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Iván Bernal, [email protected]://ie205.epn.edu.ec/ibernalhttp://ie205.epn.edu.ec/ibernal

Comunicaciones Inalámbricas

Quito – Ecuador

Copyright @2006, I. Bernal

Escuela PolitEscuela Politéécnica Nacionalcnica NacionalQuito – Ecuador

Comunicaciones Celulares

IvIváán Bernal, Ph.D.n Bernal, Ph.D.Enero 06Enero 06 22

AgendaAgenda• Generalidades

• Procedimientos para llamadas celulares

• Reutilización de frecuenciasAlgunas características de AMPS

• Handoff

• Interferencia

• Control de potencia

• Técnicas para incrementar la capacidad

• Trunking y GOS

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• T.S. Rappaport, “Wireless Communications: Principles & Practice”, Prentice Hall.• First Edition: 1995.• Second Edition: 2001.

• W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2nd Edition, Prentice Hall, 2005.

• G. Stuber, “Principles of Mobile Communication", KluwerAcademic Publishers, 1996.

BibliografíaBibliografBibliografííaa


GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• Un sistema telefónico celular provee una conexión inalámbrica a la PSTN a sus

usuarios, en cualquier ubicación dentro del rango de cobertura del sistema.Se desea atender a un gran número de usuarios sobre una gran área geográfica usando un espectro de frecuencia limitado.

Se desea proveer un servicio de alta calidad que sea comparable a un sistema telefónico original.

• La alta capacidad se obtiene de la siguiente manera:Limitando la cobertura de cada estación base a una pequeña área geográfica denominada “celda”.

Los mismos canales de radio pueden ser reutilizados por otra estación base ubicada a cierta distancia.

Mediante el handoff (técnica de conmutación sofisticada), el sistema permite que una llamada en progreso continué ininterrumpida cuando un usuario se mueve desde una celda a otra.

No se alerta al usuario durante el handoff.En los documentos de USA se utiliza el término handoff, pero en los de la UIT se usa el término handover.

Los dos términos se usan en la literatura.

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GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• Qué se entiende por capacidad en el contexto utilizado en la

transparencia anterior?Capacidad de un canal de radio (radio channel capacity).

No se debe confundir con la Capacidad del canal de Shannon.

Se define como “el número máximo de usuarios simultáneos que pueden proveerse en una banda de frecuencia fija”.

Es una medida de la eficiencia espectral de un sistema inalámbrico.

Es determinado por la relación señal a ruido requerida en la entrada del receptor y por el ancho de banda.

En un sistema FDMA, la capacidad de una celda es igual al número de canales de frecuencia asignados a la celda.


GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• La figura presenta un sistema celular básico que consiste de:

Estaciones móviles (movile stations)

Estaciones base (base stationsbase stations)

MSC (Centro de Conmutación Móvil, movile switching center)También se lo conoce como MTSO (Mobile Telephone Switching Office) debido a que es el responsable de conectar a todos los móviles al PSTN.

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GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• Estaciones móviles

Contienen un transceiver, una antena y circuitería de control.Pueden estar montadas en un vehículo o utilizadas como una unida portátil.Se comunican mediante radio con una de las estaciones base.Con el proceso de handoff pueden pasar al control de cualquier número de estaciones base durante la duración de una llamada.

• Estaciones baseConsisten de varios transmisores y receptores que de forma simultanea manejan comunicaciones full duplex. Generalmente, tienen torres que soportan varias antenas de transmisión y recepción.Sirven de puente entre todos los usuarios móviles de la celda y el MSC.

Conecta al MSC las llamadas simultaneas de los móviles mediante líneas telefónicas o enlaces de microondas.


GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• MSC

Coordina las actividades de todas las estaciones base y conecta todo el sistema celular a la PSTN.

Hace las conexiones entre estaciones móviles y usuarios fijos de la PSTN.Conecta las llamadas entre las estaciones móviles.Un MSC puede conectarse a un MSC remoto, usando la red telefónica o líneas dedicadas y establecer las conexiones entre un usuario móvil local y un usuario móvil remoto.

Un MSC típico maneja 100.000 abonados y 5.000 conversaciones simultaneas, y maneja todo lo referente a facturación y funciones de mantenimiento.Ajusta la potencia transmitida de los móviles (control de potencia).Interviene en el handoff cambiando los canales del móvil y la estación base.Maneja lo relacionado a facturación.En grandes ciudades, un solo carrier puede utilizar varias MSCs.

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GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades


GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• CAI (Common Air Interface)

Define la comunicación entre la estación base y los móviles.Especifica cuatro tipos de canales diferentes:

FVC (Forward Voice Channels)Para transmisión de voz desde la estación base hacia los móviles.

RVC (Reverse Voice Channels)Para transmisión de voz desde los móviles hacia la estación base.

FCC (Forward Control Channels) y RCC (Reverse Control Channels)Responsables por iniciar las llamadas.Sirven como beacons que difunden continuamente los pedidos de tráfico para todos los móviles en el sistema.

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GeneralidadesGeneralidadesGeneralidades• CAI (Common Air Interface)

Los canales de controlSe denominan también canales de establecimiento (setup channels).

Están involucrados solo en el establecimiento de una llamada y en mover la llamada a un canal de voz libre.

Transmiten y reciben mensajes de datos que llevan información de iniciación de la llamada y pedidos de servicio.

