Upload
walcemiraguiar2265
View
281
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
1/75
Apostilade
Telefonia
Celular
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
2/75
1 - Introduo
Em sistemas de comunicaes tradicionais, o objetivo bsico do engenheiroprojetista sempre foi o de maximizar o alcance e cobertura dos transmissores, de
forma a minimizar custos de implantao e operao. Esta concepo de sistema
efetiva no caso de enlaces ponto a ponto, nos quais o uso de antenas altamente
diretivas constitui-se num fator limitante da interferncia intra e inter sistemas e
permite, dentro de limites, o reuso de freqncias numa mesma regio geogrfica.
efetiva ainda no caso de sistemas unidirecionais de rdio difuso, nos quais um
mesmo canal serve um grande nmero de usurios. J no caso de sistemas ponto-
rea bidirecionais, a interferncia impede a reutilizao de freqncias dentro da
rea de cobertura limitando o nmero de canais disponveis e, conseqentemente,
o nmero de usurios do sistema.
O conceito de um sistema celular, utilizando a reduo geogrfica do
alcance para permitir o reuso de espectro de freqncias foi proposto inicialmente
na dcada de 1950 pelo Bell Labs para aplicao em um sistema de comunicaes
mveis. Entretanto, a necessidade de interconectar usurios do sistema mvel
servidos por diferentes transceptores (estaes rdio base) e usurios do sistema
mvel a usurios do sistema fixo, implicava num sistema de controle que requeria
grande capacidade de computao, inclusive no terminal mvel (unidade do
usurio). Assim, embora extremamente bem concebido, o sistema no era
implementvel com a tecnologia disponvel na poca.
Foi s na dcada de 1970, que inovaes tecnolgicas como o
desenvolvimento de circuitos digitais VLSI de baixo custo e circuitos de RF em
estado slido para as faixas de UHF e microondas, a evoluo das baterias
recarregveis e o desenvolvimento de redes telefnicas controladas por computadorpermitiu a implantao de sistemas mveis de comunicaes celulares. Estes
sistemas, inicialmente analgicos e operando nas faixas de freqncia de 450 e 900
MHz, evoluram na dcada de 1980 para a tecnologia digital e passaram a ocupar
ainda as faixas de 1800-1900 MHz.
Estes sistemas caracterizam-se pela operao predominante em regies
urbanizadas e com terminais do usurio em posio baixa (sem visibilidade) em
relao estao rdio base, situao tpica de sistemas de rdio difuso
unidirecionais. Por outro lado, ocupam faixas de freqncia tpicas de sistemas
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
3/75
ponto a ponto que operam em condies de visibilidade ou baixa difrao. Os
mtodos de clculo de propagao e previso de cobertura utilizados tanto em
sistemas ponto-a-ponto como em sistemas de rdio-difuso tradicionais no se
aplicavam, portanto, a este novo tipo de sistema. Foram ento desenvolvidos
diversos mtodos de previso da perda de propagao nas condies caractersticasdestes sistemas. Embora fosse possvel atacar o problema utilizando formulaes
tericas e mtodos numricos para a soluo da equao de onda, o alto requisito
computacional associado a este tipo de soluo, devido s complexas condies de
contorno neste tipo de ambiente, fez predominar a utilizao de mtodos empricos
e semi-empricos. Estes mtodos desenvolvidos com base em amplas campanhas
de medidas em regies urbanas, apresentam preciso suficiente para o
dimensionamento de sistemas com estaes rdio base com antenas a dezenas de
metros, potncias de transmisso de dezenas de miliwatts e clulas com raios decobertura de quilmetros a poucas dezenas de quilmetros.
Nos ltimos anos, entretanto, o aumento da densidade de usurios dos
sistemas celulares tem acarretado uma maior reutilizao do espectro de
freqncias atravs da reduo do tamanho de clulas. Os sistemas passam a
operar com estaes rdio base com antenas e potncias de transmisso mais
baixas e raios de cobertura de centenas de metros (microclulas) ou mesmo metros
ou poucas dezenas de metros em ambientes fechados (picoclulas).
Devido s dimenses reduzidas das reas de cobertura, com antenas muitas
vezes localizadas na altura de postes, a caracterstica do sinal de rdio em
ambientes microcelulares difere da caracterstica geralmente observada em
macroclulas e, por esse motivo, modelos empricos consagrados para a predio
de atenuao de propagao em macroclulas no so mais aplicveis. A
necessidade de novos modelos ainda mais evidente quando aumenta o interesse
pela proviso de servios mveis em ambientes interiores, onde o meio confinado
estabelece outros padres para o comportamento do sinal. Dado o exposto,
crescente o volume de material de pesquisa na rea de micro e picoclulas,
gerando uma quantidade significativa de novos modelos, muitos ainda por serem
validados.
Modelos empricos apresentam como grande vantagem a praticidade e
rapidez de uso, porm, por serem derivados de medies realizadas em
determinadas localidades especficas, podem falhar ao serem aplicados em
ambientes significativamente diferentes do original. No outro extremo, encontram-se os modelos tericos, baseados no traado de raios pelo ambiente, que tm como
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
4/75
mrito o fato de empregarem a teoria eletromagntica diretamente ao ambiente
analisado e, portanto, gerarem uma predio que considera sempre as
caractersticas especficas da localidade. Apresentam como desvantagem a menor
velocidade de execuo quando comparados a modelos empricos, especialmente
para grandes (e complexas) regies de cobertura. Porm, com a crescentedemanda por modelos de predio em micro e picoclulas, que possuem dimenses
reduzidas, os modelos de traado de raios passam a ser uma importante alternativa
predio da propagao nesses ambientes.
Este primeiro artigo postado no Grupo Celular constitui-se na parte inicial da
dissertao de Mestrado de Marcio Eduardo da Costa Rodrigues, parte esta que
abrange, no seu Captulo 2, os conceitos gerais relativos aos sistemas celulares e,
em seu Captulo 3, uma reviso, tambm genrica, dos conceitos de rdio-
propagao (em especial no que tange os sistemas celulares) incluindo uma
coletnea de alguns modelos empricos aplicveis a micro e picoclulas.
2 - Fundamentos e Conceitos bsicos
2.1. O Conceito Celular
O objetivo dos primeiros sistemas mveis era o de obter uma grande rea de
cobertura atravs do uso de um nico transmissor de alta potncia, com a antena
situada em um local elevado. Embora essa abordagem gerasse uma cobertura
muito boa, o nmero de usurios era limitado. Um determinado conjunto de
freqncias era utilizado por toda a regio e cada freqncia era alocada a um
nico usurio por vez, para evitar interferncias. Como exemplo da baixa
capacidade, pode-se citar o sistema mvel da Bell em Nova Iorque, em 1970: o
sistema suportava um mximo de apenas doze chamadas simultneas em uma
rea de mais de dois mil quinhentos e oitenta quilmetros quadrados [1]. Dado o
fato de que as agncias de regulamentao dos governos no poderiam realizar
alocaes de espectro na mesma proporo do aumento da demanda de servios
mveis, ficou bvia a necessidade de reestruturao do sistema de telefonia por
rdio para que se obtivesse maior capacidade com as limitaes de espectro
disponvel e, ao mesmo tempo, provendo grandes reas de cobertura.
O conceito celular foi uma grande descoberta na soluo do problema de
congestionamento espectral e limitao de capacidade de usurios que havia em
sistemas de comunicaes mveis at ento. Esse conceito permite oferecer grande
capacidade com limitaes de espectro alocado, sem grandes mudanastecnolgicas. A FCC (Federal Communication Commission rgo americano
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
5/75
regulamentador de telecomunicaes), em uma regulamentao de 22 de Junho de
1981 definiu o sistema celular como : Um sistema mvel terrestre de alta
capacidade no qual o espectro alocado dividido em canais que so alocados, em
grupos, a clulas que cobrem determinada rea geogrfica de servio. Os canais
podem ser reusados em clulas diferentes na rea de servio[2].
A idia do conceito celular constitui-se basicamente na substituio do transmissor
nico de alta potncia (responsvel pela cobertura de uma grande rea) por vrios
transmissores de baixa potncia, cada um provendo cobertura a uma pequena
regio (clula) da rea total. A cada uma dessas estaes base alocada uma
poro do nmero de canais disponveis para todo o sistema. s estaes base so
alocados diferentes grupos de canais, de forma que todos os canais disponveis no
sistema so alocados a um determinado nmero de estaes vizinhas. A alocao
de canais a estaes base vizinhas feita de forma que a interferncia entre
estaes base (e entre usurios mveis) seja minimizada. Atravs do espaamento
sistemtico das estaes base bem como dos grupos de canais, os canais
disponveis sero distribudos atravs da regio geogrfica e podero ser reusados
quantas vezes forem necessrias, desde que a interferncia entre estaes cocanal
(estaes que possuem grupos de canais em comum) seja mantida a nveis
aceitveis.[1]
Essa idia antiga : a primeira proposta de sistema celular foi da Bell, feita
FCC, em 1971 [2]. Mas o desenvolvimento da idia ainda anterior, no posta em
prtica pela complexidade do sistema de controle. Sua execuo foi viabilizada pelo
uso de microprocessadores nos terminais (mveis e fixos) [3] e, em outubro de
1983, o primeiro sistema celular foi posto em operao, em Chicago, pela AT&T. [2]
Segue um comparativo listando as diferenas bsicas entre sistemas mveis
convencionais e sistemas celulares. [3]
sistemas mveis convencionais sistemas celulares
- baixa densidade de usurios - alta densidade de usurios- no reutilizam freqncias - fazem reuso de freqncias- alta potncia de transmisso - baixa potncia de transmisso- antenas elevadas - antenas pouco elevadas- grande rea de cobertura - rea de cobertura dividida em
clulas- sem expanso modular - expanso modular teoricamente
ilimitada
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
6/75
A Figura 2-1 ilustra a mudana no conceito de comunicaes mveis.
a - cobertura convencional b - cobertura celular
Figura 2-1 - Conceitos de cobertura para comunicaes mveis
A clula a rea geogrfica coberta por sinais de RF de determinada estao
base. Cada clula , em essncia, um centro de rdio-comunicaes onde um
assinante mvel pode estabelecer uma chamada para um telefone mvel ou fixo
atravs da Central de Comutao Mvel (MSC, ou CCC - Central de Comutao e
Controle) e da Rede de Telefonia Pblica Comutada (PSTN). Essa plataforma
composta permite que usurios comuniquem-se entre si estando em qualquer lugar
da rea de cobertura, seja essa comunicao entre usurios mveis ou entre
usurios mveis e fixos. O tamanho e forma da clula dependem de vrios fatores,
tais como ERP (Effective Radiated Power, potncia efetiva irradiada), diagrama de
radiao das antenas e ambiente de propagao. Tradicionalmente, embora o
formato real das clulas seja altamente irregular, para efeito de projeto e gerncia
dos sistemas assumida uma forma geomtrica (usualmente, um hexgono), comoser melhor explicado adiante.
