Presentacion propagacion en sistemas celulares

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FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

ASIGNATURA : TELECOMUNICACIONES IVTITULO :PROPAGACIÓN EN SISTEMAS CELULARESINTEGRANTES : • LEÓN HUACAL FRANKLIN ISAI • PETROZZI PUSE RENZO• VAZQUES VELASCO HEYSER• GAMARRA VILCHEZ DANILO• REGALADO CARHUAPOMA JUAN

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FRANKLIN LEON HUACAL

Propagación en sistemas móviles

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Propagación en sistemas móviles

El concepto básico de radio celular es muy sencillo: cada área se divide en celdas (células) hexagonales que encastran juntas para poder formar un patrón de panal.

.

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Por su forma: Se eligió la forma de hexágono porque proporciona la

transmisión más efectiva aproximada a, un patrón circular, mientras elimina espacios presentes entre los círculos adyacentes.

Una célula se define por su tamaño físico y, lo más importante, por el tamaño de su población y patrones de tráfico. El número de células por sistema lo define el proveedor y lo establece de acuerdo a los patrones de tráfico anticipados o del futuro .

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Es importante :

Predecir el comportamiento del canal de propagación es una tarea difícil. El canal de radio no sólo varía de acuerdo a las particularidades del terreno sino también de acuerdo a la velocidad del móvil.

En particular la tasa de desvanecimientos se agudiza al aumentar la velocidad del móvil.

Su comportamiento es sumamente aleatorio, y por ende debe estudiarse estadísticamente.

En general los mecanismos tras la propagación de ondas son la reflexión, la difracción y la dispersión.

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Propagación directa

Es la que más interesa. En ella la onda emitida por la antena emisora alcanza la antena receptora en línea recta y sin desviación alguna

LOGOLos Tres Mecanismos de Propagación Básicos

ReflexiónDifracciónDispersión

LOGOReflexión

Es el cambio en la dirección de propagación de un fenómeno ondulatorio, como las ondas radioelectricas, cuando inciden sobre una superficie reflectante.

por ejemplo, un edificio de gran altura. Este tipo de propagación no es muy deseable, ya que a la antena receptora pueden llegarle, además de la señal directa, varias señales reflejadas procedentes de uno o varios puntos, con lo cual llegan al receptor dos o más señales iguales y desfasadas en el tiempo, puesto que las trayectorias de las reflejadas son más largas, produciendo las conocidas y molestas "imágenes fantasma" o dobles imágenes

Para evitar esto, deben utilizarse antenas receptoras de gran directividad, correctamente situadas con relación al emisor.

LOGODifracción

Es el fenómeno característico de las propiedades ondulatorias de la materia, por lo cual un obstáculo que se opone a la propagación libre de las ondas se presenta como una fuente secundaria que emite ondas derivadas en todas las direcciones. Gracias a este fenómeno las ondas rodean al obstáculo y consiguen salvarlo.

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Dispersión

Ocurre cuando el medio a través de la cual viaja la señal consiste de objetos con dimensiones pequeñas comparadas con la longitud de onda, y donde el número de obstáculos por unidad de volumen es grande (árbustos, postes, señales de tránsito, superficies rugosas, etc).

La interferencia a través del mecanismo de scattering troposférico tendrá un nivel demasiado reducido como para ser considerado significativo.

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Concepto de zona de servicioCobertura:

La cobertura del sistema se refiere a las zonas geográficas en las que se va a prestar el servicio. La tecnología más apropiada es aquella que permita una máxima cobertura con un mínimo de estaciones base, manteniendo los parámetros de calidad exigidos por las necesidades de los usuarios. La tendencia en cuanto a cobertura de la red es permitir al usuario acceso a los servicios en cualquier lugar, ya sea local, regional, nacional e incluso mundial, lo que exige acuerdos de interconexión entre diferentes operadoras para extender el servicio a otras áreas de influencia diferentes a las áreas donde cada red ha sido diseñada.

LOGOCapacidad.