Los mensajes de datos y supervisión hacia los móviles facilitan cambios de canal automático y tienen instrucciones para el handoff (antes y durante una llamada).

Son monitoreados por los móviles cuando no tienen una llamada en progreso.Los canales de control se definen y estandarizan sobre toda el área geográfica cubierta.

Un valor típico para el número de canales de control es el 5% del número total de canales del sistema.

• Los forward channels se llaman también donwlink channels.

• Los reverse channels se llaman también uplink channels.


Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?• Encendido del móvil

Al encender el dispositivo, éste todavía no está involucrado en una llamada.

Primero realiza un scan (barrido) del grupo de FCCs para determinar el canal de señal mas fuerte (de la estación base).

La estación base está realizando broadcasts repetitivamente para que los móviles la monitoreen.

Dentro de una celda hay uno o varios canales de control (del total de canales de control de todo el sistema, el scan se hace sobre todos los canales del sistema).

Lo típico es que la estación base seleccionada sea la mas cercana, pero no siempre.

Una vez seleccionada la estación base se realiza un handshake entre la estación móvil y el MSC.

Se identifica al móvil y se registra la ubicación del usuario.

Luego se monitorea el canal de control seleccionado hasta que la señal caiga bajo un nivel útil y se inicia un nuevo proceso de scan.

Durante el handoff, por ejemplo.

Una vez realizado el scan y registro, se procede a esperar por mensajes de paging.

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Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?• Llamada destinada a un móvil del sistema e iniciada por un abonado fijo

El MSC despacha el pedido a ciertasciertas estaciones base del sistema celular.Las que considere necesarias (o todas) basándose en el número (MIN).

Las estaciones base realizan un broadcast del MIN (Mobile Identification Number) en mensajes de paging (localización) usando todostodos los canales FCCs asociados a las celdas.

El MIN es el número telefónico del abonado y se usa también par facturación.

El móvil recibe el mensaje de paging enviado por la estación base (la estación base que el móvil está monitoreando), compara con su propio MIN, y se concuerdan, se identifica usando un RCC.El móvil envía:

El MIN (Mobile Identification Number) El ESN (Electronic Serial Number)El SCM (Station Class Mark) que indica el nivel de potencia máximo para el usuario particular.

La estación base transmite el acuse de recibo enviado por el móvil al MSC, informando del intercambio de mensajes (handshake).El MSC verifica el par (MIN, ESN) e instruye a la estación base que cambie la llamada a un canal de voz libre dentro de la celda.

El MSC mantiene una base de datos de con información de las unidades que se han reportado como robadas, y usa sus números de serie para bloquear a las unidades robadas.Es típico tener entre 10 y 60 canales de voz y un solo canal de control en cada estación base de una celda.


Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?• Llamada destinada a un móvil del sistema e iniciada por un

abonado fijoLa estación base indica al móvil que cambie las frecuencias de los canales FVC y RVC, a frecuencias que no están siendo utilizadas.

Se envía otro mensaje (llamado de alerta) por el FVCFVC para instruir al teléfono móvil que timbre, lo que a su vez instruye al usuario que conteste el teléfono.

Todo lo descrito ocurre en unos pocos segundos y es imperceptible al usuario.

• Mientras la llamada está en progresoEl MSC ajusta la potencia transmitida del móvil y realiza handoffsfs, si es necesario.

Handoff consiste en cambiar las estaciones bases y “los canales de la unidad móvil” para mantener la calidad de la llamada mientras el abonado entre y sale del rango de cobertura de las estaciones base.

Se aplica señalización de control especial a los canales de vozcanales de voz para que el móvil pueda ser controlado por la estación base y el MSC.

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Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?• Llamada destinada a un móvil del sistema e iniciada por un abonado fijo


Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?• Llamada originada por un móvil del sistema celular a un abonado fijo.

El móvil monitorea los canales de control para determinar si puede transmitir (si canal tiene actividad).

Chequea el FCC para ver si puede transmitir, cuando no se detecta actividad puede transmitir en el canal de control reverso correspondiente (RCC).

El móvil envía un pedido de iniciación de llamada por el RCC, mas:El MIN

El ESN (Electronic Serial Number)

El número al que se está llamando.

El SCM (Station Class Mark) que indica el nivel de potencia máximo para el usuario en particular.

La estación base de la celda recibe la información y la envía al MSC.

La MSC valida el pedido, realiza la conexión al número llamado usando la PSTN e instruye a la estación base y al móvil para que se cambien a un par (FVC, RVC) de canales no utilizados.

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Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?• Llamada originada por un móvil del sistema celular a un abonado fijo.


Cómo se realiza una llamada celular?CCóómo se realiza una llamada celular?mo se realiza una llamada celular?• Algunas funciones adicionales del sistema:

Bloqueo de llamadasDurante la inicialización de la llamada desde un móvil, todos los canales asignados a la estación base pueden estar ocupados.

La unidad móvil realiza un número pre-configurados de intentos.

Si no se encuentra algún canal vacío se presenta el tono de ocupado al usuario.

Terminación de una llamadaCuando uno o ambos usuarios cuelgan, el MSC es informado y los canales en las dos estaciones base (o una BS) se liberan.

Llamada interrumpidaDurante una llamada, debido a interferencia o a niveles bajos de señal.

