascendente y el enlace descendente operan en la misma bandas de frecuencia, utilizando
diferentes slots
• Permite signar recursos de forma asimétrica, haciendo un uso más eficaz del espectro disponible.Por ejemplo en aplicaciones tipo INTERNET (WEB,FTP, etc...)
• Esta técnica se puede utilizar en tecnologías de acceso basadas en TDMA y CDMA.
• Puesto que el enlace ascendente y descendente comparten el mismo canal físico, el control del Sistemapuede establecerse en lazo abierto. Permite implementar en el emisor de la Estación Base técnicas dePredistorsión de la señal que compensen los efectos degradantes del canal móvil, disminuyendo lacomplejidad del terminal móvil y abaratando su coste
Enlace DescendenteEnlace
Ascendente
Trama
Permite la configuraciónvariable del número de slotsasignados a cada enlace
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 35
ESTRUCTURA DE LA RED MOVIL
Base Datos
Abonados
Base Datos
Abonados
CentroAutentif.
Base Datos
Visitada
Conmutador ControladorBTS
Estación Base
(BTS)
Centro Mensajería
REDFIJA
Estación Base
(BTS)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 36
EstaciónEstación Base (BTS) : Base (BTS) : Transmisión-recepción y procesado de la señal recibida(Formar el multiplex TDMA, control de potencia, TA y sincronización)
ControladorControlador EstaciónEstación Base (BSC) Base (BSC) (Gestión y control de BTS, asignación decanales móvil-red, contenido de canales de Radiodifusión,Handover entre BTS´s bajo sucontrol)
Centro de Centro de conmutaciónconmutación (MSC). (MSC). Central ISDN responsable del control de llamada.Interface de la red fija con la móvil. (enrutado llamadas, facturación, gestión de movilidadcon HLR y VLR, handover entre distintas BSC.
Base de Base de DatosDatos AbonadosAbonados Base de datos con los usuarios abonados,independientemente de la localización real de los mismos.
Base deBase de Datos Visitantes Datos Visitantes Base de datos local: contiene información de los MT que enun momento determinado están en el área de localización controlada por el MSC.
Centro Centro Sevicio Sevicio de de MensajeríaMensajería Permite el envio Permite el envio dede mensajes cortos mensajes cortos, email, etc, email, etc
Centro de Centro de AutentificaciónAutentificación Garantiza que los móviles que acceden a la red pertenecena la misma.
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 37
Elección de estación base– Nivel de potencia
Difusión de información– Identidad de sistema
– Configuración sistema
FUNCIONES EN UN SISTEMA MÓVIL
4Enganche
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 38
Acceso a la estación base– Móvil Ù Base
Método de acceso aleatorio– Recurso compartido
Confirmación de acceso– Base Ù Móvil
Colisión y reintento
4Acceso
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 39
• Elección del canal– Asignación del canal (función tipo acceso)
• Información inicial– Potencia
– Frecuencia
– Patrón temporal
– Capacidades del sistema
– Seguridad
4Establecimiento de la llamada
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 40
4Monitorización
Estación base
Móvil
Parámetros– Potencia
– S/I
– Tasa de error
– Distancia
– Potencia de otras estaciones base
Objetivo: Garantizar que la calidad del enlace es la adecuada. En casocontrario se iniciará un proceso de traspaso de llamada
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 41
• El mecanismo de HANDOVER permite a los sistemas celulares garantizar lacomunicación cuando un móvil se desplaza a lo largo de su zona de cobertura.