Todo o processo de comunicao controlado e monitorado pela inteligncia do
sistema, que reside na MSC. O projeto, implementao e manuteno dessa
complexa rede exige estudos de propagao de ondas de RF (rdio-freqncia),
antenas, planejamento de freqncias e engenharia de trfego. [4 ]
Com o acrscimo da demanda, ou seja, aumento do nmero de canais necessrios
numa determinada regio, o nmero de estaes base pode ser aumentado (em
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
7/75
conjunto com a diminuio da potncia de transmisso), gerando assim um
aumento na capacidade sem necessidade de ampliar o espectro alocado. Esse
princpio fundamental a base para todos os sistemas modernos de comunicao
mvel, pois ele permite que um nmero fixo de canais (dado pela disponibilidade
de espectro) sirva um grande nmero de assinantes atravs do reuso dos mesmoscanais pela regio total de cobertura. [1]
A respeito do que foi exposto, pode-se citar como caractersticas tpicas de
sistemas macro-celulares (clulas maiores que 2 km, aproximadamente): [3]
- cerca de 650 canais disponveis;
- potncias de transmisso da base variando de 10 a 45 Watts;
- alturas de antenas da base variando de 30 a 100 m;
- raio de cobertura de clula entre 2 e 15 km;
- cada clula utiliza de 25 a 75 canais.
2.1.1. Componentes bsicos de um sistema celular
Os trs elementos principais em uma rede celular so: [5]
- Estao base
- Estao mvel
- Central de Comutao Mvel (MSC)
Embora no conste entre os componentes da rede celular, pode-se tambm incluir
a Rede de Telefonia Pblica Comutada (PSTN), devido sua interligao estreita
com a rede de telefonia celular.
A Figura 2-2 [4] esquematiza uma rede de comunicao celular, com sua
interligao PSTN. Desse ponto em diante a representao de clulas ser feita
atravs de hexgonos. A escolha conveniente, como ser mostrado na sequncia
do texto.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
8/75
Figura 2-2 - Rede celular e interligao PSTN
2.1.1.1. Estao base
As estaes base so responsveis pela realizao das chamadas vindas ou
destinadas aos mveis localizados em cada uma das clulas. So o elo de conexo
dos mveis com o restante do sistema. So conectadas Central de Comutao e
Controle atravs de ligaes terrestres ou via rdio. Consistem de dois elementosbsicos: a parte de rdio e o controle. O rdio engloba todo o conjunto de
transmisso e recepo, alm de torres e antenas. O controle uma unidade com
microprocessador responsvel pelo controle, monitorao e superviso das
chamadas. A alocao e realocao de canais aos mveis tambm feita pela
estao base. E ainda, a estao base monitora os nveis de sinal dos mveis para
verificar a necessidade de handoff(explicado adiante). [5]
Os canais utilizados na comunicao entre mveis e bases so divididos em dois
grupos: canais de voz e canais de controle. Nos canais de voz ocorre a conversao
(ou troca de dados) propriamente dita. Pode tambm ser feita alguma forma de
sinalizao para a manuteno da chamada, como sinalizao de handoff, por
exemplo. Os canais de controle, que existem em nmero bem menor que os de
voz, carregam as informaes necessrias ao estabelecimento de uma chamada,
bem como informaes sobre o estado atual do sistema. Canais de voz podem ser
analgicos ou digitais, dependendo do sistema. Canais de controle so sempre
digitais.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
9/75
2.1.1.2. Estao mvel
A unidade mvel do assinante constitui-se basicamente em um transceptor
porttil de voz / dados, desenvolvido para comunicar-se com os rdios das estaes
base em qualquer dos canais alocados. Opera em modo full-duplex, possuindo um
caminho de ida e um de retorno em relao estao base, que so os links
reverso (mvel para base) e direto (base para mvel), conforme ilustra a Figura 2-
3. Alm da comunicao de voz, a estao mvel tambm comunica-se com a
estao base atravs de suas funes de controle e sinalizao. Alguns exemplos
de mensagens de controle trocadas entre mvel e base so: [5]
- pedido do mvel para acessar um canal e efetuar uma chamada;
- registro do mvel na rea de servio atual (outra MSC);
- mensagem de alocao de canal para o mvel, oriunda da estao base;
- mensagem de handoff oriunda da estao base, para que o mvelsintonize outro canal.
Ressalta-se nesse ponto que o que est sendo chamado de canal constitui-se na
dupla linkdireto e reverso.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
10/75
Figura 2-3 - Comunicao entre terminal mvel e base
2.1.1.3. Central de Comutao Mvel (MSC) o centro de comutao celular, que interliga um conjunto de clulas. Tambm
prov interligao com a rede de telefonia pblica (PSTN). Entre as funes
desempenhadas por uma MSC esto: gerncia e controle dos equipamentos da
base e de conexes; suporte a mltiplas tecnologias de acesso; proviso de
interligao com a PSTN; proviso de registros de assinantes locais; proviso de
registros de assinantes visitantes; suporte a conexes entre sistemas; suporte de
funes de processamento de chamadas e funes necessrias tarifao. [4]
O nmero de clulas conectadas e, portanto, controladas por uma MSC varia de
acordo com as necessidades. Uma MSC pode ser responsvel por uma grande rea
metropolitana ou por um pequeno grupo de pequenas cidades vizinhas. A rea
servida por uma MSC denominada rea de servio e o assinante de uma
determinada rea de servio chamado assinante local(home). possvel que um
assinante desloque-se para uma outra rea diferente daquela na qual ele est
cadastrado. Nesse caso, o assinante denominado visitante (roamer).
2.1.2. Arquitetura do sistema
Um sistema rdio mvel pode ser elaborado segundo uma arquitetura centralizada
ou descentralizada. Em uma arquitetura centralizada, a Central de Comutao
Mvel em geral controla uma grande quantidade de estaes base, tanto de clulas
prximas como distantes. Em um sistema descentralizado, as MSCs tm uma
regio menor de abrangncia, controlando menos estaes base quando comparado
outra arquitetura. [5]
Sistemas pequenos tendem a ser centralizados, enquanto que sistemas maiores
seguem a abordagem descentralizada. H diferentes nveis de descentralizao,
onde pode ou no haver interconexo entre as MSCs. No primeiro caso (h
conexo entre MSCs), uma chamada de um mvel passar pela PSTN apenas
quando o usurio chamado for fixo. Por outro lado, no segundo caso (no h
conexo entre MSCs), mesmo que o usurio chamado seja mvel, mas pertencente
a uma outra rea de servio (outra MSC, portanto), a chamada ter que passar
pela PSTN[5]
, pois ela que prover o contato entre as duas MSCs.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
11/75
2.1.3. Caractersticas do sistema celular
2.1.3.1. Mobilidade
A mobilidade uma das principais caractersticas dos sistemas de comunicao
celular. Esse conceito significa que uma chamada celular, originada em qualquer
lugar e em qualquer momento dentro da rea de servio, pode ser mantida sem
interrupo enquanto o assinante est em movimento. Isso deve-se ao mecanismo
de handoff, que um processo de troca de freqncia das portadoras alocadas ao
mvel, conforme este muda da regio de cobertura de uma base para a de outra.
2.1.3.2. Cobertura da clula
A cobertura provida por uma clula depende de parmetros pr-definidos como,potncia de transmisso, altura, ganho e localizao de antena. Vrios outros
fatores como, presena de montanhas, tneis, vegetao e prdios afetam de
forma considervel a cobertura RF de uma base. Esses ltimos fatores, obviamente,
no so definidos pelo projetista de sistema e variam de uma regio para outra.
Devido s caractersticas variveis e complexas das diversas regies a serem
cobertas por sistemas celulares, vrios modelos de predio de propagao foram e
tm sido desenvolvidos, com a inteno de fornecer estimativas de atenuao de
sinal nos diversos ambientes.
A perda de propagao predita pelos modelos pode ser, de forma geral,
representada pela seguinte expresso: [4]
L (dB) = L0 (dB) + 10log(d/d0) (2-1)
onde:
d0 - uma distncia de referncia
d - a distncia total de cobertura
g - a constante de perda de propagao (funo do ambiente)
Lo - a perda na distncia de referncia do
L - a perda de propagao
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
12/75
2.1.1.1. Clustere Reuso de freqncia
Cluster o nome dado ao conjunto de clulas vizinhas que utiliza todo o espectro
disponvel. Uma configurao muito utilizada a de clusterde sete clulas, como
exemplificada na Figura 2-4a [4].
Sistemas celulares baseiam-se em um sistema inteligente de alocao e reuso de
canais atravs da rea de cobertura. A cada estao base alocado um grupo de
canais de rdio que sero usados em uma regio geogrfica relativamente
pequena, a clula. Estaes base de clulas adjacentes possuem grupos de canais
diferentes de suas clulas vizinhas, para que no haja interferncia. Atravs da
limitao da rea de cobertura at os limites da clula, um mesmo nmero de
canais pode ser usado em outra clula desde que as clulas estejam separadas um
da outra de uma distncia suficientemente grande para que os nveis deinterferncia sejam aceitveis. Dessa forma, usurios em diferentes reas
geogrficas podem usar um mesmo canal simultaneamente. O conceito de reuso de
freqncia fundamental para o uso eficiente do espectro. O processo de seleo e
alocao de grupos de canais para todas as estaes bases faz parte do
planejamento de freqncia.