El BS interrumpe la llamada si no puede mantener el nivel de señal mínimo requerido por cierto periodo de tiempo e informa al MSC.

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RoamingRoamingRoaming• Servicio que permite que los abonados operen en áreas de servicio

diferentes a las cuales están originalmente suscritos.

• Cuando un móvil ingresa a una ciudad o área geográfica, que es diferente al área de servicio original contratada, se registra como un roamer (errante) en la nueva área de servicio.


RoamingRoamingRoaming• En intervalos de varios minutos, el MSC emite comandos globales en todos los

FCCs, preguntando por todos los móviles que no se han registrado que envíen

su MIN y ESN usando un RCC.Roamers y locales.

• Las estaciones responden a estos pedidos de registro y el MSC usa el MIN/ESN

para solicitar el estado de facturación de cada roamer, si está autorizado se lo

admite en el sistema como un roamer válido.El estado se solicita del HLR (Home Location Register) del roamer.

• Una vez registrados los roamers puede generar o recibir llamadas desde esa

área.La facturación se enruta automáticamente al proveedor de servicios original del abonado.

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El concepto de “celular”El concepto de El concepto de ““celularcelular””• El objetivo del diseño de los primeros sistemas móviles de radio

era conseguir una gran área de cobertura usando un solo transmisor de alta potencia.

Con este esquema era imposible reutilizar las frecuencias utilizadas.

Ejemplo: En los 70s, “Bell Movile System”, en la ciudad de Nueva York, podía soportar solamente un máximo de 12 conversaciones simultaneas en 1000 millas cuadradas (radio de alrededor de 30km).

• Los organismos de regulación no hicieron asignaciones del espectro de acuerdo a la creciente demanda de servicios móviles.

• Fue imperativo el reestructurar el sistemas de radio telefónico para alcanzar gran capacidad con limitado espectro, y al mismo tiempo cubriendo grandes áreas geográficas.


El concepto de “celular”El concepto de El concepto de ““celularcelular””• El concepto celular fue una innovación que resolvió el problema de congestión

espectral y capacidad de usuarios.Ofreció “muy alta capacidad” con espectro limitado y sin cambios tecnológicos sustanciales.

• Es una idea a nivel de sistema que requiere cambiar un único transmisor de alta

potencia (una gran celda) con varios transmisores de baja potencia (celdas

pequeñas), con cada celda cubriendo una pequeña porción del área de servicio.Una celda es una pequeña área geográfica.

• A cada estación base se le asigna una porción del número total de canales

disponibles para todo el sistema.A las estaciones base vecinas se les asigna grupos de canales diferentes para que la interferencia entre estaciones base y sus usuarios se minimice.

Todos los canales disponibles son asignados a un número relativamente pequeño de estaciones base vecinas.

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El concepto de “celular”El concepto de El concepto de ““celularcelular””


El concepto de “celular”El concepto de El concepto de ““celularcelular””• De forma sistemática se separan las estaciones

base y sus grupos de canales, lo cual permite reutilizarlos cuantas veces sea necesario.

El limitar el área de cobertura a los límites de una celda, permite que el mismo grupo de canales pueda utilizarse para cubrir celdas diferentes, separadas por distancias lo suficientemente grandes para limitar la interferencia.La interferencia entre estaciones co-canal (por ejemplo: canales de las celdas A) debe mantenerse bajo niveles aceptables.

Las celdas de la figura que tienen la misma letra usan el mismo grupo de canales.

• Si en un sistema móvil telefónico de los iniciales se tuviese una banda de frecuencias asignada en la cual se pudiesen soportar 100 conversaciones simultáneas, usando la idea celular, reutilizando 10 veces la banda de frecuencia, se podrían obtener 1000 conversaciones simultáneas.

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El concepto de “celular”El concepto de El concepto de ““celularcelular””• Si la demanda se incrementa (mas canales se necesitan), el

número de estaciones base puede incrementarse (disminuyendo la potencia de cada estación base).

Todo sin incrementar el espectro disponible.

• El principio fundamental es: “permite que un número fijo de canales sirva a un gran número (arbitrario) de usuarios, reutilizando los canales a lo largo de la región de cobertura”.

• “Reutilización de frecuencias” o “Plan de frecuencias”Es el proceso de diseño para seleccionar y asignar los grupos de canales a todas las estaciones base en un sistema.


El concepto de “celular”El concepto de El concepto de ““celularcelular””• La forma hexagonal de la celda es conceptual y es un modelo

simplista de la cobertura de radio para cada estación base.La forma hexagonal ha sido adoptada universalmente por que el hexágono permite un análisis fácil y manejable de un sistema celular.

La zona de cobertura real de una celda es conocida como pisada (footprint) y se determina mediante medidas de campo o modelos de propagación.

La pisada real es amorfa por naturaleza, pero se requiere de una forma regular para un diseño sistemático del sistema y adaptación a futuros crecimientos.

• Puede parecer natural el adoptar una forma circular, pero esta forma deja

espacios sin cobertura o regiones sobrelapadas, cuando círculos adyacentes

se sobreponen con un mapa. Con una celda hexagonal se obtiene cobertura total

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El concepto de “celular”El concepto de El concepto de ““celularcelular””• Las formas geométricas que pueden cubrir completamente una región sin

sobrelapamiento y con igual área son tres: un cuadrado, triángulo equilátero y un hexágono.