• Cuando la calidad del enlace con la base de la célula en cursose hace insuficiente,se transfiere la comunicación del móvil a la base de una nueva célula (intercell-Handover) o a otrocanal de la misma base (intracell Handover)
• Calidad del enlace:RSSI (C+I:Radio Signal Strength Indicator)BERRelación Señal-Interferencia (C/I)DistanciaTráfico
4Traspaso de llamada (Handover)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 42
Medidas
– Medidas móvil• Tasa de error
• Nivel de potencia recibido
• Nivel de potencia de las estacionesbase colindantes
– Medidas estación base• Tasa de error
• Nivel de potencia recibido
• Avance de tiempo
Motivación– Mala calidad
– Distribución de tráfico
Control– Decidido por la red
– Asistido por el móvil
– Controlado por el móvil
Tipo– Hard handover
– Soft handover
4Traspaso
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 43
BS1 BS2
Distancia
Señal recibida de BS1 Señal recibida de BS2
Fading lento (lognormal)Fading Rápido (Rayleigh)
Path loss (Nivel teórico)
4Handover basado en RSSI
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 44
Antes
Durante
Después
4Soft y Hard Handover
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 45
Objetivos– Limitar interferencia
– Ahorro de baterías
Criterios– Nivel de señal
– Relación S/I
4Control de Potencia
En caso de control por (S/I) Problemas de estabilidad por efectoceldas vecinas
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 46
ΤΤΤΤ ΤΤΤΤ
τ1τ1τ1τ1τ2τ2τ2τ2
Transmite en Transmite en ττττ11Transmite en (Transmite en (ττττ2+T)2+T)
Objetivo:Objetivo:
Situación real:Situación real:
Resultado:Resultado:2∗τ12∗τ12∗τ12∗τ1
(2∗τ2+Τ)(2∗τ2+Τ)(2∗τ2+Τ)(2∗τ2+Τ) Colisión !!Colisión !!
SYNC
4Avance Temporal (I)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 47
τ1τ1τ1τ1τ2τ2τ2τ2
Transmite 2*Transmite 2*ττττ1 antes1 antes Transmite en 2*Transmite en 2*ττττ2 antes2 antes
Solución:Solución:
Precaución: primer acceso ráfaga más cortaPrecaución: primer acceso ráfaga más corta
4Avance Temporal (II)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 48
Llamada entrante
Llamada entrante
Base de datos
Area de localización Attach/detachUpdate
4Búsqueda
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 49
ESTRUCTURA DE PROTOCOLO PARA UNARED DE ACCESO RADIO
MAC
Capa Física
Con
trol
Con
trol
Con
trol
Med
idas
MAC
Capa Física
Con
trol
Con
trol
Con
trol
Med
idas
Med
idas
Medidas
RLC retransmisión control
RLC RLC
Control Plane Control PlaneUser Plane User Plane
Asignación de Recursos Radio
RED DE ACCESO RADIO TERMINAL USUARIO
Canales Lógicos
Canales de Transporte
L3
L2
L1
RRC
MM
CM
RRC
MM
CMM
edid
as
MedidasControl de Movilidad
Control de Conexión
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 50
4FuncionalidadesCapa Física
• Procesado de las señales de RF• Modulación/ Demodulación, Multiplexado/Demultiplexado.• Sincronización temporal(bit slot, trama) y frecuencial• Macrodiversidad y soft/hard handover• Control de potencia
Sub-Capa de Acceso al Medio (MAC)• Canal de acceso RACH. Resolución de la contención del acceso• Multiplexado de diferentes canales lógicos (TCH, SACH, FACH, BCCH, etc..).
Mapeado entre canales lògicos y canales de transporte.• Gestión de los flujos de datos de usuario. Algoritmos de asignación de recursos
(Scheduling).
Sub-Capa de Control de enlace (RLC)• Segmentación y ensamblado de los paquetes de datos de usuarios.• Corrección de errores mediante procesos de retransmisión .• Control de flujo: Detección de la integridad de la secuencia de datos. Detección
de duplicidades.
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 51
Sub-Capa de Gestión de Recursos Radio• Control General de los servicios ofertados por la Red de Acceso Radio.• Gestión de los recursos radio (Control Handover, Control de admisión, etc...)• Establecimiento,mantenimiento y liberación del canal radio.• Control de la Calidad de Servicio (QoS).
Capa de Gestión de la Movilidad (MM)• Soporte de la movilidad del usuario no relacionados con las funcionalidades del
canal radio: Registro y Gestión de los datos de movilidad.• Verificación de la identidad del terminal y la del usuario. Procedimientos de
autentificación.
Capa de Gestión de la Conexión (CM)• Establecimiento, Control y Finalización de la llamada.• Gestión del encaminamiento de la llamada.• Procedimientos de adaptación de la llamada a las características de las redes a las
que accede (normalmente redes fijas).
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 52
• Slotted ALOHA-CDMA
• Protocolo ISMA
• Protocolo DQRAP-CDMA
Los sistemas de tercera generación están basados en un acceso CDMA:
• No requiere planificación frecuencial• Rebustez frente a interferencias• Multiplexado natural de distintas fuentes de tráfico• Flexibilidad
La naturaleza “bursty “ de la información de datos beneficia las estrategias de accesoque permiten la asignación de recursos en función de los datos a transmitir que estánalmacenados en los buffers de entrada.
