Tema N°1_UBA_2014
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Ing. Panessi, Juan Marcelo
Especialización en ingeniería en Telecomunicaciones
EGRIET
Redes Inalámbricas Estructuras Celulares
10 de Junio de 2014
Tema N° 1
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 2
Tabla de contenidos de la materia y fechas importantes
Temas de desarrollar
Fecha Clase Tema Descripción
martes, 10 de junio de 2014 1 1 Introducción conceptos básicos
martes, 17 de junio de 2014 2 2 1G y comienzo de 2G
martes, 24 de junio de 2014 3 2 2G continuación
martes, 01 de julio de 2014 4 3 2G continuación y mediciones
martes, 08 de julio de 2014 5 4 3G
jueves, 10 de julio de 2014 6 4 3G continuación, 3.5G y 3.75G
martes, 15 de julio de 2014 7 5 4G
jueves, 17 de julio de 2014 8 5 4G continuación, Comienzo de Planificación
martes, 22 de julio de 2014 Receso - -
martes, 29 de julio de 2014 9 6 Planificación continuación
miércoles, 06 de agosto de 2014 10 Parcial 1er instancia
miércoles, 20 de agosto de 2014 - Recuperatorio 2da instancia
Presentación de la materia
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 3
Metodología de evaluación de la materia
– Asistencia: no considerada, pero altamente recomendada.
– Trabajos prácticos: No.
– Examen escrito (clases > 400 slides), con dos oportunidades para aprobar
• Parcial, primera oportunidad
– 06 de Agosto
– Condición de aprobación: Ej. 50% de cada ejercicio bien realizado
• Recuperatorio, segunda oportunidad de aprobar el modulo
– 20 de Agosto
– Condición de aprobación: <x> ítems de cada ejercicio bien realizado
– Examen oral o coloquio: No.
Presentación de la materia Requisitos de aprobación
Contenido Tema N° 01
Reseña histórica sobre el origen de la telefonía celular.
Telefonía celular hoy, estadísticas globales.
Evolución del mercado en Argentina.
Conceptos básicos de la telefónica celular,
-Reuso de frecuencia.
-Control de potencia.
-Handover.
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 5
1820 Christian Oersted descubre que campos magnéticos son generados por corriente eléctrica al atravesar un conductor.
Reseña histórica Origen de la telefonía celular
1831 Michael Faraday descubre la inducción electromagnética.
1830 Joseph Henry realiza la primer transmisión de señal eléctrica con fines prácticos.
[Antecesor del telégrafo]
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 6
1837 Samuel Morse inventa el telégrafo con fines prácticos (1843 lo patenta).
Reseña histórica Origen de la telefonía celular
El 18 de Octubre de 1842 Morse hace un tendido de cables entre la isla Governor y Castle Garden en New York (aproximadamente 2 Km).
– Primer transmisión inalámbrica, hecha sobre agua.
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 7
1864 James Maxwell, escribe el paper “Teoría dinámica de los campos electromagnéticos”.
Reseña histórica Origen de la telefonía celular
1876 Grahan Bell, patenta el teléfono.
Antonio Meucci
inventor del
teléfono? (2002)
1888 Heinrich R. Hertz, demuestra la existencia de las ondas electromagnéticas.
– Pone en marcha la telegrafía sin hilos.
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 8
Reseña histórica Origen de la telefonía celular
1897 Guglielmo Marconi, establece el primer sistema de radio practico y exitoso.
1893 Nicolai Tesla, origen de las transmisiones inalámbricas.
Patente N° 7.777
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 9
Reseña histórica Origen de la telefonía celular
1921 Policía de Detroit, primer sistema de despacho a autos, similar al paging actual.
– 1929 la policía ya utilizaba un sistema full duplex, se realizo la emisión de 22598 mensajes, en base a estos se realizaron 1325 arrestos con un tiempo medio de respuesta de 1 minuto 42 segundos.
