Tecnologia Celular

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Reutilização de Frequência

Como o conceito de célula permite a reutilização de frequências no sistema celular?

No conceito celular, frequências atribuídas ao serviço são reutilizadas em um padrão regular, chamado “célula”. A célula é teoricamente hexagonal.

Para assegurar que a interferência mútua entre os usuários fique abaixo de um nível prejudicial, as células adjacentes utilizam frequências diferentes – um conjunto de N diferentes frequências – 1, …, f N são utilizados para cada grupo de N células adjacentes. Desta forma, padrões de fragmentação e frequências correspondentes, são reutilizados ao longo de toda a área de serviço. A largura de banda total para o sistema celular é N vezes a largura de banda ocupada por uma única célula.

Na prática, as células não são hexagonais como nos estudos teóricos. Métodos computacionais são usados ??para o planejamento otimizado das frequências e localizações das estações base. A propagação ao longo do terreno irregular conduz a formas e tamanhos de célula bastante diferentes.

Formas celulares são determinadas não só pela perda de caminho experimentado pelo sinal desejado, mas também pelos níveis de interferência de outras células (interferências co-canal ou de canal adjacente).

A “perda de percurso” e o “orçamento do link” são computados a partir das características do terreno e dados de antena. Ambos determinam a cobertura de cada estação base e a interferência entre outras células.

Até logo!

Perda de Percurso e Orçamento do Link

Quais são os dois componentes principais de um projeto de rede celular?

O projeto do sistema celular tem 2 componentes: 1. Cálculo da Perda de Percurso e 2. Orçamento do Link

A Perda de Percurso avalia o ambiente de propagação do sinal. Descreve a atenuação de sinal entre antenas de transmissão e recepção, como uma função da distância de propagação e de outros parâmetros. Alguns modelos incluem muitos detalhes do perfil do terreno para estimar a atenuação do sinal, enquanto que outros apenas consideram a frequência portadora e a distância. As alturas de antena são outros parâmetros críticos, já que interferem diretamente no posicionamento das fontes de transmissão e recepção.

O Orçamento do Link foca em determinar a cobertura e capacidade do sistema celular. Inicialmente, uma operadora tenta cobrir a área de serviço tão bem quanto possível, com um número limitado de estações base. Sua principal preocupação é que a relação sinal-ruído seja suficiente em cada local. O orçamento do link é uma espécie de “planilha de balanço” para selecionar a os parâmetros do sistema. A Interferência não é um parâmetro de restrição de desempenho do sistema, inicialmente. Numa fase posterior, quando mais usuários utilizam o sistema, a operadora normalmente aumenta a capacidade do sistema adicionando estações base. A rede de estações base torna-se mais densa e a relação sinal-ruído não é o parâmetro que limita o desempenho. Nesta fase, devido a reutilização de frequência, a interferência co-canal e interferência de canais adjacentes tornam-se a maior preocupação.

Bom Programa!

Cobertura e Capacidade Celular

Em que fase do projeto celular a cobertura é mais importante do que capacidade e vice versa?

Na fase inicial de operação de uma rede celular, o planejador da rede normalmente visa a máxima cobertura. O assinante deve ser capaz de alcançar a uma estação de base em qualquer lugar. O mapa da cobertura do serviço não deve conter áreas de sombra, onde o serviço não está disponível. As estações base são posicionados de modo a atingir o maior número de locais possível, por exemplo, em topos de morros.

Posteriormente, quando o número de assinantes aumenta, há uma necessidade de otimizar a capacidade. O tamanho da célula deve ser tão pequeno quanto possível para acomodar várias diferentes áreas de células quanto possível. O efeito dos morros na propagação dos sinais pode ser utilizados com vantagem. Isto permite que as frequências sejam reutilizadas em vales nas proximidades, especialmente se a estação base não estiver localizada nos topos de morros, mas sim nos vales.

Bom Programa!

Fator de reutilização de frequência e distância co-canal

Como é calculada a distância mínima entre células?
A menor distância entre os centros de duas células que utilizam a mesma frequência é determinada pela escolha do tamanho do cluster (grupo de células) N e a disposição do conjunto de células. Esta distância é chamada de “distância de reutilização de frequência” (D).

Pode ser provado que à q = d/r = Raiz Quadrada (3N)

Onde:

  • q fator de reutilização de frequência
  • N – número de células do cluster
  • D – distância co-canal
  • R raio da célula

Esta é uma das principais equações da teoria celular, que estabelece os seguintes tradeoff de projeto:

Se q aumenta então a relação D/R aumenta, N aumenta, ICC diminui, CIR aumenta e a Qualidade do Sinal aumenta. E vice versa.