a - exemplo de cluster b - reuso de freqncias
Figura 2-4 - Cluster e reuso de freqncias
A Figura 2-4b [4] ilustra o conceito do reuso de freqncia, onde clulas
com o mesmo nmero utilizam os mesmos grupos de canais. Nessa figura, D a
distncia de reuso cocanal, que separa duas clulas pertencentes a clusters
adjacentes que utilizam o mesmo conjunto de freqncias. O plano de reuso de
freqncias sobreposto a um mapa para mostrar onde sero usados diferentesgrupos de canais. A forma hexagonal das clulas conceitual, sendo um modelo
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
13/75
simplista da cobertura provida por cada estao base. A cobertura real de uma
clula conhecida como planta (footprint) e determinada por medies ou
estimada por modelos de predio de propagao. A planta real de cobertura
irregular por natureza, porm um formato regular de clula necessrio para o
planejamento sistemtico e adaptao a futuro crescimento. Embora parea naturala escolha de um crculo para representar a rea de cobertura de uma estao base,
a superposio de crculos adjacentes sobre um mapa gera reas descobertas
(gaps) ou regies de sobreposio. Quando se considera os formatos geomtricos
que podem cobrir uma regio sem que haja falhas ou sobreposies, as trs
melhores escolhas recaem em: quadrado, tringulo equiltero e hexgono, como
apresentado na Figura 2-5. [1], [3]
triangular quadrado hexagonal
Figura 2-5 - Padres regulares de geometria de clulas
Na Figura 2-6 [5] so apresentados os sistemas de coordenadas convenientes para
a anlise das trs geometrias.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
14/75
a - geometria triangular b - geometria quadrada
c - geometria hexagonal
Figura 2-6 - Sistemas de coordenadas dos padres regulares
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
15/75
As reas de um tringulo equiltero, um quadrado e um hexgono so dadas,
respectivamente, por ,
2R2 e , onde R o raio das clulas, de mesmo comprimento nas trs
geometrias, indicado na
Figura 2-6. Portanto, para um dado raio de clula, o hexgono o que tem a
maior rea entre as trs geometrias propostas. Assim, atravs do uso da geometria
hexagonal, a regio em que ser prestado o servio mvel pode ser coberta
usando-se o menor nmero de clulas possvel. Alm disso, o hexgono maisprximo de um diagrama de radiao circular que seria provisto por uma base com
antenas omnidirecionais e propagao em espao livre [1]. Deve ficar claro, porm,
que a planta de cobertura real determinada pelo contorno no qual a base serve os
mveis de forma satisfatria. A seguir so explicados os sistemas de coordenadas
usados na Figura 2-6, com nfase na geometria hexagonal.
A distncia unitria sobre os eixos a distncia entre o centro de clulas
adjacentes. Assim, para a geometria triangular, a distncia unitria o prprio raio
da clula, R (Figura 2-6a); para a geometria quadrada, a distncia unitria
(Figura 2-6b); e, para a geometria hexagonal, a distncia unitria dada por
(Figura 2-6c). A distncia unitria chamada distncia celular. Tomando como
exemplo a geometria hexagonal: o ponto (u1,v1) = (1,2) e o ponto (u2,v2) = (3,-1).
Usando as trs geometrias dadas, possvel mostrar que a distncia d entre duas
clulas dada por : [5]
Geometria triangular:(2-2)
Geometria quadrada :(2-3)
Geometria hexagonal :(2-4)
onde :
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
16/75
i = (u2 u1) e j = (v2 v1)
com :
(u1 , v1) e (u2 , v2) - coordenadas do centro de duas clulas
quaisquer, no sistema de coordenadasadotado.
possvel demonstrar que, para a geometria hexagonal, o fato de se desejar
distncias de reuso isotrpicas (distncias iguais entre todas as clulas cocanal)
implica em que os clusters sejam hexagonais, como mostrado na Figura 2-7. [3], [5]
Figura 2-7 - Formato hexagonal dos clusters
possvel se obter uma expresso para o nmero de clulas por cluster, daseguinte forma. Seja a a rea de uma clula e A a rea de um cluster[3]:
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
17/75
Figura 2-8 - Representao de clula e cluster para clculo de rea
A rea da clula dada por :
(2-5)
Como a distncia do centro de um clusterao centro de seu clustervizinho a
distncia de reuso D, se dividirmos o hexgono que representa o clusterem seis
tringulos equilteros, a altura de cada tringulo ser D/2, como indicado na Figura
2-8. Ento :
(2-6)
A rea do cluster, ento :
(2-7)
Dessa forma, o nmero de clulas que cabem dentro de um cluster dado por:
(2-8)
Como, de acordo com a Figura 2-6c, a distncia unitria :
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
18/75
(2-9)
Assim, conforme a expresso (2-4) :
N = = i2 + ij +j2 (2-10)
Como i e j so inteiros, pela combinao de seus valores chega-se aos valores de
N possveis : N = 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, etc.
Para entender o conceito de reuso de freqncias, considere-se um sistema
celular que possui um total de S canais (duplas de linkdireto e reverso) disponveis
para uso. Se a cada clula alocado um grupo de k canais ( k < S), e se os S
canais so divididos entre N clulas de forma que cada clula possua um grupo
exclusivo e com o mesmo nmero de canais, o nmero total de canais pode ser
expresso por: [1]
S =kN(2-11)
As N clulas que utilizam o conjunto completo de freqncias disponveisconstituem, como j dito, um cluster. Se um cluster replicado M vezes na regiode interesse, a capacidade do sistema pode ser medida por: [1]
C = MkN =MS (2-12)
ou seja, o nmero M de vezes que o conjunto S de canais foi repetido. Se o
tamanho de clusterN diminudo, mais clusters sero necessrios para cobrir a
rea desejada, aumentando o valor de M e, por conseqncia, aumentando a
capacidade de usurios do sistema, segundo a expresso (2-12). Na situao
oposta (N crescente), a capacidade diminuda.
O fator de reuso cocanal, q, definido pela relao D/R. A Figura 2-9 [3] ilustra o
conceito.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
19/75
Figura 2-9 - Fator de reuso cocanal
A tabela de q criada da seguinte maneira. Sabendo-se que :
(2-13)
de acordo com a expresso (2-8) :
(2-14)
Atravs de variaes no valor de N, obtem-se os valores de q correspondentes. A
tabela da ilustra alguns exemplos.
Um valor grande de N indica que a razo entre a distncia entre clulas cocanal e o
raio das clulas grande. Por outro lado, um valor pequeno de tamanho de cluster
indica que as clulas cocanal esto localizadas muito mais prximas entre si,
comparado ao valor de R. Nesse ltimo caso, Npequeno, fica claro o problema que
pode haver quanto interferncia entre clulas cocanal. Referindo-se Figura 2-9,
uma regio coberta com clusters de uma clula apresentar muito mais problemas
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
20/75
quanto interferncia cocanal (se nenhuma medida for tomada) do que
apresentaria se fosse coberta com clusters de doze clulas. Dessa forma, o valor de
N (ou q) a ser escolhido tambm, alm de uma funo da capacidade desejada,
funo de quanta interferncia um mvel ou estao base pode suportar mantendo
uma qualidade aceitvel de comunicao.
Estabelece-se, dessa maneira, um compromisso entre capacidade e interferncia
cocanal. A seguir, analisado o problema de interferncia nos sistemas celulares.
2.1.3.4. Interferncia
Interferncia o maior fator limitante no desempenho de sistemas celulares.
Fontes de interferncia incluem outro mvel na mesma clula, uma chamada em
andamento em uma clula vizinha, outras estaes base operando na mesma faixade freqncias ou algum sistema no-celular que cause interferncia ao sistema
celular. Interferncia em canais de voz provoca efeitos de cross talkenquanto que
interferncia em canais de controle pode causar a perda e o bloqueio de chamadas
devido a erros na sinalizao digital. Os dois principais tipos de interferncia gerada
no prprio sistema celular so a interferncia cocanale a interferncia de canal
adjacente.
2.1.3.4.1. Interferncia cocanal e capacidade de sistema
O reuso de freqncia implica em que, em uma dada rea de cobertura, existam
algumas clulas que utilizam um mesmo conjunto de freqncias. A interferncia
entre essas clulas denominada interferncia cocanal. Ao contrrio do rudo
trmico, que pode ser combatido atravs do aumento da relao sinal-rudo (SNR),
o aumento na potncia de transmisso prejudicial nesse caso, pois essa medida
aumentaria a interferncia em clulas cocanal vizinhas. Para reduzir a interferncia
cocanal as clulas cocanal devem ser espaadas por uma distncia mnima, de
forma que seja garantido um isolamento adequado entre elas.[1]
O clculo de interferncia feito atravs da relao entre o sinal desejado e os
sinais interferentes, S/I. Para uma geometria hexagonal de clusters o clculo
baseia-se na Figura 2-10 [3].
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
21/75
Figura 2-10 - Interferncia cocanalNa Figura 2-10 esto representadas as seis primeiras clulas cocanal da clula
central. As clulas so pertencentes aos seis clusters vizinhos ao clustercentral. As
seis clulas interferentes constituem o que se chama de primeiro anel interferente.Ser apresentado o clculo da relao sinal desejado / interferncia relativa
interferncia que as bases vizinhas geram em um mvel que se comunica na
mesma freqncia com a base de sua clula (analogamente, o clculo tambm
funciona para a interferncia que mveis nas clulas vizinhas causam na base
central).
Seja S o nvel de sinal desejado no mvel e I o nvel total de interferncia. O sinal
S e o sinal Ikoriundo de uma das fontes de interferncia podem ser expressos por:[3 ]
S = C x d- ; Ik = C x Dk-
(2-15)
onde :
C - constante
d - distncia do mvel ao transmissor desejado (base de sua clula)
Dk - distncia do mvel ao k-simo transmissor interferente
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
22/75
g - taxa de variao da perda de propagao com a distncia,
dependente do relevo e construes ( o expoente de atenuao
do sinal com a distncia)
As distncias envolvidas podem ser aproximadas por :
d R (mvel no extremo da clula, pior situao terica para recepo do sinal desejado).
Dk D (aproximao melhora quando D/R aumenta)
A relao S/I dada por :
(2-16)
A expresso final (2-16) considera interferncia apenas do primeiro anel de clulasinterferentes. Neste ponto, interessante observar que o aumento do grau de
urbanizao de uma regio, levando ao conseqente aumento do expoente de
atenuao com a distncia, , leva melhoria da relao S/I, ou seja, regies
altamente urbanizadas contribuem para o isolamento do sinal entre clulas cocanal.
Embora as clulas do primeiro anel sejam as que mais contribuam para a
interferncia, se desejado um clculo de S/I mais realista, as contribuies do
segundo anel (doze clulas), terceiro (dezoito clulas) e quantos mais forem
necessrios para a preciso requerida, devem ser computadas. A expresso aseguir, fornece S/I para o nmero desejado de anis interferentes:
(2-17)
onde I o nmero de anis interferentes considerados
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
23/75
Um pequeno valor de q prov maior capacidade de usurios, uma vez que o
tamanho de cluster N pequeno (j analisado com auxlio da expresso (2-12));
por outro lado, um alto valor de q permite melhoria na qualidade de transmisso,devido ao aumento da relao S/I (expresses (2-16) e (2-17)). Um compromisso
entre ambos os objetivos, capacidade e qualidade, deve ser estabelecido.