1934 se crea la FCC (Comision Federal de Comunicaciones).
1945 EK. Jett insinúa un esquema de red celular “small zone system”.
1946 San Luis, Missouri, AT&T y Southwestern introducen el primer sistema de radio telefonía.
1947 DH. Ring articula el concepto para la telefonía celular.
1964 se crea el MTS (Sistema de telefonía móvil), la conmutación de canales era automática. [0G]
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 10
1971 gran demanda de telefonía móvil, sistema saturado, se comienza a delinear los principios para la implementación de la radio celular.
Reseña histórica Origen de la telefonía celular
1973 Martin Cooper considerado padre de la telefonía celular, realiza la primer llamada.
1979, NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) primer red comercial de telefonía celular, Tokio 23 RBS y 20 MM habitantes.
1981, NMT (Nordic Mobile Telephone) países Nórdicos, primer sistema celular de Europa con roaming internacional.
1983, AMPS (Advance Mobile Phone Service) comienza a operar en Estados Unidos.
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 11
’80 Incompatibilidad entre sistemas analógicos Europeos. Se comienza a para diseñar un solo estándar Europeo digital, con funcionalidades avanzadas y fácil de hacer roaming, GSM (Groupe Special Mobile)
1982, 26 compañías comienzan a desarrollar GSM (Global System for Mobile Communications), triunfo de la unidad Europea.
1989 ETSI (European Telecommunication Standard Institute) toma la responsabilidad sobre el desarrollo de GSM. [1991 primer red, Finlandia]
1994 Qualcomm propone un sistema celular basado en spread spectrum, CDMA.
1998 el IMT-2000 propone al sucesor de GSM, UMTS. [2001 primer red, Japón]
2004 se busca el nuevo eslabón en la cadena evolutiva de 3G, aparece LTE.
2009 Dic, primer red comercial de 4G LTE. [Noruega y Suecia]
2013 Mayo, Samsung anuncia pruebas de laboratorio en 5G…
Reseña histórica Origen de la telefonía celular
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 12
Telefonía celular hoy Estadísticas
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 13
Telefonía celular hoy Estadísticas
Proyección de usuarios móviles
9.3 Millardos de subscriptores, 60% smartphones
65% población mundial cubierta con LTE
Tráfico x10 (video +55% por año)
2019
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 14
Telefonía celular hoy Estadísticas
Tráfico
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 15
Telefonía celular hoy Estadísticas
Mercado Argentino
Lín
eas
tele
fonía
celu
lar
Penetr
ací
on s
erv
icio
móvil
Lín
eas
tele
fonía
celu
lar
Penetr
ací
on s
erv
icio
móvil
Líneas en uso
0
10,000,000
20,000,000
30,000,000
40,000,000
50,000,000
60,000,00019
90
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
140%
160%
0
5,000,000
10,000,000
15,000,000
20,000,000
25,000,000
30,000,000
35,000,000
40,000,000
2006 2007 2008 2009 2010 2011
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
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Telefonía celular hoy Estadísticas
Mark
et
Share
- L
íneas
Mark
et
Share
- $
MM
0
5,000,000
10,000,000
15,000,000
20,000,000
25,000,000
2007 2008 2009 2010 2011
Claro Personal Movistar Nextel
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
2007 2008 2009 2010 2011
Claro Personal Movistar Nextel
35%
33%
30%
2%
Claro Personal Movistar Nextel
32%
32%
29%
7%
Personal Movistar Claro Nextel
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1985 La SeCOM (Secretaria de Comunicaciones) opta por AMPS.
1989 Privatización de la Empresa Nacional de Telecomunicaciones (ENTel)
– Movicom en AMBA, 9 RBS en banda B (880 a 890 Mhz, DL).
1990 Se crea la Comisión Nacional de Telecomunicaciones (CNT).
– STET y France Telecom en el Norte (Telecom), y Telefónica de Argentina en el Sur.