Una celda debe estar diseñada para proveer servicio a los móviles mas débiles dentro de la pisada y estos están típicamente localizados en los extremos de la celda.

Para una distancia dada entre el centro de un polígono y sus puntos mas alejados en el perímetro, el hexágono cubre el área mas grande entre las tres opciones.

Por lo tanto, usando los hexágonos se requiere el menor número de celdas para cubrir un área, y con el hexágono se aproxima mas a un patrón de radiación circular.

Un patrón circular se obtiene idealmente con una antena omnidireccional en la estación base y considerando solo propagación de espacio libre.


El concepto de “celular”El concepto de El concepto de ““celularcelular””• En el caso del cuadrado, si el ancho de una celda cuadrada es d:

La celda tiene cuatro vecinas a una distancia √2*d.

Cuando un usuario se mueve desde el interior de la celda a los límites de la celda, es mejor si todas las antenas son equidistantes.

Se simplifica la tarea al determinar la antena adecuada para realizar el handoff y cuando hacerlo.

Un patrón hexagonal provee antenas equidistantes.

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2598.2 RArea =



• Usando hexágonos, se representa a los transmisores de las estaciones base en:El centro de la celda (center-exited cells)

Generalmente se usan antenas omnidireccionales.

En tres de los seis vértices de la celda (edge-excited cells)

Generalmente se usan antenas direccionales sectoriales (corner-excited cells).

• Consideraciones prácticas usualmente no permiten que las estaciones base se ubiquen exactamente en el lugar en el que se planifica.

La mayoría de los diseños permiten que las estaciones base se ubiquen hasta ¼ del radio de la celda alejadas de la ubicación ideal.

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Reutilización de frecuenciasReutilizaciReutilizacióón de frecuenciasn de frecuencias• Se considera un sistema celular con las siguientes características:

S: total de canales duplex disponibles para uso.

k: número de canales por grupo que se asigna a cada celda (k<S).

N: número de celdas entre las cuales se dividen los S canales.Al dividir se forman grupos de canales únicos y disjuntos.

Cada grupo tiene el mismo número de canales.

Cluster: se denomina la grupo de N celdas entre las que se reparten todos los canales disponibles.

M: el número de veces que se replica un cluster (el número total de canales duplex) en el sistema.

C: una medida de la capacidad

La capacidad de un sistema celular es directamente proporcional al número de veces que un cluster se replica en un área de servicio fija.

La capacidad de un cluster es S.

1/N : es el factor de reutilización de frecuencias.A cada celda en un cluster solosolo se le asigna solo 1/N canales del total disponible.

Para tener una mayor reutilización N debe ser lo mas pequeño posible y 1/N lo mas grande posible.

kNS =

MSMkNC ==


Reutilización de frecuenciasReutilizaciReutilizacióón de frecuenciasn de frecuencias• N se conoce también como el “tamaño del cluster”.

Valores típicos son 4, 7, 12.

• Si N se reduce, manteniendo el tamaño de un celda constante, se

requiere mas clusters para cubrir una región (M crece), por lo tanto se consigue una mayor capacidad (C=MS).

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Reutilización de frecuenciasReutilizaciReutilizacióón de frecuenciasn de frecuencias• El valor de N es una función de cuanta interferencia un móvil o estación

base puede tolerar mientras mantiene una calidad suficiente en las

comunicaciones.Un valor alto de N indica que las celdas co-canal están ubicadas a mayor distancia.

Un valor bajo de N indica que las celdas co-canal están ubicadas a menor distancia.

• Desde el punto de vista de diseño , es deseable tener el valor mas pequeño de

N para maximizar la capacidad en una región de cobertura.


Reutilización de frecuenciasReutilizaciReutilizacióón de frecuenciasn de frecuencias• Considerando la geometría hexagonal:

Cada celda tiene exactamente 6 vecinos equidistantes.

Las líneas que unen los centros de cada celda con cada una de sus vecinas están separadas 60º.

Solo es posible tener ciertos tamaños de cluster y arreglos de celdas.Para obtener conexiones sin espacios entre celdas adyacentes.

Donde i y j son números enteros positivos (0,1,2,3,…).

Para encontrar el co-canal vecino mas cercano de una celda en particular:Moverse i celdas a lo largo de cualquier cadena de hexágonos.

Girar 60 grados en el sentido contrario al de las manecillas del reloj.

Moverse j celdas.

Se ilustra en la figura para i=3, j=2 (N=19)

22 jijiN ++=

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Reutilización de frecuenciasReutilizaciReutilizacióón de frecuenciasn de frecuencias



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Reutilización de frecuenciasReutilizaciReutilizacióón de frecuenciasn de frecuencias• Si se dedica 1 MHz del espectro para canales de control, determinar una

distribución equitativa de canales de voz y control en cada celda, para

cada N.Canales de control = 1000/(2x25) =20

Para N=4640/4= 160 canales de voz por celda 20/4= 5 canales de control por celda

En la práctica se requiere un canal de control por celda.

Los canales de control tienen una mayor distancia de reutilización que los de voz.