2.1.3.4.2. Interferncia de canal adjacenteInterferncias que resultam de sinais que esto numa faixa de freqncias
adjacente faixa do sinal desejado so chamadas interferncias de canal
adjacente. Essa forma de interferncia resulta de imperfeies no filtro do receptor,
que permite que freqncias em faixas prximas da faixa desejada sejam
recebidas. O problema pode ser particularmente srio se um usurio em um canal
adjacente estiver transmitindo muito prximo ao receptor de um outro usurio,
enquanto o receptor dete ltimo tenta receber sinal de uma estao base no canal
desejado. Esse problema conhecido como efeito perto-distante (near-far effect),
onde um transmissor prximo (podendo inclusive no fazer parte do sistema
celular) causa forte interferncia de canal adjacente em outro receptor. De outra
maneira, o efeito perto-distante tambm ocorre quando um mvel prximo
estao base transmite em um canal prximo ao canal sendo usado por um mvel
cujo sinal est fraco (certamente um mvel que esteja mais distante da estao
base em questo). Nesse caso, a estao base pode ter dificuldade em discriminar
o usurio cujo sinal est mais fraco. [1]
A interferncia de canal adjacente pode ser minimizada atravs de filtragem
adequada e uma correta alocao de canais entre clulas. Como para cada clula
alocada apenas uma frao dos canais disponveis, deve ser evitada a alocao,
para uma mesma clula, de canais que so adjacentes em freqncia. Atravs da
alocao de canais na clula de forma que eles sejam o mais afastados possvel em
freqncia, a interferncia de canal adjacente pode ser consideravelmentereduzida. Dessa forma, dado o tamanho N de cluster, possvel que se crie vrios
esquemas de alocao de canal entre as clulas de forma a maximizar a separao
entre canais em uma mesma clula. Esquemas de alocao de canal devem
tambm prevenir uma outra fonte de interferncia de canal adjacente, que o uso
de canais adjacentes em clulas vizinhas. Esse um problema de soluo ainda
mais complexa.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
24/75
2.1.3.5. Controle de potncia
Em sistemas celulares digitais, os nveis de potncia transmitidos por cada unidade
mvel esto sob constante controle das estaes base. Isso feito para assegurarque cada terminal mvel transmita com um nvel de potncia apenas suficiente
para manter um bom nvel de qualidade no linkreverso. O controle de potncia no
apenas permite economia de bateria no terminal do usurio como tambm permite
uma reduo considervel na relao S/I de link reverso no sistema. [1] Em
sistemas CDMA (Code Division Multiple Access), como ser visto, um eficiente
controle de potncia passa a ser fundamental para o desempenho do sistema.
2.1.3.6.
Estratgias de alocao de canal
Para um uso eficiente do espectro rdio disponvel, requerido um esquema de
reuso de freqncias que seja consistente com os objetivos de aumento de
capacidade e reduo de interferncia. Com o intuito de aumentar a eficincia na
utilizao do espectro, uma variedade de estratgias de alocao de canais foi
ento desenvolvida. Tais estratgias podem ser classificadas como fixas ou
dinmicas. A escolha da estratgia impacta no desempenho do sistema,
particularmente em como uma chamada gerenciada quando um mvel desloca-se
de uma clula para outra.
Numa estratgia de alocao fixa de canais, alocado um determinado conjunto
de canais de voz a cada clula. Qualquer tentativa de chamada dentro da clula s
poder ser servida pelos canais desocupados pertencentes quela clula. H
algumas variantes da estratgia de alocao fixa de canais. Em uma delas,
chamada de estratgia de emprstimo (borrowing strategy), uma clula pode pedir
canais emprestados de uma clula vizinha se todos os seus canais estiverem
ocupados. A Central de Comutao Mvel supervisiona os procedimentos deemprstimo e garante que o emprstimo do canal no interfere em nenhuma
chamada que esteja em progresso na clula de origem do canal. [1]
Na estratgia de alocao dinmica de canais, os canais de voz no so alocados s
clulas permanentemente. Ao invs disso, cada vez que h uma tentativa de
chamada, a estao base requisita canal para a MSC. A Central ento aloca um
canal para a clula que o requisitou. [1]
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
25/75
A MSC apenas aloca uma determinada freqncia se essa freqncia no est em
uso na clula nem em nenhuma outra clula que esteja a uma distncia menor que
a distncia de reuso, para evitar interferncia. A alocao dinmica de canais
diminui a probabilidade de bloqueio de chamadas, aumentando a capacidade de
troncalizao do sistema, pois todos os canais disponveis esto acessveis a todasas clulas. Esse tipo de estratgia requer que a MSC colete dados em tempo real de
ocupao de canais, distribuio de trfego, e de indicaes de intensidade de sinal
de rdio (RSSI- Radio Signal Strength Indications) de todos os canais,
continuamente. Isso sobrecarrega o sistema em termos de capacidade de
armazenamento de informaes e carga computacional, mas prov vantagem de
aumento de utilizao dos canais e diminuio da probabilidade de bloqueio. [1]
2.1.3.7. Estratgias de handoff
Quando um mvel desloca-se entre clulas enquanto uma conversao est em
andamento, a MSC automaticamente transfere a chamada para um novo canal
pertencente nova estao base. Esse procedimento de handoff no apenas
involve a identificao de uma nova estao base, mas tambm requer que os
sinais de voz e de controle sejam transferidos para canais associados nova clula.
O processamento de handoffs uma tarefa muito importante em qualquer sistema
celular. Muitas estratgias de handoffpriorizam os pedidos de handoffem relao apedidos de inicializao de novas chamadas, quando da alocao de canais livres
em uma clula. Handoffs devem ser realizados com sucesso (e o menor nmero de
vezes possvel) e deveriam ser imperceptveis aos usurios. Projetistas de sistemas
devem especificar um nvel timo de sinal que iniciar o processo de handoff. Uma
vez que um nvel particular de potncia de sinal tenha sido estabelecido como
sendo o nvel que oferece a qualidade de voz mnima aceitvel no receptor da
estao base (normalmente entre 90 dBm e 100 dBm) [1] , um nvel de sinal
ligeiramente superior usado como limiar no qual o handoff feito. Essa margem,dada por = Pr handoff - Pr mnimo usvel , onde Pr a potncia recebida na base, no
pode ser muito grande nem muito pequena. Se muito grande, podem ocorrer
handoffs desnecessrios, que sobrecarregam a MSC e, se muito pequena, o
tempo pode ser insuficiente para que o handoffse complete, e ento a chamada
ser perdida devido ao enfraquecimento do sinal. Dessa forma, escolhida
cuidadosamente para atender a esses requisitos conflitantes.
Para se decidir se um handoff necessrio ou no, importante garantir que aqueda no nvel do sinal medido no devida a um desvanecimento momentneo e
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
26/75
que o mvel est realmente afastando-se da estao base que o serve. Para se
certificar disso, a estao base monitora o nvel de sinal por um certo tempo antes
do handoff ser iniciado. Esse procedimento deve ser otimizado de forma que
handoffs desnecessrios no ocorram e que handoffs necessrios sejam realizados
antes da chamada ser interrompida.
Em sistemas celulares analgicos de primeira gerao, a medio dos nveis de
sinal feita pelas estaes base e supervisionada pela MSC. Cada estao base
constantemente monitora a intensidade de sinal de todos os seus links de voz
reversos (mvel para base) para determinar a posio relativa de todos os usurios
em relao torre da base. Alm de medir a RSSI de chamadas em progresso
dentro da clula, um receptor adicional em cada estao base, chamado de locator
receiver, usado para determinar o nvel de sinal de usurios que esto em clulas
vizinhas. Esse receptor comandado pela MSC e usado para monitorar a
intensidade de sinal de usurios em clulas vizinhas que possam ser candidatos a
handoffe reportar os valores de RSSI medidos MSC. Baseada na informao de
nvel de sinal fornecida pelo locator receiverde cada estao base, a MSC decide se
o handoff necessrio ou no e, caso seja, para que clula ele dever ser feito. [1]
Em sistemas celulares de segunda gerao que utilizam tecnologia TDMA ( Time
Division Multiple Access), as decises de handoff so assistidas pelo mvel. No
handoff assistido pelo mvel(MAHO), cada estao mvel monitora o nvel de sinal
recebido de estaes vizinhas e continuamente reporta essas medies para a
estao base que a serve no momento. Um handoff iniciado quando a potncia
recebida de uma estao base vizinha comea a exceder a potncia recebida da
estao base que serve o mvel de um determinado valor ou por um certo perodo
de tempo. Esse mtodo permite que a chamada seja transferida entre estaes
base muito mais rapidamente do que o mtodo da primeira gerao permite, j que
as medies so feitas por cada mvel e a MSC no precisa mais da constante
monitorao de nveis de sinal. O esquema MAHO particularmente bem adaptadoa ambientes de microclulas, onde handoffs so mais frequentes. [1]
Sistemas diferentes possuem diferentes polticas e mtodos para gerenciar os
pedidos de handoff. Alguns sistemas tratam pedidos de handoffda mesma forma
que os pedidos de inicializao de novas chamadas. Nesses sistemas, a
probabilidade de que um pedido de handoff no seja atendido por uma nova
estao base igual probabilidade de bloqueio de novas chamadas. Entretanto,
do ponto de vista do usurio, ter sua chamada abruptamente interrompida nodecorrer da ligao parece ser muito mais incmodo do que ser bloqueado
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
27/75
eventualmente na tentativa de fazer uma nova chamada. Para melhorar a
qualidade dos servios sob esse aspecto, vrios mtodos foram desenvolvidos para
priorizar os pedidos de handoff sobre os pedidos de inicializao de novas
chamadas quando da alocao de canais de voz. [1 ]
2.1.3.7.1. Priorizando handoffs
Um mtodo para dar prioridade a handoffs descrito pelo conceito de reserva de
canal (guard channel), onde uma frao dos canais da clula reservada
exclusivamente para pedidos de handofforiundos de clulas vizinhas. Esse mtodo
possui a desvantagem de reduzir o trfego total permitido a chamadas originadas
na prpria clula. Entretanto, esse mtodo pode oferecer um uso eficiente do
espectro se for utilizado em conjunto com uma estratgia de alocao dinmica de
canais, que minimizar o nmero de canais reservados requeridos atravs de uma
alocao por demanda eficiente. [1]
2.1.3.7.2. Consideraes prticas sobre handoff
Na prtica, problemas podem surgir pelo fato dos mveis trafegarem nas mais
diferentes velocidades. Veculos a altas velocidades passam pela regio de
cobertura em questo de segundos enquanto que pedestres podem no precisar de
nenhum handoffno decorrer de uma chamada. Particularmente, com a adio de
microclulas (clulas de algumas centenas de metros de raio) para prover
capacidade, a MSC pode rapidamente ficar sobrecarregada se usurios a altas
velocidades esto constantemente sendo transferidos entre clulas muito
pequenas. Muitos esquemas foram e esto sendo desenvolvidos para lidar com o
trfego simultneo de mveis a altas e baixas velocidades, ao mesmo tempo em
que minimizam a interveno da MSC para o handoff. [1]
Embora o conceito celular oferea claramente um aumento de capacidade atravs
da adio de clulas, na prtica difcil para provedores de servios celularesencontrar novas localidades para instalar estaes base, especialmente em reas
urbanas. Devido s dificuldades encontradas, fica mais atraente para os provedores
instalar canais adicionais e novas estaes base na mesma localidade de uma clula
j existente, ao invs de procurar novas localidades. Atravs do uso de diferentes
alturas de antenas (frequentemente no mesmo prdio ou torre) e de diferentes
nveis de potncia, possvel se prover clulas maiores e menores localizadas
numa mesma regio. Essa abordagem conhecida como clula guarda-chuva
(umbrella cell approach) e usada para prover grandes reas de cobertura ausurios em alta velocidade e pequenas reas de cobertura para usurios a mais
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
28/75
baixas velocidades. A mostra o conceito. Essa abordagem garante que o nmero de
handoffs ser minimizado para usurios a altas velocidades. A velocidade de cada
mvel pode ser estimada pela estao base ou pela MSC atravs, por exemplo, da
medio de quo rapidamente a intensidade mdia em pequena escala (short-term)
do sinal varia no tempo. Se um mvel, deslocando-se a grande velocidade na clulamaior est aproximando-se da estao base e sua velocidade est decrescendo
rapidamente, a estao base poder decidir transferir o mvel para uma clula
menor, sem interveno da MSC. [1]
Figura 2-11 - Conceito de clula guarda-chuva
(algumas bases no esto representadas, para facilitar a leitura da figura)
2.1.3.8. Roaming
Numa situao prtica, pode haver mais de um operador de servios celulares em
uma mesma cidade e, certamente, dentro de um mesmo pas/continente. Porm, o
usurio assinante de uma operadora apenas. Dessa forma, necessrio que haja
interligaes entre as diversas operadoras, no sentido de que o assinante de uma
operadora possa utilizar os servios de outra, como visitante (roamer).