1993 Se ofrece usufructo de banda A a empresas de telefonía fija
– AMBA, Miniphone (Telecom + Telefónica) oligopolio.
1994 Separación del país en tres zonas
– CTI (Grupo Clarín) interior, Miniphone AMBA.
1996 Unifon (Telefónica) en zona III y Personal (Telecom) en zona I.
1998 Nextel.
1999 Se licita PCS.
2003 América Móvil compra CTI, comienza despliegue GSM.
Evolución en Argentina Telefonía celular
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 18
2004 Se anuncia la compra de Movicom por parte de Telefónica, se dispara GSM.
2005 Aparece Movistar.
2006 Movistar cede espectro.
2007 (Junio) Movistar implementa UMTS en AMBA.
2010 Movistar realiza pruebas de laboratorio y campo sobre de la tecnología LTE (AWS 4G), luego Personal también hace lo suyo.
2012 (Diciembre) Decreto 2426/12, subasta de espectro se suspende y se asigna a ARSAT S.A.
– Se anuncia la creación de Libre.ar, “futuro” operador móvil estatal.
2014 (Mayo) Decreto 671/14, se deja sin efecto hito anterior. Se anuncia nueva subasta de espectro para LTE y el que tenía ARSAT S.A. (+13 años sin regulación)
Evolución en Argentina Telefonía celular
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Reuso de frecuencia
D
Donde
F1
F1
R
D Distancia de reuso --
R Radio de celda --
d
d Distancia entre celdas --
J o J/3J Factor de reuso --
Conceptos básicos
Esquema, situación no real.
– Cluster,
• Conjunto de celdas que no reutilizan frecuencias entre si.
• Conjunto de frecuencias diferentes utilizadas en un grupo de celdas.
Telefonía celular
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– Coordenadas oblicuas, punto (i,j)
3 Rd
2222 )( djijiD
21
22 3)( jijiR
D
– Distancia de reuso discretas, dependen de la geometría de la red.
# Ejemplo con i = 1 y j = 1
393)1111( 21
21
22 R
D
Telefonía celular Conceptos básicos
R
d
D
D
i
j
i
j
jijiD cos2222
120°
Teorema Coseno
F1
F1
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Telefonía celular Conceptos básicos
2
33 2RSc
ca SJS
2
3
1
R
DJ
jijiJ 22Condición geométrica
Sa Área de agrupación
Sc Área de celda
JJ 3/Factor de reuso
o tamaño de cluster
Ec.4
Ec.5
Ec.6
Ec.7
Ec.8
Ec.9
De la Ec. 3 y la Ec. 7 se deduce,
D
3
DRa
2
3
2
33 22DR
S aa
RJD 3Cluster A Cluster B
JfR
D
Al aumentar J, aumenta D
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Conceptos básicos
– Elección de J
• relación de compromiso entre eficiencia espectral (capacidad) y calidad,
i j J
1 0 1
1 1 3
2 0 4
2 1 7
3 0 9
2 2 12 Redes analógicas,
AMPS, TDMA
Redes 2G, GSM
Redes 2G y 3G, CDMA, WCDMA
– Posibles valores del factor de reuso, aplicación:
J Distancia de reuso Interferencia Frecuencias Eficiencia espectral
Telefonía celular
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Conceptos básicos
Reuso 7
Reuso 4/12
No adyacencias!!
[Reuso 7] (2,1) J = 7 D/R = 4,6
1
2
3
4
D/R
Telefonía celular
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rkI
RkC
m
mr
R
I
C
Celdas omnis
)()(2
1
RDDRD
R
I
C
)1()1(
1
2
1
qqqI
C
Celdas direccionales
)7.0(
1
qqI
CR Distancia a servidora --
r Distancia a la interfer. --
Donde
Conceptos básicos
C
I1
I2
I3
I4
I5
Ic
R
Dq
Telefonía celular
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– Relación de protección
dBRI
Cp
recomendado 12 dB
GSM 05.05 Rp = 9 dB
– Ejercicio: comprobar que la tecnología GSM soporta un reuso 4/12.