Se refiere a la cantidad de usuarios que se pueden atender simultáneamente. Es un factor de elevada relevancia, pues del adecuado dimensionamiento de la capacidad del sistema, según demanda de servicio, depende la calidad del servicio que se preste al usuario. Esta capacidad se puede incrementar mediante el uso de técnicas tales como la reutilización de frecuencias, la asignación adaptativa de canal, el control de potencia, saltos de frecuencia, algoritmos de codificación, diversidad de antenas en la estación móvil, etc.

LOGOReutilización de frecuencias

Esta es la técnica que permite diferenciar a los sistemas de concentración de canales frente al resto. Se trata de tomar todo el grupo de frecuencias asignado a la red y, dividiendo el grupo en varios subgrupos - celdas - y ordenándolo según una estructura celular - racimo - se pueden construir- grandes redes con las mismas frecuencias sin que estas interfieran entre sí

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Parámetro de calidad Portadora a Interferencia C/I: sistemas analógico y

digital

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Causas de Interferencia

Internas:Se relacionan al propio equipamiento del

sitio como osciladores locales (LO), selectividad de los filtros, etc.

Aspectos internos del diseño del sistema, tales como señales reflejadas de la antena al Tx, espaciamiento de frecuencias Tx/Rx, relación frente/espalda (F/B) si es repetidora, interferencias co-canal y canal adyacente, desde el propio sistema.

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Causas de Interferencia

Externas:Incluyen las causadas por otros sistemas

ya instalados y las provenientes de otros servicios como los satélites.

También las provenientes de un sitio distante que puede formar parte de la misma ruta, este aspecto puede ser controlado por el diseñador del sistema.

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Tipos de Interferencia

C/I Variable: La interferencia es constante pero el nivel de portadora varía debido al desvanecimiento en el trayecto, el cual debe ser independiente del desvanecimiento de la señal interferente, provocando que el C/I varíe con el desvanecimiento, los efectos se ven en el nivel de umbral del receptor (el BER es alto).

C/I Constante:

- Tanto la señal interferente como la portadora son afectadas por la misma cantidad de desvanecimiento, este es el caso en que ambas viajan sobre el mismo trayecto.

- Los niveles absolutos de la señal deseada y la interferente pueden cambiar, pero la relación entre ambas se mantiene igual.

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Efecto en los RX analógicos

La interferencia disminuye la S/N teniendo un efecto directo sobre la calidad.

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Efecto en los RX analógicos

Genera productos de Intermodulación (IMP) que degradan aún más la señal.

Estos productos interfieren con la portadora y sus bandas laterales provocando la interferencia de batido de portadoras.

Cuando las bandas laterales del canal adyacente se baten con las bandas laterales del canal principal, resulta en batido de bandas laterales.

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Ruido en Sistemas Analógicos

La figura muestra el efecto de incremento de ruido debido al ruido térmico e intermodulación.

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Ruido en Sistemas Analógicos

El punto de cruce es el punto de operación deseado.

La mayoría de los sistemas analógicos se diseñan para un margen de desvanecimiento (FM: Fade Margin) usualmente de 40 dB sin importar las condiciones del enlace.

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Efecto en los RX digitales

En condición de no-desvanecimiento, son muy robustos a la interferencia.

Con desvanecimiento los niveles de RX se acercan a los valores del umbral, cuando bajan más debajo de este nivel causan problemas en el proceso de demodulación.

El efecto de la interferencia está en términos de la relación entre la señal deseada (portadora o Carrier) y la no deseada (Interferencia) o C/I.

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RCM -4- 23

GEOMETRÍA CELULAR (I)

u

v

60º

• Forma geométrica más conveniente. Estudio supone TX idénticos Terreno homogéneo Antenas omnidireccionales Esto supone cobertura circular Problema: solape o recubrimiento parcial

• Estructura geométrica de la agrupación Coberturas poligonales Polígonos: triángulo, cuadrado, hexágono

• Análisis de interferencia Hexágono tiene mayor relación área/radio Mínimo número de celdas necesario

• Ubicación de estaciones base Sistema de coordenadas oblicuas u-v. Cada vértice del triángulo es un nodo Las estaciones base se colocan en los nodos