Durante o curso de uma chamada, se o mvel desloca-se da rea de servio de
uma MSC para a de outra, necessrio um roaming. Portanto, o roaming pode
inclusive ocorrer na rea de prestao de servio de uma mesma operadora. H
vrios aspectos a serem considerados na implementao do roaming. Por exemplo,
uma chamada local pode transformar-se numa chamada a longa distncia quando a
MSC visitada est em outro estado. Da mesma forma, deve ser dada ateno
compatibilidade de sistemas entre as MSCs envolvidas. [1]
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
29/75
2.1.1. Troncalizao e Grau de Servio
Sistemas celulares baseiam-se em troncalizao para acomodar um grande
nmero de usurios em um espectro limitado. O conceito de troncalizao permiteque um grande nmero de assinantes compartilhe um nmero consideravelmente
menor de canais numa clula permitindo acesso de cada usurio, por demanda, ao
conjunto de canais disponveis. Num sistema troncalizado, um canal alocado ao
usurio apenas durante sua chamada. Aps o trmino da chamada, o canal volta a
fazer parte do conjunto de canais disponveis.
O conceito de troncalizao baseia-se no comportamento estatstico das conexes,
de forma que um nmero fixo de canais possa acomodar uma grande comunidade
de usurios. Em um sistema troncalizado, quando um usurio requisita servio e
todos os canais esto ocupados, a tentativa de chamada bloqueada ( negado
acesso ao sistema).
Os fundamentos da teoria de troncalizao foram desenvolvidos por um
pesquisador chamado Erlang, no final do sculo XIX, e por esse motivo a medida de
trfego telefnico leva o seu nome. Um Erlang representa a quantidade de trfego
cursada por um canal ocupado por um perodo de tempo completo, ou seja, uma
chamada de uma hora de durao, em uma hora ter um trfego de 1 Erl; uma
chamada de um minuto, em um minuto ter um trfego de 1 Erl. Por exemplo, um
canal rdio que ficou ocupado por trinta minutos em uma hora, cursou 0,5 Erl. [1]
O Grau de Servio (GOS) uma medida da probabilidade de um usurio acessar
um sistema troncalizado, ou seja, que o usurio encontre um canal disponvel para
efetuar sua chamada, na hora de maior movimento. funo do projetista do
sistema estimar a capacidade mxima requerida e alocar o nmero apropriado de
canais de forma a obter o grau de servio desejado.
A intensidade de trfego oferecida por cada usurio dada pelo produto do
nmero de requisies de chamada pelo tempo de reteno de cada chamada. Ou
seja, cada usurio gera uma intensidade de trfego Au, em Erlangs (Erl) dada por:[1]
Au =H(2-18)
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
30/75
onde :
H - durao mdia de uma chamada
l - nmero mdio de requisies de chamada por unidade de tempo
Para um sistema contendo U usurios, a intensidade total de trfego oferecido, A,
dada por: [1]
(2-19)
Deve ser observado que o trfego oferecido no necessariamente igual ao
trfego cursado pelo sistema. Quando o trfego oferecido excede a capacidade
mxima do sistema, o trfego cursado fica limitado, devido limitao no nmero
de canais.
Como um exemplo prtico do conceito de troncalizao e GOS, pode-se considerar
o sistema AMPS americano. Esse sistema de primeira gerao est designado para
um grau de servio de 2% de bloqueio, que tpico em sistemas celulares. Isso
implica que a alocao de canais s clulas feita de forma que apenas duas em
cem tentativas de chamada sero bloqueadas por falta de canal, na hora de maior
movimento. Apenas para comparao, o grau de servio em dois sistemas mveis
convencionais (no celulares), MK e MJ, que operavam em Nova Iorque, em 1976,
era de 30% e 50%, respectivamente. [6] Ou seja, neste ltimo, metade das
tentativas de chamada eram bloqueadas e os usurios no conseguiam conexo.
Existem dois tipos de sistemas troncalizados comumente usados. No primeiro tipo,
assumido que no h tempo de setup (tempo requerido para alocar um canal a
um usurio que o requisita), sendo que um canal imediatamente alocado ao
usurio, desde que haja pelo menos um canal livre. Se no h canais livres, o
usurio bloqueado, ficando sem acesso ao sistema e livre para tentar novamente
posteriormente. Esse tipo de troncalizao denominado chamadas bloqueadas
liberadas (blocked calls cleared) e assume que as chamadas chegam de forma
determinada por uma distribuio de Poisson. E ainda, assumido que h um
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
31/75
nmero infinito de usurios, bem como: (a) qualquer usurio, incluindo usurios
bloqueados, pode requerer um canal a qualquer momento; (b) a probabilidade de
ocupao de canal por um usurio distribuda exponencialmente, de forma que
chamadas mais longas so menos provveis de ocorrer; e (c) h um nmero finito
de canais disponveis no sistema de troncalizao. Essas propriedades levam frmula conhecida por Erlang B. [1]
A frmula Erlang B dada por: [1]
(2-20)
ou, de outra forma, [3]
(2-21)
onde :
C - nmero de canais oferecidos pelo sistema troncalizado
A - trfego total oferecido
Embora seja possvel que se modele sistemas com nmero finito de usurios, as
expresses resultantes so muito mais complexas que a obtida. O uso das
expresses mais complexas no compensa, especialmente em sistemas onde o
nmero de assinantes supera em vrias ordens de grandeza o nmero de canaisdisponveis. Sendo assim, a frmula Erlang B prov uma estimativa conservadora
da GOS, pois como o nmero real de usurios finito, a probabilidade de bloqueio
acaba por ser um pouco inferior calculada. [1]
A expresso erlang-B tabelada (Tabela erlang-B), de maneira que fica mais
prtico de se analisar as combinaes de GOS desejada, trfego e nmero de
canais necessrios.
No segundo tipo de sistema troncalizado prevista uma fila para as chamadas queforam bloqueadas. No caso de no haver um canal disponvel imediatamente, a
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
32/75
requisio da chamada pode esperar algum tempo na fila at que um canal seja
liberado. Essa forma de troncalizao chamada de chamadas bloqueadas
retardadas (blocked calls delayed), e sua medida de GOS definida pela
probabilidade de que uma chamada seja bloqueada aps aguardar determinado
tempo na fila.[1] Esse mtodo d origem outra formulao e, consequentemente, outra tabela, a erlang-C. Usualmente, os clculos de troncalizao so feitos
utilizando-se a tabela erlang-B.
A eficincia de troncalizao uma medida do nmero de usurios para os quais
pode-se oferecer um determinado GOS com uma determinada configurao de
canais. A forma pela qual os canais so agrupados pode alterar substancialmente o
nmero de usurios que podem ser suportados pelo sistema. Por exemplo, dez
canais a uma GOS de 0,01 (1%) podem suportar 4,46 Erlangs de trfego, enquanto
que dois grupos de cinco canais cada podem suportar 2 x 1,36 = 2,72 Erlangs de
trfego, onde 1,36 erl o trfego suportado por cinco canais para oferecer uma
GOS de 0,01. Ou seja, no caso de se troncalizar os canais conjuntamente (um
grupo de dez canais), conseguiu-se 60% a mais de trfego do que se consegue
com dois grupos de cinco canais. Fica claro dessa forma que a alocao de canais
em um sistema troncalizado tem um grande impacto na capacidade final do
sistema. [1]
Essa diferena de eficincia conforme a distribuio de canais deve-se no
linearidade da expresso erlang-B, explicitada na [4]. A eficincia de troncalizao
calculada por: [4]
(2-22)
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
33/75
Figura 2-12 Eficincia de troncalizao
Para um nmero de canais inferior a quinze, o agrupamento fica ineficiente,tornando-se desfavorvel operadora de telefonia celular. [4]
2.1.2. Aumentando a capacidade em Sistemas Celulares
Com o aumento da demanda por servios celulares, o nmero de canais alocados a
determinada (ou a vrias) clula(s) pode tornar-se insuficiente para suportar o
nmero crescente de usurios, ou seja, para suportar o aumento de trfego. Emsituaes como essa, algumas tcnicas devem ser utilizadas para prover mais
canais por unidade de rea de cobertura. Tcnicas como diviso celular e
setorizao so duas das tcnicas usadas na prtica para aumentar a capacidade
dos sistemas. [1]
2.1.5.1. Diviso celular
Diviso celular o processo de se subdividir clulas congestionadas em clulas
menores, cada uma com sua nova estao base e correspondente reduo de alturade base e potncia de transmisso. Atravs da criao de novas clulas, menores
que as originais, entre as clulas existentes, a capacidade aumenta devido ao
acrscimo no nmero de canais por unidade de rea. A Figura 2-13 [5] ilustra um
exemplo de diviso celular.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
34/75
Figura 2-13 - Diviso celular
Como desvantagens do processo, pode-se citar: 1) aumento no nmero deestaes rdio-base, gerando aumento de custo. Uma reduo do raio da clula por
um fator kaumenta o nmero de ERBs (estaes rdio-base) por um fator k2 ; 2)
aumento do nmero de handoffs, gerando aumento de overhead (sobrecarga de
controle) para a MSC. Uma reduo no raio por um fator 4 aumenta o nmero de
handoffs por um fator 10. [3]
Na prtica, no so todas as clulas que so subdivididas. Dessa forma, diferentes
tamanhos de clula existem simultaneamente. Nesse tipo de situao, deve-se ter
um cuidado especial para que seja mantida a distncia mnima requerida entre
clulas cocanal. A alocao de canais entre as clulas pode tornar-se mais
complicada.