Consideraciones
• (2,0) J = 4
• Alfa = 3,84
• Rp = 12 dB
46,3123)( 21
22 jijiR
Dq
dB
I
C7,10
146,346,3146,3
1
2
184,384,384,3
Patrón 4 teórico
10,7 – 9 = 1,7 dB de Margen (omni)
Conceptos básicos
Telefonía celular
19 – 9 = 10 dB de Margen (sectorial)
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Control de potencia
– Objetivo: disminuir interferencia.
Handover, Handoff, Traspaso
– Objetivo: mantener buena calidad en la llamada y continuidad de la misma, manteniendo la conexión con el máximo nivel de señal posible. Otro, es controlar el área de cobertura de una celda para evitar o minimizar interferencias.
Telefonía celular Conceptos básicos
r
rA
B
TU3
Amos E. Joel, Jr Bells Labs 1972
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Telefonía celular Conceptos básicos
r
BSC
MSC
MS, mediciones
de nivel de señal
y calidad DL. Nivel de señal
desde las celdas
vecinas
RBS, mediciones
de nivel de señal
y calidad UL
Evaluación y
decisión sobre
el hand over
Umbral HO
HO histéresis
SSs SSn Nivel de señal - SS
• Condiciones de disparo
− RxLev < Umbral
− RxQual > Umbral
− TA > Umbral
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 28
Erlang
– Unidad adimensional utilizada como medida estadística del volumen de tráfico.
– Ecuación de Erlang B: la probabilidad de que una llamada no sea cursada por la red debido a que todos lo recursos disponibles se encuentran ocupados
A.K. Erlang 1878-1929
s
k
k
s
b
ka
sa
asP
0!
!),(
Donde
Pb(s,a) Probabilidad de bloqueo --
s Numero de canales --
a tráfico ofrecido Erl.
Sucesos con perdidas, no hay proceso de encolamiento.
Intentos de llamados, Poisson.
Duración de llamadas, Exponencial negativa.
S >> a, S infinito
Población infinita (usuarios)
1 Erlang
– 1 recurso utilizado en forma continua durante T
– 2 recursos utilizados al 50% durante T
– 4 recursos utilizados al 25% durante T
Donde T suele considerarse igual a 1 hora.
Conceptos básicos
Telefonía celular
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 29
Cálculos con Erlangs
– Eficiencia de trunking
Canales Probabilidad de Bloqueo
0.50% 1% 2% 5%
1 0.01 0.01 0.02 0.05
2 0.11 0.15 0.22 0.38
3 0.35 0.46 0.60 0.90
4 0.70 0.87 1.09 1.52
5 1.13 1.36 1.66 2.22
6 1.62 1.91 2.28 2.96
7 2.16 2.50 2.94 3.74
8 2.73 3.13 3.63 4.54
9 3.33 3.78 4.34 5.37
10 3.96 4.46 5.08 6.22
11 4.61 5.16 5.84 7.08
12 5.28 5.88 6.61 7.95
13 5.96 6.61 7.40 8.83
14 6.66 7.35 8.20 9.73
15 7.38 8.11 9.01 10.63
16 8.10 8.88 9.83 11.54
17 8.83 9.65 10.66 12.46
18 9.58 10.44 11.49 13.39
19 10.33 11.23 12.33 14.31
20 11.09 12.03 13.18 15.25
Pb = 2%
6 ch por sector
Sector A 2.28 Erl
Sector B 2.28 Erl
Sector C 2.28 Erl
Total: 6.82 Erl
Pb = 2%
18 ch por sector
Sector O 11.49 Erl
Total: 11.49 Erl
En una ciudad con una población de 2.000.000, hay tres redes de telefonía celular (A, B y C). La red A tiene 394 celdas con 7 canales cada una, la red B tiene 98 celdas con 14 canales cada una, y la red C tiene 32 celdas con 100 canales cada una.