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RCM -4- 24

GEOMETRÍA CELULAR (II)

222

2121212

212

2

2121212

212

212 120cos2

jjiid

vvvvuuuud

vvvvuuuudd

2

222

31

RD

JjjiidD

61

45 3

27

61

45 3

27

61

45 3

27

61

43

27

61

45 3

27

61

45 3

27

61

45 3

2

61

45 3

27

u

v • Parámetros de diseño.Radio del hexágono: R Distancia entre nodos contiguos: d=R*√3 Distancia entre nodos arbitrarios (th.coseno)

Distancia de reutilización

Los números enteros J se llaman rómbicos y definen el rombo co canal que constituye elclúster, agrupación o racimo

222

31

;2

33;

23

RD

SS

JR

SD

Sc

rcr

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RCM -4- 25

GEOMETRÍA CELULAR (III): tamaño del racimo

i j J

1 0 1

1 1 3

2 0 4

2 1 7

2 2 12

3 2 19

4 1 21

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RCM -4- 26

GEOMETRÍA CELULAR: limitación por interferencia

Relación portadora interferente para 6 interferencias cocanal idénticas en una EB

Ejemplo: Rp=17 dB; rp=50.12; n=3.9; J≥6.22 lo que supone que el número rómbico inmediatamente superior J=7.

En el borde de la zona de cobertura se tiene:

Con los datos del ejemplo anterior se obtiene J≥9.43 y viendo la tabla de números rómbicos resulta J=12.

np

n

total

n

totaln

t

nt

rJic

JRD

ic

RDk

Pi

RkP

c2

2

631

631

61

6

21

613

1

6

1

np

n

total

rJR

RD

i

c

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RCM -4- 27

GEOMETRÍA CELULAR: división celular

Los sistemas con pocas celdas se saturan pronto. División celular posterior en mitades

Reducción a la mitad del radio de la celda; división por cuatro de la superficie. Incremento de la capacidad en un factor 4. Exigencia de mayor precisión en las ubicaciones y aumento de carga de señalización Aumento de costes.

Concepto de recubrimiento: añadir células dentro de la zona de cobertura inicial División no es homogénea

Urbano

Rural

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RCM -4- 28

GEOMETRÍA CELULAR: caracterización de las celdas

Tipos de celdas Ubicación antena EB Dimensión celda

Macrocelular Sobre los tejados 1-30km Celdas grandes (urbano) Sobre los tejados 3-30km Celdas pequeñas (urbano) Sobre los tejados 1-3km Microcelular Por debajo o a nivel de tejado 0.1-1km Picocelular Por debajo del tejado o interior 0.01-0.1km

microceldass

macrocelda

LOGODefinición de entornos celulares: pico, micro y macroceldas

Macroceldas

Características:A la estación base se le conoce como BS o BTS

(Base Station o Base Transceiver Station, por sus siglas en inglés) pero según sea la tecnología de la red de la antena, se le conoce también con diferentes nombres: NodeB (NB) en las redes 3G y Evolved NodeB (eNB) en las redes LTE.

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Modelo de consumo de potencia

En las redes de telecomunicaciones móviles, son las radiobases las mayores consumidoras del recurso energético total del sistema.

En transmisiones discontinuas (DTX), la potencia requerida en la entrada puede ser significativamente reducida en aquellas estaciones base que traen incorporados un modo de suspensión (Sleep Mode).

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Aproximación lineal que relaciona la potencia de entrada y salida en una radio base típica.

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En la siguiente figura se muestra una distribución típica del consumo de potencia en una macroestación base. Se puede notar que gran parte de la potencia consumida corresponde al amplificador de potencia de la radiobase debido a la importancia de brindar cobertura adecuada a terminales distantes. Sin embargo, la eficiencia del amplificador de poder es muy pobre, y se degrada aún más ante situaciones de mediana o baja carga. Esta es la razón principal del por qué el consumo de potencia en las redes celulares, es hasta cierto punto, independiente de la carga de tráfico.

Introducir escalabilidad en componentes del hardware y dar soporte mediante una gestión dinámica de potencia, permitiría disminuir los valores en el consumo de energía, logrando mejoras en eficiencia.