PROTOCOLOS DE ACCESO MAC
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Protocolo S-ALOHA/ CDMA. Definición
• Se define una estructura de trama basada en ráfagas (slots)
• Cuando un usuario tiene información transmite sin preocuparse por el estado delcanal.
• Si dos o más usuarios transmiten al mismo tiempo puede producirse una colisión . Latécnica de acceso CDMA permite discriminar entre dos usuarios si éstos utilizancódigos CDMA diferentes.
• En caso de colisión, se retransmite el paquete en slots sucesivos con probabilidad pr .
• Adaptatividad de la velocidad de transmisión ofertada al usuario.
/ Para cargas bajas no es necesario utilizar una ganancia de procesado elevadapuesto que hay poca interferencia. Ù Para cargas bajas puede aumentarse lavelocidad de transmisión.
constanteRGTT
T
TBW bP
CC
b
C
=⋅=⋅==11
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 54
Resultados
Sistema Unicelular Sistema Multicelular
• S-ALOHA DS-CDMA proporciona mayorrendimiento que S-ALOHA de bandaestrecha, incluso aunque pudiera aceptarseun cluster de únicamente 3 células.
• Aplicando el grado de codificación adecuado,el sistema S-ALOHA DS-CDMA puedeproporcionar mayor throughput que el sistemaS-ALOHA convencional.
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 55
Protocolo ISMA. Definición
® Se dispone de un conjunto de K códigos a compartir por un conjunto de usuariosregistrados. La estación base difunde los códigos ocupados.
Trama UTRA: 10 ms
Paquete 1 Paquete 2 Paquete 3A
Código Ci (uplink)
ACK Paquete 1 ACK Paquete 2R
Código Ci (downlink)
ACK Paquete 3
A: Paquete de acceso. Duración: 1 slot UTRA (1/16 trama)
R: Respuesta de la base. Duración: 1 slot UTRA (1/16 trama)
Broadcast (downlink)
0 01
C1 Ci CK
0 01
C1 CiCK
0 01
C1 Ci CK
0 00
C1 Ci CK
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 56
® Optimización de prestaciones en ISMA:– El número de códigos libres da información sobre la carga del sistema:
• Probabilidades de acceso de nuevos usuarios y de reintento para usuariosque han sufrido colisiones variables según los códigos libres
• Probabilidades de acceso diferentes según la QoS
– Formación de grupos de códigos:• Códigos para usuarios best effort para servicios con bajos requerimientos
de QoS (ej. Tráfico WWW, …)
• Códigos dedicados a usuarios que requieren una QoS garantizada (voz,vídeo). Pueden utilizar ISMA como vía para notificar peticiones quedespués la estación base deberá confirmar.
– Utilización de la información sobre la ubicación de los móviles
– Técnicas de adaptación de velocidades
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 57
Protocolo DQRAP/CDMA
– Cada móvil transmite en modo ranurado con tres mini-slots
– Un mini-slot activo (seq PN) indica petición de acceso
– La Base notifica : ausencia, éxito o colisión en la transmisión de cada unode los minislots
– Cada terminal mantiene dos colas: Peticiones y Transmisión para cadauno de los usuarios contendientes
– Menos códigos (seq. PN) que usuarios
– Capacidad para gestionar mensajes en lugar de paquetes.22
DATOSTime Slot (Ts)
Mini-slots
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Ejemplo
DTi = i-th Data Terminal
End of Slot:Execution of
algorithm rules
DT 1
TQ=0RQ=0pTQ=0pRQ=0
DT 2
TQ=0RQ=0pTQ=0pRQ=0
DT 4
TQ=0RQ=0pTQ=0pRQ=0
DT 3
TQ=0RQ=0pTQ=0pRQ=0
p2p4
DT 1
TQ=1RQ=1pTQ=0pRQ=1
DT 2
TQ=1RQ=1pTQ=1pRQ=0
DT 4
TQ=1RQ=1pTQ=0pRQ=0
DT 3
TQ=1RQ=1pTQ=0pRQ=1
DT 1