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Reutilización de frecuenciasReutilizaciReutilizacióón de frecuenciasn de frecuencias• Para N=7

• En la práctica

1*92 + 1*22921

3

3

Control

7

2

4

Celdas

640 + 20

2*90 + 2*390

4*92 + 4*392

TotalVoz

3*92 + 3*11923

1

Control

7

4

Celdas

640 + 7

4*91 + 4*191

TotalVoz


Reutilización de frecuenciasReutilizaciReutilizacióón de frecuenciasn de frecuencias• Para N=12

• En la práctica

2

1

Control

12

8

4

Celdas

640 + 20

8*53 + 8*253

4*54 + 4*154

TotalVoz

1

1

Control

12

8

4

Celdas

640 + 12

8*53 + 8*153

4*54 + 4*154

TotalVoz

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Asignación de canalesAsignaciAsignacióón de canalesn de canales• Se desea incrementar la capacidad y minimizar la interferencia.

• Las estrategias para asignación tienen impacto en el performance

del sistema, en especial en la manera en la que se manejan las llamadas al realizar el handoff.

• Las estrategias se clasifican en:Fijas

Dinámicas

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Asignación de canalesAsignaciAsignacióón de canalesn de canales• Estrategias Fijas

A cada celda se le asigna un conjunto predeterminado de canales de voz.

Cualquier intento de llamada en la celda solo puede atenderse por un canal libre en esa celda particular.

Si todos los canales en esa celda están ocupados, la llamada es bloqueada y el usuario no recibe servicio.

• Ejemplo de variación de la estrategia fijaBorrowing strategy (Pedir prestado)

Una celda puede pedir prestado canales de un celda vecina si todos sus canales están ocupados.

EL MSC supervisa los procedimientos de pedidos y garantiza que esto no interrumpa otras llamadas en progreso en la celda donante.


Asignación de canalesAsignaciAsignacióón de canalesn de canales• Estrategias dinámicas

Los canales no se asignan de manera permanente.

Reducen la posibilidad de que las llamadas se bloqueen.Todos los canales disponibles son accesibles a todas las celdas.

Cada vez que se realiza una llamada, la estación base que atiende el pedido solicita un canal al MSC.

El MSC asigna un canal a la celda solicitante utilizando un algoritmo que considera la probabilidad de bloqueos futuros en la celda, la frecuencia de uso del canal candidato, la distancia de reutilización del canal, y otras funciones de costo.

Una frecuencia se asigna si la misma no está siendo utilizada en la celda o en cualquier celda que cae dentro de la distancia mínima para la reutilización de frecuencias para evitar interferencias.

Se requiere que el MSC obtenga información para todos los canales en tiempo real sobre la ocupación del canal, distribución del tráfico y RSSIs (Radio Signal Strength Indications).

Se incrementan las necesidades de almacenamiento del sistema y la carga computacional pero se obtiene una mayor utilización de los canales y menor probabilidad de llamadas bloqueadas.

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Estrategias de handoffEstrategias de Estrategias de handoffhandoff• Cuando un móvil se mueve a una celda diferente mientras una conversación

está en progreso, el MSC transfiere la llamada automáticamente a un nuevo canal que pertenece a una nueva estación base.

Se requiere identificar una nueva estación base.Las señales de voz y control son asignadas a canales asociados con la nueva estación base.

• Consideraciones sobre las estrategiasAlgunas priorizan los pedidos de handoff sobre pedidos de inicialización de llamadas al asignar canales libres.Los handoffs deben realizarse de forma exitosa y tan infrecuentemente como sea posible, y ser imperceptible a los usuarios.

• Para lo mencionado, los diseñadores de los sistemas deben especificar un nivel de señal al cual iniciar el handoff.

Primero se fija un nivel mínimo de señal útil para calidad de voz aceptable en el receptor de la estación base (entre -90 dBm y -100 dBm, entre 1 y 0.1 picovatios).

Luego se usa un nivel de señal algo mas alto como umbral para iniciar el handoff.


Estrategias de handoffEstrategias de Estrategias de handoffhandoff• El margen está dado por:

Si demasiado grande, pueden ocurrir handoffs innecesarios que son una carga para el MSC.

Si demasiado pequeño, puede haber insuficiente tiempo para completar el handoff antes de que la llamada se pierda debido a niveles demasiado débiles de la señal.

• Ya en operación se puede perder una llamada por:El MSC puede introducir un retardo excesivo debido a condiciones de alto tráfico que requieren alta carga computacional.

No hay canales disponibles en las estaciones base cercanas.El MSC se vería forzado a esperar hasta que un canal en una celda cercana esté libre.

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Estrategias de handoffEstrategias de Estrategias de handoffhandoff


Estrategias de handoffEstrategias de Estrategias de handoffhandoff• Otros aspectos a considerar para no realizar handoffs

innecesarios:Al decidir cuando realizar el handoff, es importante saber que la caída en el nivel de la señal medida no es debida a un desvanecimiento momentáneo.

Asegurarse que el móvil en realidad se está alejando de la estación base.

• Para considerar los dos puntos, la estación base debe monitorear el nivel de señal por un cierto periodo de tiempo antes de iniciar el

handoff y obtener una medida promedio del nivel de señal.Se debe garantizar que los handoffs necesarios se realicen antes que la llamada se termine debido a bajos niveles de señal.

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Estrategias de handoffEstrategias de Estrategias de handoffhandoff• El tiempo requerido para decidir si un handoff es necesario depende de la

velocidad a la que un vehículo se mueve, y puede ser útil en la decisión.Información de la velocidad del vehículo puede estimarse de las estadísticas de la señal, evaluada en cortos periodos de tiempo, recibida en la estación base.