Apagar componentes durante períodos de no operación como en las DTX, es otra medida que debe tomarse en cuenta.

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Estos nodos de baja potencia se clasifican en femto y pico nodos, y en despliegues en exteriores, la potencia de transmisión varía entre 250 mW y aproximadamente los 2 W. Mientras que las radio bases tradicionales transmiten a una potencia entre los 5 W y los 40 W, siendo necesario considerar un equipo de aire acondicionado para el amplificador de potencia en el caso de los macronodos.

Típicamente, la COBERTURA de una Microcelda es menos que 2 Km, de una Picocelda es 200 metros y una Femtocelda es del orden de 10 metros.

La mezcla de diferentes tipos de tecnología de radio y el uso de macroceldas junto a nodos de baja potencia, trabajando en conjunto y sin problemas, se conoce como redes heterogéneas o HetNet.

Según Wim Sweldens, responsable de Alcatel-Lucent para actividades Wireless, la femtocelda/microcelda suministra más rápidas y más económicas ganancias de capacidad de red.

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A continuación se presenta una topología de redes heterogéneas utilizando una mezcla de nodos de alta potencia (macronodos) y nodos de baja potencia.

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Heyser Vásquez Velasco

AREA DE COBERTURA Y NIVEL DE POTENCIA

LOGOÁREA DE COBERTURA Y NIVEL

DE POTENCIA

tiene celdas hexagonales varía considerablemente dependiendo del

terreno, la ubicación de la antena, las construcciones que pudieran interferir, puntos de medición y barreras.

Frecuencias bajas, como la de 450 MHz de NMT (en inglés), dan buena cobertura en áreas campestres.

La de 900 Mhz de GSM 900 es una solución apropiada para áreas urbanas pequeñas.

GSM 1800 usa la banda de 1.8 GHz que ya comienza a ser limitada por paredes.

www.downloadpowerpointtemplates.com

http://meta.wikimedia.org/wiki/w:en:NMT

LOGOAgrupamiento o Cluster de

células

También llamado AGRUPACION CELULAR

Grupo de celdas que emplean n canales diferentes.

Cada clúster tiene un conjunto de n canales


LOGODIVISIÓN DE CELDAS

(Cell Spliting)

Es el proceso por medio del cual la celda se divide en celdas más pequeñas.

Se realiza con el fin de tener más canales y poder así soportar el tráfico creciente; al mismo tiempo hay que reducir la altura de la antena de la BS y la potencia de transmisión.

El radio de las nuevas celdas es la mitad del radio original, y la celda original se divide en 4 celdas.

Una ubicada en el centro y seis medias celdas alrededor de aquella.


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LOGOPOTENCIA DE TRANSMISIÓN DESPUES DEL SPLITTING

Si la celda original transmitía con una potencia PTX1, en el borde de la celda la potencia recibida es

Donde α una constante, n es el factor de pérdida con la distancia considerado igual a 4 para ambientes móviles y R1 es el radio en el borde de la celda.

Si el radio de la nueva celda es R1/2, entonces la potencia recibida por el móvil será:


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POTENCIA DE TRANSMISIÓN DESPUES DEL SPLITTING

Independientemente del radio de la celda, los móviles deben seguir recibiendo la misma potencia, así que Igualando ambas ecuaciones podemos calcular la relación entre PTX1 y PTX2:

En general si una celda se ha subdividido N veces, el radio de las nuevas celdas, con relación a la original, es R/2N, y la potencia de transmisión es PTX2(dBm)=PTX1(dBm)- 12n (dB).


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HANDOVER

Handover o Handoff es el proceso que ocurre cuando el móvil, debido a condiciones del canal o de tráfico, migra desde la interface de aire de la BS que le está prestando servicios a otra interface de aire suministrada por otra BS.


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El Handover se produce cuando: La MS se desplaza y debido a desvanecimiento y/o

interferencia debe cambiar de BS para obtener una señal de mejor calidad.