Para exemplificar esse problema, considere a [5], onde foi realizada diviso celular.
A distncia entre coclulas (clulas cocanal) grandes mantida, D = 4,6R, onde R
o raio das clulas grandes. Da mesma forma, pelo fato da diviso seguir o mesmo
arranjo de clusters original, a distncia entre duas coclulas pequenas de 4,6r,
onde r o raio de clulas pequenas (foi escolhido r = R/2).
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
35/75
Figura 2-14 - Diviso celular. Novas distncias de reuso de freqncia
O nvel de interferncia , portanto, igual entre clulas cocanal de mesmo
tamanho, e igual ao nvel de projeto. Pelo exemplo da , uma ligao em andamento
em uma clula pequena no interferir em uma clula cocanal grande pois, sendo
atendida a distncia de reuso D entre as clulas menores, ao mesmo tempo essa
distncia atendida (e a mesma: 2,3R = 4,6r) entre clulas grandes e pequenas.
Porm, uma chamada em andamento em uma clula grande interferir numa clula
pequena cocanal, pois a distncia de reuso entre clulas grandes maior que a
distncia de reuso entre clulas grandes e pequenas (4,6R > 2,3R). [5]
O aumento de interferncia, expresso pela diminuio na relao S/I calculado a
seguir.
O fator de reuso q entre clulas de mesmo tamanho , aproximadamente, 4,6
(N=7). Entre clulas de tamanhos diferente, q = 2,3. Ento, atravs da
expresso ), a relao S/I entre clulas de tamanhos diferentes, para o exemplo
dado :
(2-23)
o que, em dB, representa uma perda de 3 na relao S/I original (sem diviso
celular).
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
36/75
Embora a seja um exemplo especfico, pois a diviso celular pode ocorrer de outras
formas, ela ilustra o problema da interferncia cocanal que pode ser causada pelo
fato de clulas cocanal estarem mais prximas do que deveriam, segundo o projeto
original.
Uma soluo possvel a apresentada na . As clulas grandes so divididas em
duas camadas concntricas. Na camada mais externa no poder haver canais em
comum entre clulas grandes e pequenas, evitando, assim, interferncia cocanal. [5]
Figura 2-15 - Soluo para o aumento de interferncia cocanal na diviso celular
Tcnica de overlay
A camada mais externa da clula maior s possui canais que no esto presentes
na clula menor (grupo B de canais). Assim, possvel que se aumente o
isolamento entre as clulas grandes e pequenas cocanal.
2.1.5.2. Setorizao
Outra forma de se conseguir aumento de capacidade manter o raio das clulas
inalterado, e procurar formas de diminuir a relao D/R. Nessa abordagem, o
aumento de capacidade obtido atravs da reduo do nmero de clulas em um
clustere, dessa forma, aumentando-se o reuso de freqncia. Entretanto, deve-se
buscar uma soluo para o aumento de interferncia cocanal gerado pela
diminuio do tamanho de cluster.
A interferncia cocanal pode ser reduzida atravs da substituio de uma nica
antena omni-direcional na estao base por algumas antenas direcionais, cada uma
irradiando em determinado setor. Essa tcnica de decrscimo da interfernciacocanal, permitindo um aumento na capacidade do sistema, usando antenas
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
37/75
direcionais, conhecida por setorizao. O fator pelo qual a interferncia cocanal
reduzida depende do nmero de setores usados. Usualmente, uma clula
particionada em trs setores de 1200 ou seis setores de 600, conforme ilustrado na[3]. A figura tambm mostra como reduzida a interferncia cocanal.
a - trs setores b - seis setores
Figura 2-16 - Setorizao
Se a distribuio de canais idntica entre os setores de todas as clulas, pela
prpria geometria criada pela setorizao, verifica-se que : com trs setores
haver duas clulas interferentes e, com seis setores, h apenas uma clula
cocanal (no primeiro anel de clulas interferentes). As novas relaes S/I obtidas,
seguindo o mesmo desenvolvimento da expresso (2-16 ), so :
Para trs setores
(2-24)
ou seja, um ganho de fator 3 em relao a soluo omnidirecional. Em dB:
aproximadamente 4,8 dB de ganho na relao S/I.
Para seis setores
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
38/75
(2-25)
ou seja, um ganho de fator 6 em relao a soluo omnidirecional. Em dB:
aproximadamente 7,8 dB de ganho na relao S/I.
A reduo de interferncia obtida pela setorizao permite que os projetistas
aumentem a capacidade de usurios atravs da reduo do tamanho de clusterN,
como j dito. A setorizao pode ser usada tambm apenas para reduzir um nvel
de interferncia que esteja acima do aceitvel, sem que se altere o valor de N para
aumento de capacidade.
Como desvantagens da setorizao podem ser citados o aumento do nmero de
antenas em cada estao base, e o decrscimo de eficincia de troncalizao devido
repartio de canais entre os setores. Esse ltimo problema pode ser ilustrado da
seguinte maneira. Considere o sistema analgico AMPS, com 395 canais de voz em
uma das bandas (A ou B). Usando-se um esquema N=7 omni (antenas
omnidirecionais), portanto sem setorizao, temos :
395 canais de voz / 7 clulas = 56,4 56 canais de voz por clula
Consultando a tabela erlang-B para um GOS = 2%, o trfego suportado de 45,9
erl por clula.
Se, por outro lado, parte-se para o uso de setorizao, com 3 setores por
exemplo :
3 x 7 = 21 setores por cluster
395 / 21 = 18,8 18 canais de voz por setor
Pela tabela erlang-B, com GOS = 2% :
trfego por setor = 11,5 erl
trafgo por clula = 3 setores x 11,5 = 34,5 erl por clula.
Ou seja, foi perdida capacidade de trfego (34,5 < 45,9) devido setorizao.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
39/75
Portanto, quando se pensa em setorizao para o aumento de capacidade de um
sistema, projetistas devem observar o aumento real de capacidade que ser obtido
na reduo de Nj que, como mostrado, a setorizao apresenta perda de
capacidade embutida em seu processo.
Ainda, como a setorizao reduz a rea de cobertura de um grupo particular de
canais, o nmero de handoffs aumentado. Porm, muitas estaes rdio base
permitem que os mveis faam handoffentre setores de uma mesma clula sem
interveno da MSC, ou seja, no h sobrecarga na MSC devido ao excesso de
handoff. a perda de capacidade de trfego o maior motivo pelo qual alguns
operadores evitam a soluo de setorizao. [1 ]
2.2. Tcnicas de Modulao
A modulao o processo atravs do qual a informao a ser transmitida
convertida em uma forma conveniente sua transmisso. Geralmente, esse
processo envolve a translao da banda bsica de informao em bandas muito
mais altas, nas quais efetivamente ocorrer a transmisso. O sinal original, ou seja,
a informao propriamente dita, chamado sinal modulante. O sinal resultante do
processo de modulao chamado sinal modulado. No receptor, ocorre o processo
inverso, no qual se extrai a informao do sinal modulado. Esse processo
conhecido por demodulao.
Dado o ambiente hostil em termos de condies de propagao encontrado em um
ambiente celular, a implementao de um esquema de modulao eficiente e
resistente aos problemas apresentados pelo canal mvel no uma tarefa simples.
Os sistemas celulares de Primeira Gerao utilizam modulao analgica para voz,
constituindo os sistemas analgicos. Os primeiros sistemas utilizavam AM
(Modulao em Amplitude), mas rapidamente adotaram o FM (Modulao em
Freqncia), to logo essa tecnologia mostrou-se de realizao vivel. Hoje, todos
os sistemas de Primeira Gerao utilizam o FM para a modulao de voz. [5]
Os sistemas conhecidos como sendo de Segunda Gerao utilizam modulao
digital de voz. Esses sistemas so denominados de sistemas digitais. Existe
atualmente um nmero significativo de tcnicas de modulao digital.
O texto que se segue apresenta um sumrio das tcnicas de modulao
empregadas em sistemas celulares, enfatizando os esquemas de modulao digital.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
40/75
2.2.1. Sistemas Analgicos
A tcnica de modulao utilizada nos canais de voz o FM.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
41/75
2.2.1.1. FM
O FM faz parte de uma classe de esquemas de modulao conhecidos por
modulao angular. Um sinal modulante senoidal de freqncia fm e amplitudemximaAm , modula uma portadora FM gerando o seguinte sinal modulado :
(2-26)
onde :
Ac - amplitude mxima da portadora
wc - freqncia angular da portadora
kf - constante relativa ao modulador
A relao entre a amplitude mxima da mensagem e a banda (W, usualmente sua
freqncia mxima) do sinal modulante (que, no caso geral, no senoidal) dada
pelo ndice de modulao, f:[1]
(2-27)
onde f o mximo desvio de freqncia do sinal modulado em torno da
freqncia da portadora.
A banda de transmisso dada, aproximadamente, por :
B = 2(f+1).W (2- 28)
De ) surgem duas possibilidades : [7]
- se f> 1 B 2f chamado FM faixa larga
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
42/75
No FM faixa larga, mais bandas laterais (em relao portadora) so necessrias
para compor o sinal modulado. O FM faixa estreita especialmente interessante em
comunicaes mveis (se comparado ao FM faixa larga), onde crtica a limitao
de espectro.