Si se usan microceldas para conseguir alta capacidad, usuarios viajando a alta velocidad podrían atravesar constantemente las microceldas.

• El tiempo por el cual una llamada se mantiene en una celda, sin handoff, se

llama tiempo de permanencia (dwell time).Este tiempo está determinado por varios factores como:

Propagación

Interferencia

Distancia entre el móvil y la estación base

Aún cuando el dispositivo esté estacionario su medio ambiente cambia y tendrá un dwell timealeatorio y finito.

Podría ser que nunca se necesita un handoff para un usuario caminando.


Estrategias de handoffEstrategias de Estrategias de handoffhandoff

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Estrategias de handoffEstrategias de Estrategias de handoffhandoff• Handoff controlado por la red

NCHO (Network-Controlled Handoff)

En sistemas celulares analógicos de primera generación, las medidas del nivel de señal se realizan en la estación base y supervisadas por el MSC.

Se monitorea constantemente los niveles (RSSI) de todos los RVCs para determinar la posición relativa de cada móvil respecto a la estación base.

Un receptor extra, denominado “Receptor Localizador” (locator receiver), ubicado en cada estación base chequea los niveles de los móviles en celdas vecinas.

Este receptor es controlado por el MSC y monitorea los móviles en celdas vecinas que pueden estar en necesidad de handoff y se reportan los valores RSSSI al MSC.

Basado en la información del “Receptor Localizador” de cada estación base, el MSC decide si se requiere o no un handoff.


Estrategias de handoffEstrategias de Estrategias de handoffhandoff• Handoff asistido por el móvil

Mobile-Assisted HandOff (MAHO)

Se usa en sistemas de segunda generación utilizando TDMA.

Cada móvil mide la potencia recibida de las estaciones base circundantes y reporta las mediciones de forma continua a su estación base.

Un handoff se inicia cuando la potencia recibida desde una estación base de una celda vecina empieza a exceder la potencia recibida de la estación base actual, en una cantidad determinada o por un tiempo determinado.

Una llamada es transferida entre estaciones base de forma mas rápida que en sistemas 1G, puesto que las mediciones son hechas por cada móvil y el MSC no tiene que realizar el monitoreo de forma continua.

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Estrategias de handoffEstrategias de Estrategias de handoffhandoff• Handoff Intersistemas

Cuando durante una llamada en progreso, un móvil se mueve de un sistema celular a un sistema celular diferente controlado por un MSC diferente.

Un MSC se involucra en un handoff intersistemas cuando la señal de un móvil se hace débil en una celda dada, y el MSC no puede encontrar otra celda dentro de su sistema para transferir la llamada en progreso.

Algunos aspectos a considerarse en la implementación:Una llamada local puede convertirse en una llamada de larga distancia si el móvil se mueve de su sistema base (home system) y se convierte en un roamer en un sistema vecino.

Se debe determinar la compatibilidad entre los dos MSCs antes de la implementación.


Prioridad de los handoffsPrioridad de los Prioridad de los handoffshandoffs• Desde el punto de vista del usuario, es mas molestoso que una llamada se

interrumpa abruptamente en medio de una conversación que ser bloqueado

ocasionalmente en un intento de una nueva llamada.

• Para mejorar la calidad de servicio percibida por el usuario, varios métodos se

han desarrollado para priorizar pedidos de handoff sobre pedidos de nuevas

llamadas.

• Concepto del canal de guardaUna fracción del número total de canales de una celda es reservada exclusivamente para pedidos de handoff.

Tiene la desventaja de reducir el tráfico total transportado.

Es útil en estrategias de asignación de canales dinámicas en las que se minimiza el número de canales de guarda usando una asignación bajo demanda.

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Prioridad de los handoffsPrioridad de los Prioridad de los handoffshandoffs• Colas de pedidos de handoffs

Es posible usar colas ya que existe un intervalo de tiempo finito entre el momento en el que el nivel baja del umbral y el momento en el que una llamada es terminada debido a nivel de señal insuficiente.

El tiempo de retardo y tamaño de la cola es determinado a partir del patrón de tráfico del área particular de servicio.

No se garantiza que no existirán terminaciones forzadas de llamadas, puesto que grandes retardos causarán que el nivel de señal caiga bajo el nivel mínimo para mantener la comunicación.


Consideraciones prácticas del handoffConsideraciones prConsideraciones práácticas del cticas del handoffhandoff

• El añadir celdas es una opción para incrementar la capacidad del sistema.

En la práctica es difícil para los proveedores de servicios celulares obtener los sitios físicos en zonas urbanas.

Leyes zonales

OrdenanzasOtras barreras no técnicas

Puede ser mas atractivo añadir antenas en sitios existentes.Usando antenas ubicadas a diferentes alturas y diferentes niveles de potencia se puede configurar celdas pequeñas y grandes colocalizadas.

La técnica se denomina umbrella cell.

• Umbrella cellProvee grandes áreas de cobertura para usuarios viajando a alta velocidad.

Provee pequeñas áreas de cobertura para usuarios viajando a baja velocidad.

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Consideraciones prácticas del handoffConsideraciones prConsideraciones práácticas del cticas del handoffhandoff• Umbrella cell

Minimiza el número de handoffs para usuarios viajando a altas velocidades y microceldas para usuarios a pie.