La MS puede obtener una mayor QoS con otra BS

Si durante el proceso de HO se produce una interrupción de la comunicación la MS tiene la opción de reintentar el ranging con la nueva BS.

Si esto también falla puede anular el HO con la BS actual, si está dentro del lapso de los 100 ms, si esto también falla debe iniciar el proceso de registro desde el principio.


LOGOCLASIFICACIÓN DEL

HANDOVER

HANDOVER EN FUNCIÓN DE CÓMO SE LIBERAN LOS RECURSOS:

Handover suave (Soft Handover)

Handover duro (HardHandover) HANDOVER EN FUNCIÓN DE LAS CARACTERISTICAS

DE LA NUEVA BS

– Handover inter frecuencia: Migración a otra celda con frecuencia distinta a la de la BS que le está sirviendo.

– Handover intra frecuencia: Migración a otra celda que tiene la misma frecuencia de la BS que le está sirviendo.

– Handover entre tecnologías de acceso distintas (Handover Vertical)


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MANEJO DE TRÁFICO: PROBABILIDAD DE BLOQUEO

Y CANALES REQUERIDOS


LOGOTRÁFICO EN

TELECOMUNICACIONES

Red es el número de elementos ocupados en un instante dado. Por lo general se considera 1 hora.

Pueden calcularse momentos estadísticos para un periodo de tiempo dado; por ejemplo, la intensidad de tráfico media está relacionada con la intensidad de tráfico instantánea A(t) por la siguiente expresión:

La intensidad de tráfico equivale al producto de la tasa de llegadas por el tiempo medio de ocupación. La unidad de intensidad de tráfico empleada habitualmente es el erlang cuyo símbolo es E.


LOGOTRÁFICO EN

TELECOMUNICACIONES

Erlang: Unidad de intensidad de tráfico, cuyo símbolo es E.

Cuando el tráfico es de un (1) erlang significa que el elemento de red está totalmente ocupado durante el tiempo de medición, normalmente una hora.

A parte del erlang también se usa el CCS (Centi-Call Seconds) como unidad de tráfico.

1 CCS equivale a 100 llamadas-segundos, por lo tanto el tráfico en una línea ocupada totalmente durante una hora es de 36 CCS, por lo tanto:

1erlang =36CCS


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Unidad de Tráfico

Si una línea está ocupada durante una hora entonces cursa un tráfico de 3600 llamadas-segundos que a 36 llamadas de 100 seg de duración cada una, o a cualquier otra combinación que resulte en 3600 llamadas-segundo. Si 100 usuarios solicitan una llamada con una duración promedio de 3 minutos entonces el tráfico es:


LOGOCálculo de Tráfico

1.- La tasa de llegada de sesiones de comunicaciones Q [sesiones/s, sesión/min, sesión/hr]

2.- La duración promedio de cada sesión [s o min] Esto se aplica por igual para llamadas de voz o para

aplicaciones de datos Si Q se expresa en sesión/min y en min, el tráfico

promedio en erlang viene dado por


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Ejemplo:

Si en una red llegan 10 llamadas por mín. y cada una dura en promedio 3 min, entonces el tráfico promedio ofrecido a la red es de 30 erlang.


LOGORepresentación Gráfica del

Tráfico


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Variación del tráfico en el tiempo


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REUSO DE FRECUENCIA Y CELULAS CO-CANALES

Dany Javier Gamarra Vilchez

Agosto 2014 - Lima, Peru

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REUSO DE FRECUENCIA

Básicamente el reusó de frecuencias permiten que un gran numero de usuarios puedan compartir un numero limitado de canales disponibles en la región. Esto se logra asignado el mismo grupo de frecuencias a mas de una célula, la condición para esto se pueda hacer es la distancia entre ellas, de no hacerlo la interferencia seria alta.

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El grupo de células que conjuntamente usan todas las frecuencias disponibles se denomina clúster. El número de células por clúster (N) se denomina factor de reusó, Algunos autores llaman factor de reusó al inverso de N.

K: # de canales.

N: factor de reusó.