A modulao em freqncia oferece muitas vantagens sobre a modulao em
amplitude, o que a torna a melhor escolha para sistemas celulares analgicos. O FM
apresenta maior imunidade a rudo se comparado ao AM. Como os sinais so
representados por variaes de freqncia, e no de amplitude, os sinais FM so
menos susceptveis a rudos tanto gaussianos como impulsivos, que tendem a
causar flutuaes na amplitude do sinal. Essa caracterstica da modulao FM
tambm pode explicar sua vantagem no que se refere a desvanecimentos por
multipercurso, que causam flutuaes rpidas no sinal, gerando efeitos mais srios
em sinais AM.
Em sinais FM possvel se estabelecer um compromisso entre banda ocupada e
desempenho quanto a rudo. O ndice de modulao, que possui ligao direta com
a banda que ser ocupada pelo sinal modulado, pode ser alterado para que se
obtenha uma melhor relao sinal-rudo na sada do receptor. Sob certas condies,
a relao sinal-rudo pode aumentar em 6 dB a cada duplicao da banda ocupada
pelo sinal FM. Essa talvez a maior vantagem da modulao FM sobre a AM. [1]
Por ser um sinal de envelope constante (pois a variao est na freqncia, e no
na amplitude), a potncia transmitida em um sinal FM constante independente do
nvel do sinal modulante. Essa caracterstica permite o uso de amplificadores
eficientes para a amplificao de potncia dos sinais de RF, uma grande vantagem
quando se pensa em economia de bateria no terminal mvel. [1]
A modulao FM tambm apresenta o chamado efeito de captura (capture effect).
Se dois sinais na mesma faixa de freqncias so recebidos, apenas o que possuir
maior nvel de recepo ser aceito e demodulado. Essa caracterstica torna
sistemas FM muito robustos quanto a interferncia cocanal. [1]
Entre as desvantagens esto : maior banda necessria para se obter as vantagens
de melhoria na relao sinal-rudo na sada do receptor e de efeito de captura; os
equipamentos de transmisso e recepo FM so mais complexos que os de AM;
em algumas situaes, o AM pode superar o desempenho do FM em condies de
baixos nveis de recepo, uma vez que, no FM, os sinais devem chegar ao receptor
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
43/75
com um nvel acima de um nvel mnimo (limiar) de recepo, determinado pela
qualidade desejada.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
44/75
2.1.1. Sistemas Digitais
Os sistemas celulares de Segunda Gerao possuem como caracterstica
comum o fato de empregarem esquemas de modulao digital tambm nos canaisde voz, e no apenas nos canais de controle como j era feito nos sistemas de
Primeira Gerao.
A modulao digital oferece muitas vantagens quando comparada modulao
analgica. Entre elas, pode-se citar: maior imunidade a rudo e a outros efeitos
nocivos do canal; maior facilidade e praticidade de se multiplexar vrias formas de
informao, como voz, dados e vdeo, por exemplo; e maior segurana nas
informaes. Alm disso, esquemas de modulao digital podem comportar cdigos
de deteo e/ou eliminao de erros e ainda cdigos complexos de codificao e
equalizao, entre outros, para melhorar o desempenho geral do sistema. [1]
Muitos fatores devem se considerados quando da escolha do esquema de
modulao, incluindo: largura de banda requerida, minimizao de interferncias
intersimblica e de canal adjacente, e desempenho quanto taxa de erros. [5]
Um esquema de modulao ideal prov baixas taxas de erro de bit (BER) com
baixos nveis de relao sinal-rudo na recepo, tem bom desempenho em
situaes de propagao com multipercursos (e, portanto, sujeito a
desvanecimentos), ocupa uma banda mnima, e ainda fcil e econmico de ser
implementado. Nenhum esquema de modulao atual satisfaz a todos esses
requisitos simultaneamente. Alguns esquemas possuem melhor desempenho em
termos de taxa de erro de bit, enquanto que outros utilizam melhor o espectro
alocado. Portanto, um compromisso deve ser estabelecido na escolha do esquema
de modulao, dependendo das demandas da aplicao. [1]
O desempenho de um esquema de modulao usualmente medido em termos de
eficincia de potncia e eficincia de uso da banda. Eficincia de potncia est
relacionada com a habilidade do esquema de modulao em preservar a fidelidade
da mensagem original com baixos nveis de potncia. Em um sistema de
comunicao, para que se obtenha maior imunidade a rudo necessrio que se
aumente o nvel de potncia do sinal. Entretanto, o quanto o nvel do sinal deve ser
aumentado para que se obtenha determinada qualidade (ou seja, uma taxa de erro
de bit aceitvel) em um sistema digital depende da tcnica de modulaoempregada. A eficincia de potncia (tambm chamada eficincia de energia)
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
45/75
uma medida do quo bom o compromisso entre qualidade e potncia do sinal, e
frequentemente expressa como a razo entre a energia por bit e a densidade
espectral de rudo (Eb / N0) necessria na entrada do receptor para que se obtenha
uma dada probabilidade de erro mxima. [1]
Eficincia de uso da banda refere-se capacidade do esquema de modulao de
acomodar dados (bits) em uma banda limitada. De maneira geral, quando
aumenta-se a taxa de transmisso, a largura de pulsos diminui, aumentando a
faixa de freqncias ocupada pelo sinal. Dessa forma, h uma relao intrnseca
entre taxa de transmisso de dados e banda ocupada. A eficincia de uso da banda
definida como a razo bits por segundo por hertz, ou seja, taxa de transmisso
por banda. Chamando de R a taxa de transmisso em bits por segundo, e de B a
banda ocupada pelo sinal de RF modulado, a eficincia de uso da banda dada por:[1]
(2-29)
A capacidade do sistema grandemente influenciada pela eficincia de uso da
banda, uma vez que um valor mais elevado de B significa que mais dados podero
ser transmitidos em um mesmo espectro alocado. Porm, h um limite para o
aumento da eficincia de uso da banda. O Teorema de Shannon mostra que, para
uma determinada probabilidade de erro muito pequena, a mxima eficincia de uso
da banda possvel est limitada pelo rudo do canal, e dada pela frmula : [1]
(2-30)
onde :
C - capacidade mxima do canal, em bits por segundo
B - banda de RF
S / N - relao sinal-rudo.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
46/75
Ou seja, dado um valor mximo de S/N que pode ser obtido na comunicao, h
um limite para a mxima taxa de transmisso, C, atravs de uma banda limitada,
B.
Modulaes binrias, como FSK (frequency shift keying) e PSK (phase shift keying),so relativamente robustas e de implementao simples, mas so ineficientes em
termos de uso da banda. Nesse sentido, modulaes multinvel so preferidas,
apesar de seu desempenho inferior no que diz respeito taxa de erro de bit. Como
exemplo, considere-se uma taxa de B kbits/s atravs de um canal. Se agora
unirmos os bits em pares 00, 01, 10 e 11, e a eles denominarmos de smbolo 0, 1,
2 e 3, respectivamente, a taxa de smbolos ser dividida por um fator 2 (antes
smbolos eram bits, agora so pares de bits), com uma correspondente diminuio,
pelo mesmo fator, da banda ocupada. Por outro lado, se nada for feito, a BER ser
degradada, pois agora existem mais nveis a serem distinguidos na recepo (e
mais prximos uns aos outros), aumentando a probabilidade de erro. [5]
A partir do que foi exposto no pargrafo anterior, pode-se entender o compromisso
frequente que se faz entre eficincia de potncia e eficincia de uso da banda.
Exemplificando, ao se acrescentar cdigos de deteo e/ou correo de erros,
aumentada a banda ocupada (reduzindo a eficincia de uso da banda); porm, o
nvel de sinal requerido na recepo, para uma mesma taxa de erro, diminudo
(pois agora tem-se os cdigos, que tornam a comunicao mais robusta). Ento, foi
trocada eficincia de uso da banda por eficincia de potncia. Por outro lado,
esquemas de modulao multinvel diminuem a banda ocupada, mas aumentam o
nvel de recepo necessrio (para manter uma mesma taxa de erro de bit). Dessa
forma, trocada eficincia de potncia por eficincia de uso da banda. [1]
Uma observao a ser feita que, embora a taxa de erro de bit d uma boa
informao a respeito do desempenho de determinado esquema de modulao, ela
no d informao a respeito do tipo de erro, por exemplo erros em rajada. Emcomunicaes mveis, esse um fator importante, pois os desvanecimentos
acentuados podem gerar perda completa do sinal. Uma outra forma de se medir o
desempenho do esquema de modulao quanto a erros atravs da probabilidade
de falha (outage), onde uma falha dada por uma determinada quantidade de bits
errados em uma transmisso. [1]
Para uma ampla penetrao de sistemas celulares, a complexidade e, portanto, o
custo dos terminais devem ser minimizados. Para tanto, um esquema que seja de
simples deteo o mais atraente. O desempenho do esquema de modulao em
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
47/75
condies de desvanecimento rpido e de disperso temporal por multipercursos
outro fator importante. E, por fim, em sistemas celulares, onde interferncia um
tpico fundamental, o desempenho da tcnica de modulao sob esse aspecto de
extrema importncia. [1]
2.1.1.1. Tcnicas de modulao digital
Quando se transmite um feixe digital, o sinal original convertido em uma forma
analgica A(t) cos (wt + ). As caractersticas desse sinal so amplitude, freqncia
e fase; dessa forma, pode-se alterar qualquer uma dessas trs caractersticas para
se formular um esquema de modulao (como nas modulaes analgicas). As trs
formas bsicas de modulao usadas na transmisso de sinais digitais so :
- Chaveamento de amplitude (amplitude shift keying) ASK;- Chaveamento de freqncia (frequency shift keying) FSK;- Chaveamento de fase (phase shift keying) PSK.