La velocidad de cada usuario se estima en la estación base y el MSC.

Si un usuario de alta velocidad en la celda umbrella se aproxima a la estación base con velocidad decreciente rápidamente, puede provocar que la estación base realice un handoff a una microcelda, sin la intervención del MSC.


Consideraciones prácticas del handoffConsideraciones prConsideraciones práácticas del cticas del handoffhandoff• Cell dragging (arrastrar)

Un problema práctico de handoff en microceldas.

Causado por peatones que proveen una señal muy fuerte a la estación base.En zonas urbanas cuando hay línea de vista a la estación base.

A medida que el usuario se aleja de la estación base a muy baja velocidad, el nivel promedio de la señal no decrece rápidamente.

Aún cuando el usuario se ha alejado mas allá del rango diseñado de la celda, la señal recibida en la estación base podría estar sobre el umbral de handoff y el handoffpodría no realizarse.

Esta situación causa potenciales problemas de interferencia y administración ya que el usuario puede haber ingresado bastante dentro de la celda vecina.

Los parámetros de cobertura de radio y umbrales de handoff deben ser fijados cuidadosamente.

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Consideraciones prácticas del handoffConsideraciones prConsideraciones práácticas del cticas del handoffhandoff• Tiempos de retardo de handoff y valores de Δ

Sistemas de Primera GeneraciónDuración típica de un handoff una vez que el nivel de señal cae bajo el umbral es 10 s.

Esto requiere que el orden de Δ esté entre 6 y 12 dB.

Sistemas de Segunda Generación (GSM)El móvil ayuda con el proceso de handoff determinando los mejores candidatos.

Una vez que la decisión se ha tomado, el handoff solo requiere 1 o 2 segundos.

Esto requiere que el orden de Δ esté entre 0 y 6 dB.

En estos sistemas, las decisiones de handoff están basadas en una serie de métricas, a parte del nivel de señal.

Considerar la interferencia co-canal y de canales adyacentes.

Puede ser evaluada en la estación base y en el móvil.


Consideraciones prácticas del handoffConsideraciones prConsideraciones práácticas del cticas del handoffhandoff• Hard handoff

En sistemas inalámbricos canalizados se asignan diferentes canales de radio durante el handoff.

El móvil se conecta solo con una estación base a la vez y existe una pequeña interrupción de la conversación durante la transición de enlace.

Se usa típicamente con sistemas que usan TDMA y FDMA.

• Soft handoffEn sistemas que usan CDMA (IS-95) o TDMA usando diversidad macro.Los móviles comparten el mismo canal en todas las celdas.

El móvil recibe/transmite las mismas señales hacia/desde múltiples estaciones base simultaneamente.

Handoff no implica el cambio físico de canal asignado, sino que una estación base diferente maneja la tarea de comunicación de radio.

Evaluando simultáneamente las señales recibidas por un usuario en particular en varias estaciones base vecinas, el MSC puede decidir cual versión de la señal del usuario es la mejor a cada momento.

Soft handoff es la habilidad de seleccionar entre señales instantáneas recibidas en una variedad de estaciones base.

Se hace uso de diversidad espacial (macroscópica), por la diferente ubicación de las estaciones base.

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InterferenciaInterferenciaInterferencia• Se la ha reconocido como un cuello de botella significativo al tratar de incrementar la capacidad de

un sistema y por llamadas interrumpidas.En los canales de voz, la interferencia puede causar diafonía (crosstalk).En los canales de control, la interferencia puede causar llamadas perdidas o bloqueadas debido a errores en la señalización.

• FuentesOtro móvil en la misma celda.Una llamada en progreso en una celda vecina.Cualquier otro sistema no celular que inadvertidamente emite energía en la banda de frecuencia celular.Otras estaciones base operando en la misma banda de frecuencia.


InterferenciaInterferenciaInterferencia• Interferencia celular generada por el sistema mismo.

TiposInterferencia co-canal

Interferencia de canales adyacentes

A pesar de generarse en el sistema son difíciles de controlar en la práctica (por los procesos aleatorios de propagación).

• Interferencia debido a usuarios “fuera de banda”Por productos de intermodulación.

Los transmisores de carriers celulares competidores son una fuente significativa de interferencia.

Competidores ubican sus estaciones base en las proximidades para proveer cobertura comparable para sus clientes.

• La interferencia es mas severa en áreas urbanas debido al mayor ruido base RF siempre presente, al mayor número de estaciones base y móviles.

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InterferenciaInterferenciaInterferencia• Interferencia co-canal y capacidad del sistema

Las celdas que usan las mismas frecuencia se denominan celdas co-canal, y la interferencia entre señales de estas celdas se denomina interferencia co-canal.

Para combatir el ruido termal, puede mejorarse la SNR incrementando la potencia transmitida; si se decide combatir la interferencia co-canal simplemente incrementando la potencia, se incrementaría la interferencia en celdas co-canal vecinas.

Para reducir la interferencia co-canal se debe separar físicamente las celdas co-canal una distancia mínima para proveer suficiente aislamiento para considerar los efectos de propagación no deseados que se producen.

En un sistema celular, con las celdas aproximadamente del mismo tamaño, la relación señal/interferencia:

Es independiente de la potencia transmitida.