K =7

REUSO DE FRECUENCIA

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REUSO DE FRECUENCIA

Para asignar canales a las Diferentes células se emplean dos parámetros: i, j. Desplazamiento de i células Rotación de 60º Desplazamiento de j células

En el ejemplo de la figura i = 3 j = 2

A partir de i, j se obtiene el factor de reusó.

N(i,j) = + +

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REUSO DE FRECUENCIA

En la tabla se muestran algunos factores de reusó factibles, para cada diversas combinaciones de i, j

N(i,j) = + +

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se introduce un sistema de referencia i-j con un ángulo de 60 grados entre los ejes, tal como se muestra en esta figura

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Interferencia co-canales

La interferencia es el factor que en mayor medida limita el rendimiento de los sistemas celulares.

Hay varias fuentes de interferencia, pero la mas relevante es la denominada co-canales.

Es consecuencia del reuso de frecuencias: hay células que trabajan en el mismo conjunto de canales.

No se puede reducir incrementando la potencia de transmisión. Depende de la distancia

de reusó (D) − A la que se encuentran las células interferentes (entre las localizaciones de las estaciones base)

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Calculo de la interferencia co-canal

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Calculo de la interferencia co-canale

En el peor de los casos, la distancia interferente es, aproximadamente, D – R

Asumiendo que todos las BS están en al misma distancia, tendría.

Se trata de una aproximación pesimista, ya que asume el peor de las condiciones para todas las células interferentes: diseño conservador

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JUAN REGALADO

MÉTODOS PARA MEJORAR LA RELACIÓN C/I


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Para definir la calidad de la señal recibida en términos de interferencias se utiliza la relación portadora a interferencia (C/I).

C/I esta influenciado por los siguientes factores:• La ubicación del dispositivo móvil.• La geografía local y el tipo de dispersión.• El tipo de antena, la elevación y posición del sitio.• C/I debe ser lo suficiente grande para tener una comunicación

inteligible.

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Se requieren nuevos mecanismos para mejorar el desempeño celular y la capacidad. Un nuevo mecanismo es el plan de rehúso de frecuencias direccional.

Este mecanismo proporciona una ganancia adicional a la relación portadora/interferencia (C/I).

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Sectorización

• Mejorar la C/I del sistema.• Reducir la interferencia de canal adyacente y la de co-canal.• Uso de antenas direccionales en lugar de omnidireccionales.• Sectores de 60, 120 o 180 grados.

Estas configuraciones son utilizadas en ambientes urbanos densos. La sectorización de 60 grados es realizada dividiendo la célula en seis sectores. La sectorización de 120° se realiza dividiendo la célula en tres sectores

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Sectorización a 120° Hay dos BS interferentes

Sectorización a 60°Sólo hay una BS interferente

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COMPARACIÓN DE C/I: CELDA OMNIDIRECCIONAL Y SECTORIZADA

CELDA OMNIDIRECCIONAL𝐶𝐼=

16(3𝐾 )𝛾 /2=1,5𝐾 2 Para = 4

K: tamaño del cluster

: cte de propagación = 2 en el espacio libre = 2.5 a 3 en ambiente sub-urbano = 4 en ambiente urbano


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CELDA DE 3 SECTORES: Es 3 veces mejor que la celda omnidireccional: +4.8dB

𝐶𝐼=

12(3𝐾 )𝛾 /2=4 ,5𝐾 2 Para = 4




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CELDA DE 6 SECTORES: 6 veces mejor que la celda omnidireccional: +7.8dB.

𝐶𝐼=(3𝐾 )𝛾 /2=9𝐾 2 Para = 4




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992 canales de voz

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RELACIÓN ENTRE C/I Y TAMAÑO DEL CLUSTER

CONCLUSIONES DE LA COMPARACIÓN

• A más celdas por cluster (K mayor), se tiene menos llamadas por hora y mayor C/I.

• Para AMPS (analógico) el C/I mínimo era 16 dB; por tanto, se usaba K = 7. Con K = 12 se perdía capacidad.

• Para GSM, el C/I mínimo es 9 dB, por tanto, se puede usar K = 3 o K = 4.

992 canales de voz

Presentacion propagacion en sistemas celulares

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