Se w e permanecem inalterados, tem-se ASK. Quando A(t) e no so
modificados, tem-se o FSK binrio, ou M-rio. Finalmente, quando A(t) e w no so
alterados, obtido o PSK binrio, ou M-rio. H ainda os esquemas hbridos, onde
duas caractersticas so alteradas a cada novo smbolo. O mtodo hbrido mais
comum obtido fixando-se w e fazendo variar A(t) e . O esquema assim produzido conhecido por Modulao de Amplitude em Quadratura (Quadrature Amplitude
Modulation) QAM. Cada um dos esquemas de modulao obtidos resultam em
diferentes mecanismos de transmisso e recepo (mais ou menos sofisticados),
diferentes larguras de banda ocupada e diferentes taxas de erro. [8]
2.1.1.1.1. ASK
Na tcnica ASK, a modulao ocorre atravs de mudanas na amplitude da
portadora. transmitido um de dois sinais: s0(t) = 0, para o binrio 0 e s1(t) =A cos (w0t), para o binrio 1.
possvel agrupar-se bits em smbolos, de forma a se obter esquemas ASK M-
rios, porm esses esquemas no so muito usados pelo fato de outros esquemas
apresentarem melhor desempenho quanto taxa de erros. [8] As altas variaes de
amplitude devido a desvanecimentos rpidos presentes nas comunicaes mveis,
fazem com que esse tipo de esquema no tenha utilidade prtica [9].
2.1.1.1.2. PSK
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
48/75
Esse esquema baseia-se na alterao da fase da portadora, de acordo com a
informao a ser transmitida.
O esquema de modulao PSK oferece boa flexibilidade em termos de compromisso
entre banda necessria e taxa de erro, gerando assim uma grande variedade deesquemas de modulao com base no PSK original.
No PSK binrio, a representao dos bits se d da seguinte forma: s 0(t) = A cos
(wt), para o bit 0 e s1(t) = A cos (wt + ), para o bit 1. Em um esquema de
modulao PSK M-rio, so necessrias M diferentes fases, sendo que a cada log2M
bits gerado um smbolo, transmitido atravs de um sinal da forma A cos (wt +
j ), j = 1, ..., M. [8]
A seguir so apresentadas algumas tcnicas que se usam do conceito PSK.
BPSK
Esse o esquema PSK binrio j citado. Apresenta o mesmo desempenho quanto
taxa de erros obtido pelo esquema ASK. Isso pode ser explicado pelo fato de que,
representando-se os sinais BPSK da seguinte maneira: s0(t) = A cos (wt) e s1(t)
= -A cos (wt) , nota-se que o BPSK constitudo de sinais ASK com amplitudeA e
A.[8]
QPSK
Esquema PSK em quadratura. criado atravs da definio de quatro sinais,
defasados de 900. Cada uma das quatro fases possveis representa dois bits de
informao (22 = 4), ou seja, h dois bits por smbolo. A representao geral de um
conjunto de sinais com modulao QPSK da forma : [5]
si (t) = A cos [ wt + (i-1)/2 +] (2-31)
onde :
i = 1, 2, 3, 4
l - fase inicial.
So gerados, dessa forma, sinais com fases , +/2, + e +3/2.
Definindo i como sendo a fase instantnea :
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
49/75
(2-32)
Assim,
si (t) = A cos (wt +i) (2-33)
e expandindo o cosseno da equao, tem-se
si (t) = Ii A cos (wt) Qi A sen(wt) (2-34)
onde :
(2-35)
O sinal pode ser visto ento como duas portadoras em quadratura, com amplitudes
A cos i e A sen i . [5]
A probabilidade de erro no esquema QPSK a mesma do esquema BPSK. Ento, secomparado ao BPSK, o QPSK prov o dobro de eficincia de uso da banda (insere
dois bits em um smbolo) e a mesma eficincia de energia (mesma probabilidade de
erro). [5]
Esquemas QPSK melhoram a eficincia de uso da banda, porm, requerem deteo
coerente (recuperao de informao de freqncia e fase da portadora [1]). Em
ambientes sujeitos a desvanecimentos multipercurso (tpico dos ambientes de
comunicao celular), o uso de demodulao coerente resulta, em geral, em um
pobre desempenho se comparado a demodulao no-coerente. [8]
Atravs da simples rotao da constelao, pode-se obter diferentes conjuntos de
sinais QPSK.
OQPSK
Tcnica QPSK com offset. Essa tcnica surge devido necessidade de que os sinais
QPSK sejam amplificados apenas por amplificadores lineares, caso contrrio h a
gerao de lobos laterais, levando ao alargamento do espectro ocupado. Porm,
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
50/75
amplificadores lineares so menos eficientes. Da o surgimento da tcnica OQPSK,
que menos susceptvel aos efeitos de alargamento espectral, permitindo
amplificao mais eficiente, atravs de amplificadores no-lineares. [1]
O offsetvem do fato de que, diferentemente do QPSK, onde os bits dos feixes quesero modulados em fase e em quadratura possuem transio no mesmo instante
de tempo, no OQPSK os bits relativos ao feixe em quadratura sofrem um
deslocamento no tempo em relao aos bits do feixe em fase, de meio perodo
(metade da durao de um smbolo). [1]
No esquema OQPSK o sinal ocupa a mesma banda ocupada no esquema QPSK,
possuindo, inclusive, o mesmo espectro. A vantagem que o esquema OQPSK
mantm sua natureza de limitao em banda mesmo aps amplificao no-linear,
sendo muito atraente para comunicaes mveis, onde limitaes de banda e uso
de amplificadores no-lineares eficientes, para o baixo consumo de energia, so
crticos. [1]
p/4 QPSK
Esse esquema apresenta a mesma caracterstica de preservar o envelope constante
apresentada pelo QPSK, porm o faz de forma melhorada. Uma qualidade muito
importante desse esquema que seus sinais podem ser detectados de forma no-coerente, simplificando o projeto do receptor. Alm disso, observa-se que na
presena de espalhamento temporal e desvanecimento por multipercurso, o /4
QPSK tem melhor desempenho que o OQPSK. [1]
Nesse esquema, os pontos que representam smbolos, so escolhidos de duas
constelaes QPSK deslocadas de /4 entre si. Atravs de um esquema de
alternncia na escolha das constelaes, o receptor realiza recuperao de relgio e
sincronizao. Pela forma particular como feita a modulao nesse esquema, a
informao est completamente contida na diferena de fase entre dois smbolos
adjacentes. Devido a essa caracterstica, possvel que se realize deteo
diferencial mesmo que no se use codificao diferencial na modulao. Em canais
com baixa taxa de transmisso e sujeitos a desvanecimentos rpidos, a deteo
diferencial prov patamares de erro mais baixos. comum o uso desse esquema na
sua forma diferencial (/4 DQPSK), para facilitar a implementao de deteo
diferencial. [1]
DPSK
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
51/75
um esquema PSK no-coerente, ou seja, evita a necessidade de informao
coerente de portadora na recepo. Possui a vantagem de que receptores no-
coerentes so mais baratos e simples sendo, portanto, amplamente usados em
comunicaes mveis. Porm, o esquema DPSK possui a desvantagem de que sua
eficincia de potncia cerca de 3 dB abaixo da eficincia do PSK [1], ou seja, parauma mesma taxa de erro, necessita de nvel 3 dB acima do PSK no-diferencial.
lDQPSK
Na modulao DQPSK os smbolos so transmitidos atravs de variaes na fase
(caracterstica dos esquemas PSK diferenciais) e no atravs de valores absolutos
de fase. Pode ser vista como uma verso no-coerente do QPSK que, conforme
dito, necessita de demodulao coerente.
Para a compreenso do esquema DQPSK, primeiro ser explicado o
funcionamento do BPSK diferencial, DBPSK. Nesse esquema, de maneira geral, um
bit 0 enviado atravs do deslocamento da fase de (por exemplo, 0) radianos.
Para o envio do bit 1, a fase deslocada de + (seguindo o mesmo exemplo,
) radianos. Em um esquema DQPSK, os deslocamentos de fase relativos so ,
+ /2, + e + 3/2, onde usualmente 0 ou /4. [5]
As tcnicas baseadas em PSK descritas tm a caracterstica de requererem alta
linearidade na modulao e amplificao do sinal de RF antes da transmisso (so
tambm conhecidas por tcnicas de modulao linear). Tm a vantagem de
apresentar maior eficincia de uso da banda se comparadas s tcnicas descritas a
seguir. [9]
Os esquemas que sero agora apresentados, conhecidos por tcnicas de modulao
de fase contnua, evitam a necessidade de linearidade de amplificao, permitindo
o uso de amplificadores mais eficientes.[1],[9]
O sinal modulado ocupa uma faixaestreita (a irradiao fora da banda da ordem de 70 dB a 60 dB [1] ) embora,
por outro lado, essas tcnicas apresentem menor eficincia de uso da banda. [9] Se
eficincia de banda mas importante que eficincia de potncia, esses esquemas
de modulao no so indicados. [1]
2.1.1.1.3. BFSK
Nesse esquema de modulao, a freqncia do sinal transmitido alterada
conforme o sinal modulante da seguinte maneira: s0(t) = A cos (w + w)t, para obit 0 e s1(t) = A cos (w - w)t, para o bit 1.
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
52/75
O esquema BFSK tem o mesmo desempenho que o ASK em termos de E b / N0 . A
probabilidade de erro de bit em ambos os esquemas de modulao dependente
apenas da relao Eb / N0, de forma que o BFSK tem, ento, o mesmo desempenho
que o ASK quanto probabilidade de erro de bit. Permite deteo no-coerente. [8]
2.1.1.1.4. MSK e GMSK
MSK (Minimum shift keying) e GMSK (Gaussian Minimum shift keying) so dois
casos especiais da tcnica FSK, nos quais a informao de fase do sinal recebido
explorada de tal forma que h um aumento considervel no desempenho quanto a
rudo. Em ambos os casos, cada smbolo identificado por uma freqncia de
portadora. [5]
MSK
MSK uma tcnica FSK com ndice de modulao 0,5. O ndice de modulao FSK
tem definio semelhante do ndice de modulao de FM: kFSK = (2f) / Rb , onde
f o desvio mximo de freqncia e Rb a taxa de bit. [1]
A Figura 2-17 [1] mostra que o espectro MSK tem lobos laterais mais baixos que o
QPSK e o OQPSK. No QPSK e no OQPSK, 99% da energia est contida em umafaixa de freqncias cerca de sete vezes maior que a ocupada pelo MSK (para a
mesma percentagem), ou seja, o MSK possui maior eficincia na ocupao do
espectro (espectro mais estreito). A figura tambm mostra que o lobo principal do
MSK mais largo que o dos outros dois esquemas e, portanto, se comparados em
termos de banda at primeiro nulo, o MSK menos eficiente que as tcnicas PSK.[1]
Sinais MSK podem ser amplificados usando-se amplificadores no-lineares de alta
eficincia. Uma outra vantagem reside no fato de que o MSK tem circuitos simples
de sincronizao e demodulao. Quanto probabilidade de erro, a tcnica MSK
tem desempenho igual tcnica QPSK. [5]
7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular
53/75
Figura 2-17 - Espectro MSK, QPSK e