TQ=2RQ=0pTQ=1pRQ=0
DT 2
TQ=2RQ=0pTQ=0pRQ=0
DT 4
TQ=2RQ=0pTQ=0pRQ=0
DT 3
TQ=2RQ=0pTQ=2pRQ=0
DT 1
TQ=0RQ=1pTQ=0pRQ=0
DT 2
TQ=0RQ=1pTQ=0pRQ=1
DT 4
TQ=0RQ=1pTQ=0pRQ=1
DT 3
TQ=0RQ=1pTQ=0pRQ=0
DT 1
TQ=0RQ=2pTQ=0pRQ=2
DT 2
TQ=0RQ=2pTQ=0pRQ=1
DT 4
TQ=0RQ=2pTQ=0pRQ=1
DT 3
TQ=0RQ=2pTQ=0pRQ=2
DT 1
TQ=4RQ=0pTQ=3pRQ=0
DT 2
TQ=4RQ=0pTQ=2pRQ=0
DT 4
TQ=4RQ=0pTQ=1pRQ=0
DT 3
TQ=4RQ=0pTQ=4pRQ=0
p4 p4 p3 p1p3
p1 p3
p1p3 p2
p1p2p3
p1 p3 p2p2p4 p1
p2p4
p1p3 p4 p2
SpreadingCodes
K1
K2
K3
Packetarrivals
timep =packet of data terminal i i
p1 p2 p3
minislots data
p4 p2 p3 p1p4 p2 p4
n=1n=0 n=2 n=3 n=4 n=5
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Resultados
kkComparación prestaciones protocolos ISMA y DQRAP/CDMAComparación prestaciones protocolos ISMA y DQRAP/CDMA
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 200 400 600 800 1000
Carga ofrecida (Kbps)
reta
rdo
men
saje
s (m
s)
S-ALOHA/CDMA ISMA/CDMA DQRAP/CDMA
K=16
0
200
400
600
800
1000
0 200 400 600 800 1000
Carga ofrecida (Kbps)re
tard
o m
ensa
jes
(ms)
ISMA/CDMA DQRAP/CDMA S-ALOHA
K=32
♦16 Códigos acceso ♦32 Códigos acceso
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PROTOCOLOS DE REPETICIÓN
• En cualquier esquema de modulación o codificación existe una probabilidad deerror residual imposible de eliminar.
• En ciertas aplicaciones (p.e. transmisión de mensajes vocales) existeredundancia en la información transmitida, por lo que esos errores pueden sertolerados o ignorados.
• En otro tipo de aplicaciones (p.e. Transmisión de datos entre terminales ) esoserrores son intolerables.
• La técnica de control más ampliamente utilizada para mejorar la fiabiolidad deestos sistemas se basa en la detección de errores y en la petición de
retransmisión.Ü Automatic Repeat Request (ARQ)
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 61
4Conceptos Fundamentales• Las técnicas de ARQ se utilizan cuando se requiere una integridad de la
información muy elevada . Sus prestaciones son satisfactorias incluso en canalescon tasa de error elevadas
• Para mejorar la calidad de una transmisión, resulta básico realizar la detección delos paquetes erróneos y la petición de retransmisión de éstos.
• La detección de errores tiene un doble propósito: proporcionar información acercade la recepción de paquetes erróneos y monitorizar la calidad del enlace.
Fuente Datos TerminalTransmisor
Codificador
Control derepetición
Enlace Bidireccional
DestinoTerminalreceptor
Decodificador
Control derepetición
Ack/Nack Ack/Nack
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4ARQ Stop & Wait (Parada y Espera)
• Es el esquema más sencillo y más ampliamente utilizado en ciertos sistemas.
• En el ARQ con parada y espera, los bloques son transmitidos de uno a uno.Después de la transmisión de un bloque, se espera la recepción del reconocimientodel receptor antes de enviar el siguiente.
• Si el reconocimiento es positivo (ACK), se transmite el siguiente bloque guardando unacopia en el buffer.
• Si el reconocimiento es negativo (NACK), se vuelve a transmitir de nuevo el mismobloque
• Únicamente se procede al borrado de la copia de un bloque después de haber recibido elcorrespondiente ACK. El tamaño del buffer debe ser, por tanto, igual a la longitud delbloque más largo a enviar.
• Sistema con pobre eficiencia.
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 63
• Asumiendo los mensajes de reconocimiento están libre de errores.