Até logo!

Exemplos de perdas no percurso do sinal

Como varia a perda de propagação do sinal para diferentes tipos de terreno, nos sistemas celulares?

No perfil de caminho abaixo, o modelo de perda de caminho mais adequado depende da localização de recepção:

  • No local 1, a consideração de perda de espaço livre é uma estimativa precisa.
  • No local 2 e 3, existe visada direta, mas reflexões na terra podem influenciar significativamente a perda de caminho. O modelo de perda em terreno plano é apropriado.
  • Já no local 4, a perda de espaço livre precisa ser corrigida para significativas perdas devido a difração, causados ??pelas árvores na linha de visada direta.
  • A previsão da perda de percurso no local 5, 6 e 7 é mais difícil do que nos outros locais. Mecanismos de reflexão e difração irão interagir.

Até logo!

Outras perdas na potencia do sinal recebido

Quais são as outras perdas consideradas, além das perdas de propagação, nos projetos de redes celulares?

Perda de percurso é um dos mecanismos que causam atenuação entre o amplificador de potência do transmissor e o receptor. Alguns outros efeitos estão listados abaixo, com uma indicação da ordem de grandeza:

  • Perdas no alimentador da antena (0 .. 4 dB)
  • Perdas nos filtros de transmissão, especialmente se a antena irradia sinal de múltiplos transmissores (0 .. 3 dB)
  • Ganho de direcionalidade da antena (0 .. 12 dB)
  • Perdas em filtro duplex
  • Margem de atenuação devido ao multipercurso (9 .. 19 dB) e perdas de sombra (5 dB)
  • Perdas de penetração se o receptor estiver dentro de casa, tipicamente cerca de 10 dB para sinais de 900 MHz

Estes parâmetros todos devem constar no orçamento do link.

Até o próximo artigo!

Recepção Multipercurso

Quais as causas e efeitos da recepção de múltiplos sinais na antena de recepção, em excesso ao sinal desejado, existentes nos sistemas celulares?
O ambiente de propagação é muito hostil, particularmente em centros urbanos. A qualidade do sinal varia de “excelente” para “nenhum sinal”. Mover o veículo sobre poucos metros resulta em mudanças dramáticas da força do campo recebido.
O canal de rádio móvel é caracterizado pela “recepção multipercurso: o sinal oferecido ao receptor contém não apenas ondas de rádio em visada direta, mas também um grande número de ondas de rádio refletidas. Ainda pior, nos centros urbanos, a linha de visada direta é frequentemente bloqueada por obstáculos, e ondas de diferentes atrasos são recebidas por uma antena móvel. Essas ondas refletidas interferem com a onda direta, o que provoca uma degradação “significativa e aleatória” do desempenho da comunicação. Se, adicionalmente, a antena móvel varia de localização com o tempo, as fases relativas das ondas refletidas mudam. Isto implica em fading (atenuação/desvanecimento) – variações temporais da amplitude e fase recebidas.

Até logo!

Efeitos da recepção multipercurso

Veja abaixo alguns efeitos da recepção de multipercursos:

Para um usuário em movimento rápido —————> Rápidas flutuações da amplitude e fase do sinal

Para um sinal de banda larga (digital) —————> Dispersão e interferência intersímbolo.

Para um sinal analógico de televisão —————-> “Imagens fantasma ” (deslocada ligeiramente para a direita)

Para um sinal multi portadora ———————–> Atenuação diferente em diferentes sub portadoras e em locais diferentes.

Para um usuário de um sistema de banda estreita -> Boa recepção em algumas posições e frequências; má recepção em outros locais e frequências.

Para um sistema de posicionamento via satélite —> Fortes reflexões atrasadas podem causar um erro de cálculo grave da distância entre o usuário e o satélite. Isto pode resultar em uma estimativa da posição errada.

Até o próximo artigo!

Recepção Multipercurso e BER (Bit Error Rate)

Qual a técnica mais frequente para tratar o “fading multi percurso” inerente nos sistemas celulares?

Em um canal de rádio sem fading (ou seja, fixo), o BER diminui rapidamente quando a relação sinal-ruído (ou sinal-interferência) é aumentada. Num canal com fading, o sinal recebido é muito fraco e ocorrem muitos erros de bits. Este fenômeno continua presente, mesmo quando a razão sinal-ruído média é grande. Isto é, a relação C/I melhora muito lentamente, e com uma inclinação fixa, mesmo se plotada numa escala logarítmica. Por outro lado, a “diversidade” ou “correção de erros” podem ajudar a tornar o declive mais acentuado, e, portanto, melhorar o desempenho.