Es función del radio de la celda (R) y la distancia al centro de la celda co-canal mas cercana (D).


InterferenciaInterferenciaInterferencia• Interferencia co-canal y capacidad

del sistemaIncrementando D/R, se incrementa la separación espacial entre celdas co-canal respecto a la distancia de cobertura de una celda.

Relación co-canal de reutilización (Q, co-channel reuse ratio)

Para geometría hexagonal:

Un pequeño valor de Q provee gran capacidad (N es pequeño).

Un valor grande de Q mejora la calidad de transmisión debido a un menor nivel de interferencia co-canal.

Se debe llegar a compromisos entre estas dos alternativas.

NRDQ 3==

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• La distancia entre los centros de dos celdas contiguas es:

Rd 3=

Rd 3=

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InterferenciaInterferenciaInterferencia• Interferencia co-canal y capacidad

del sistemaUsando la ley de los cosenos

NRDQ 3==

{ } odjdidjdiD 120cos)*)(*(2)*()*( 222 −+=

))5.0(2( 2222 −−+= ijjidD

)( 2222 ijjidD ++=22 jijiN ++=

NRNdD *3*222 ==

Rd 3=



SIR (Signal to Interference Ratio, o S/I) Para un receptor móvil monitoreando un canal FVC/FCC

Si los niveles de señal de los co-canales son conocidos, entonces se puede usar la ecuación para calcular el SIR para los canales forward.

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SIRMedidas de propagación en un canal de radio móvil indican que el nivel de señal recibido decae de acuerdo a la distancia entre transmisor y receptor elevada a una potencia (dn).



SIRConsiderando el enlace forward, la señal deseada es la de la estación base que tiende al móvil y la interferencia es debido a las estaciones base co-canal.

Di es la distancia de la ith fuente de interferencia.

La potencia recibida en un móvil debido a la ith celda interferente será proporcional a (Di)-n .

Si la potencia de transmisión de todas las estación base es igual, y el exponente de pérdidas (n) es el mismo en toda el área de cobertura, la SIR puede aproximarse como:

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SIRConsiderando solo el primer anillo de celdas interferentes, y asumiendo que todas las estaciones base son equidistantes de la estación base deseada.

D distancia entre los centro de las celdas.

La ecuación se reduce a:

La ecuación relaciona la SIR con N, lo que a su vez determina la capacidad global del sistema.

NRDQ 3==

MSMkNC ==



SIRPara el sistema celular AMPS en USA (utiliza FM y canales de 30 kHz) se requiere SIR >= 18 dB.

Valor obtenido con tests subjetivos que indican que con 18 dB se obtiene voz con suficiente calidad.

Asumiendo que las 6 celdas mas cercanas están lo suficientemente cercanas para producir interferencia significativa, y que están aproximadamente situadas a la misma distancia de la estación base deseada.

Asumiendo un n=4, y con los valores io = 6 y SIR =18dB, se emplea la ecuación:

Se obtiene un N=6.49, por lo tanto para cumplir lo solicitado se requiere un valor mínimo de N=7.

La ecuación utilizada asume que todas las estaciones base interferentes son equidistantes de la estación base receptora.

Para algunos planes (como N=4), las distancias de las celdas interferentes mas cercanas a la estación base deseada varía significativamente (entre ellas).

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SIRConsiderando el móvil en la periferia de la celda (peor caso, señal mas débil), se tiene que las distancias a las celdas vecinas serán aproximadamente:



SIRUsando y

Calculando Q para N=7 se tiene Q=4.6.Usando la última ecuación para una aproximación del SIR, se tiene SIR=17 dB.Usando una expresión exacta se tiene que SIR=17.8 dB.Lo requerido es 18 dB para AMPS en USA, el peor de los casos rara vez se produce ( antes de llegar al borde se realiza un handoff), se acepta N=7 (AMPS usa N=7).

Para cumplir estrictamente se debería incrementar N al siguiente valor permitido que es N=12, lo cual reduce la capacidad en un factor de 7/12.

Del material presentado se desprende que la interferencia co-canal determina el performance del enlace, que a su vez dicta el plan de reutilización de frecuencias y la capacidad global de los sistemas celulares.

NRDQ 3==

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InterferenciaInterferenciaInterferencia• Interferencia de canales adyacentes

Interferencia que resulta de señales que son adyacentes en frecuencia a la señal deseada.

Fuentes son los filtros imperfectos en el receptor que dejan pasar frecuencias cercanas en la banda de paso.

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El problema es serio si un usuario de un canal adyacente está transmitiendo a corta distancia del receptor del abonado en cuestión, quien trata de recibir la señal de la estación base en un canal deseado.

Esto se denomina near-far effect.

Escenario 1El transmisor captura el receptor del usuario.

Escenario 2Un móvil cercano a una estación base transmite en un canal cercano al de un móvil con señal débil.

La estación base puede tener problemas al discriminar el móvil deseado (débil) de lo que el otro ha “insertado” por el otro móvil cercano.



Se minimiza con adecuada asignación de canales y adecuado filtrado.Como una celda recibe una fracción de los canales disponibles, no deberían asignarse a la misma celda canales adyacentes en frecuencia.

La separación entre canales podría ser hasta N anchos de banda de un canal.

Si N es pequeño, la separación puede no ser suficiente y la calidad de los filtros son de mayor importancia.

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