/ El throughput del sistema viene dado por:( )
TRn
PkN
TRn
k
S
B
S ∆+−
≡∆+
=1
η
donde:– N es el nº medio de bloques entregados por transmisión.– K es el nº de bits de información del bloque.– n es la longitud del bloque en símbolos.– RS es la velocidad de señalización del canal.– ∆T es el retardo total de una vuelta completa en la transmisión– PB=1-(1-p)n≅1-e-np si np <<1; Probabilidad error del bloque
/ La longitud del bloque que maximiza η es :
∆++−
∆=
TpR
TRn
S
Sopt
411
2
/ El valor máximo del throughput del sistema viene dado por:
( )códigodeltasalarconr
TRn
enr
TRn
Pkopt
Sopt
pn
S
Bopt
;1
εη ⋅=∆+
⋅≡
∆+−
≡−
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4ARQ Continuo o “Go back N”
• Un procedimiento para reducir el tiempo muerto entre bloques transmitidosconsiste en enviar bloques continuamente al canal sin esperar a las señales dereconocimiento que llegan por el canal de retorno.
• Siempre que un NACK es recibido en el terminal emisor, el transmisor recupera elbloque erróneo y los posteriores, y vuelve a enviar todos ne nuevo con el fin depreservar su orden natural. Este procedimiento se denomina “Go Back N”, donde Ndenota el número de bloques repetidos.
• Con este tipo de esquemas, el tamaño del buffer en el terminal emisor depende de lavelocidad de transmisión y del retardo total de una vuelta completa en transmisión.
• En el terminal receptor el tamaño del buffer es menor puesto que únicamente se debenalmacenar aquellos bloques que están libres de error.
CDEFG CDE AB
“Go Back 3” ARQ
Bloques retransmitidos Bloque erróneo
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 65
•• VentajasVentajas
El ARQ continuo presenta una eficiencia elevada cuando las condiciones depropagación son buenas y se detectan pocos bloques erróneos.
El sistema ofrece importantes mejoras cuando el retardo de bucle en transmisiónes grande.
•• InconvenientesInconvenientes
La necesidad de “buffering”.
UPC Grupo de Comunicaciones Radio 66
• Asumiendo los mensajes de reconocimiento están libre de errores.
/ El throughput del sistema viene dado por:( )
BS
B
BS TPRn
PkN
TPRn
k
∆+−
≡∆+
=1
η
donde:– N es el nº medio de bloques entregados por transmisión.– k es el nº de bits de información del bloque.– n es la longitud del bloque en símbolos.– RS es la velocidad de señalización del canal.– ∆T es el retardo total de una vuelta completa en la transmisión– PB=1-(1-p)n≅1-e-np si np <<1; Probabilidad error del bloque
/ La longitud del bloque que maximiza η es :!¡1 optimoserpuedenopaquetedelrealTamañonopt =
/ Ello significa que el throughput máximo está superiormente acotado:
optSS
opt rpTR
r
pTR
pkεη ⋅=
⋅∆⋅+≡
⋅∆⋅+−⋅
≡11
)1(
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4ARQ con repetición selectiva
• Este esquema es una variación de los sistemas con ARQ continuo. La diferencia
básicamente es que únicamente es retransmitido el bloque recibidoúnicamente es retransmitido el bloque recibidoerróneamente.erróneamente.
• Ventajas• El número de bloques retransmitido es menor que en caso del ARQ “Go Back N”.• Mejora de las prestaciones con tasas de error elevadas.
• Inconvenientes• Aumento de complejidad, ya que se requiere una lógica de gestión más compleja y un
tamaño de buffers mayor (no existe garantía de que los bloques se reciban siempre demanera ordenada.
• Puesto que la eficiencia de retransmisión del canal puede expresarse como: ε=1-PB,el throughput del sistema viene dado por :
( )BPr −⋅= 1η
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PROTOCOLOS FEC/ARQ HIBRIDOS
• Los protocolos ARQ sufren una drástica disminución del throughput cuando elcanal se degrada y/o cuando la señalización aumenta. La introducción decodificación correctora de errores (FEC) permite mejoras en las prestaciones delsistema, dando lugar a los sistemas FEC/ARQ híbridos.
/ El sistema FEC se encarga de reducir el número de retransmisiones a través de sufunción correctora.
/ El sistema ARQ proporciona la calidad esperada con tasas de no detección de erroresmuy bajas.
• Si los esquemas FEC y ARQ trabajan de forma separada Ü ARQ híbrido Tipo I
Canal FECFEC
CanalRetorno
ARQ ARQ
Canal Binario
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• Si los esquemas FEC y ARQ trabajan de forma conjunta Ü ARQ híbrido Tipo II
Canal FEC/ARQFEC/ARQ
CanalRetorno