Um sistema sem fio tem que ser concebido para que o efeito adverso do desvanecimento, devido às trajetórias múltiplas seja minimizado. No passado, este fenômeno de múltiplas trajetórias impediu o desenvolvimento de sistemas de serviços de massa confiável e barato.

Uma melhor compreensão desses fenômenos, e o advento de técnicas de processamento de sinais poderosas contribuíram para a explosão de comunicação digital sem fio à partir dos anos 80.

Até logo!

Efeitos do tamanho da célula na capacidade do sistema celular

Qual a relação entre tamanho da célula e capacidade celular?
A capacidade de usuários na redes celulares pode ser aumentada, reduzindo o tamanho das células. Isso estimula o desenvolvimento de redes pico e micro celulares. Na rede macro celular o tamanho da célula geralmente variar de 1 a 20 km. Normalmente, as redes micro celular têm tamanho de célula de 400 metros de 2 km, e as redes de pico-celulares têm tamanho de célula de 4 a 200 metros. As redes micro e pico-celular, têm potência de transmissão baixa. Menos do que 20 mW pode ser utilizado. Permite a miniaturização do terminal portátil.

Quando diminuímos o tamanho da célula, os efeitos são:

  • Aumento da capacidade de usuários.
  • Aumento da quantidade de handover por chamada
  • Maior complexidade na localização do assinante
  • Menor consumo de energia dos terminais móveis, que permite maior tempo de conversação e uma uma operação mais segura

No entanto, o projeto do sistema é diferente para macro, micro e pico células:

  • As células pequenas têm um ambiente de propagação diferente.
  • O layout da célula é diferente. Micro células são muitas vezes confinadas a um quarteirão ou um trecho de uma rua.

Outra estratégia para aumentar a capacidade de sistemas celulares é desenvolver uma estrutura hierárquica celular. Para aumentar a capacidade de usuário nos chamados “hot spots”, pequenas microbolhas podem ser usadas para complementar a macro célula. Isto leva a uma estrutura celular misturando macro células para toda a cobertura e micro células para locais específicos de maior demanda. Isto é muitas vezes referido como uma estrutura celular hierárquica. Tipicamente, a operadora divide o espectro disponível entre as duas “camadas de células” em uma banda de banda macro célula e outra de micro célula.

Até logo!

Recepção em diversidade com múltiplas antenas

Quais são os princípios de funcionamento das técnicas de recepção em diversidade?

Um sinal transmitido numa frequência de portadora particular e num instante particular do tempo pode ser recebidos em vária percursos cuja soma seja nula.

A recepção em diversidade, um método para obter múltiplas réplicas do sinal recebido, reduz a probabilidade de ocorrência de falhas de comunicação (interrupções)  causadas por “fades” (atenuações) combinando várias cópias da mesma mensagem recebida através de diferentes canais. Em geral, a eficácia das técnicas de diversidade reduz se o desvanecimento de sinal está correlacionado em diferentes ramos.

Um dos métodos mais utilizados para a recepção em diversidade é o uso de múltiplas antenas na recepção.

Na diversidade de antena, os sinais das antenas montadas em locais separados são combinados. Tipicamente estas antenas estão localizadas em veículos ou na mesma torre da estação base e o seu espaçamento é de alguns comprimentos de onda. A amplitude do sinal recebido é correlacionada, dependendo da distância de separação “d” das antenas, em relação ao comprimento de onda. O sinal de trajetória múltipla recebido torna-se praticamente não correlacionado se antenas no móvel são espaçadas por mais do que, digamos, metade de um comprimento de onda.

Na análise dessa correlação, assume-se que a antena móvel é montada numa altura baixa, com vários tipos de objetos que produzem reflexão e dispersão. A antena da estação base, no entanto, está localizada frequentemente bem acima desses tipos de obstáculos. Desta forma, na estação base, todas as ondas de trajetórias múltiplas chegam aproximadamente na mesma direção. Se a antena é deslocada sobre uma pequena distância d, a mudança de fase é quase idêntica para todas as ondas que chegam. Isto é bem diferente com a situação no móvel, onde o movimento maior que a metade do comprimento de onda leva às fases de sinal quase não correlacionadas. Para assegurar uma diversidade de antena eficaz na estação base, as antenas devem ser separados muito mais longe do que a fração do comprimento de onda necessário para a diversidade no móvel.

Até o próximo artigo!