¿Cuántos usuarios puede manejar cada red con un 2% de probabilidad de bloqueo, si cada usuario realiza un uso medio de 100 minutos mensuales (7,94mE)?
– Ejercicio N°1
Telefonía celular Conceptos básicos
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 30
Ejemplo de reuso de frecuencia y cálculos mediante Erlang B
– Calcular la capacidad ofrecida por una antena con la siguiente configuración
• Radio 10 km
• Pb = 1%
• 40 CHs
Probabilidad de Bloqueo
Canales 1% 2% 5%
35 24.6 26.4 29.7
36 25.5 27.3 30.7
37 26.4 28.3 31.6
38 27.3 29.2 32.6
39 28.1 30.1 33.6
40 29.0 31.0 34.6
41 29.9 31.9 35.6
42 30.8 32.8 36.6
43 31.7 33.8 37.6
44 32.5 34.7 38.6
45 33.4 35.6 39.6
r
tráfico ofrecido = 29 Erl
Superficie cubierta = 314 Km2
Densidad de tráfico = 0,1 E / Km2
Cifra exigua, normalmente 5 a 10 veces mayor
Telefonía celular Conceptos básicos
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Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 31
Si se considera una densidad de tráfico más realista, por ejemplo 1 Erl / Km2,
tráfico a cursar = 1 Erl / Km2 x 314 Km2 = 314 Erl
Erl
Canales 314
35 88.9%
36 88.6%
37 88.3%
38 87.9%
39 87.6%
40 87.3%
41 87.0%
42 86.7%
43 86.4%
44 86.0%
45 85.7%
Probabilidad de Bloqueo
Erl 1% 2% 5%
310 334 324 307
311 335 325 308
312 336 326 309
313 337 327 310
314 338 328 311
315 339 329 312
316 340 330 313
317 341 331 314
318 342 332 315
319 343 333 316
320 344 334 317
La probabilidad de
encontrar un
recurso libre
es muy baja,
la gente no se
podría
comunicar, un
valor típico es
de 2%
Muy superior a los 40
preestablecidos en el problema.
NO posibilidad de
crecimiento en capacidad.
Telefonía celular Conceptos básicos
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 32
– Calcular la capacidad ofrecida por un sistema de antenas de baja altura y potencia
• Radio de celda 1,5 Km
Área de celda = 7,1 Km2
Número de celdas para cubrir 314 km2 = 45
Si el tráfico ofrecido es 314 Erl tráfico por celda = 7,1 Erl
Si fuera posible la reutilización en celdas adyacentes, empleando los 14 mismos canales en las 45 celdas, se prestaría el mismo servicio que la solución primera que exigía 338 canales.
Conceptos básicos
Probabilidad de bloqueo
Telefonía celular
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 33
El efecto de la interferencia1 genera disminución en el
rendimiento espectral, se paso de 14 a 84 canales.
Disminución de un 75% de
canales necesarios
– Empleo de un patrón de reuso 4/12 (caso realista)
Patrón 4/12 teórico, i=2 j=0
– Cluster: conjunto de celdas que emplean
grupos de canales diferentes. 12 Celdas
12 celdas x 7 chs/celda = 84 chs
– Se emplean 12 cluster para alcanzar las 45 RBS necesarias. Por lo tanto, cada
frecuencia será reutilizada 12 veces.
Telefonía celular Conceptos básicos
(1) Método de acceso TDMA+FDMA
Lo aprendido Tema N° 01
Mercado
6.8 mil millones de usuarios móviles en el mundo @ diciembre 2013.
El 90% de los usuario móviles usan tecnologías del 3GPP (GSM,WCDMA,HSPA,LTE).
Reuso de frecuencia,
Concepto básico en la telefonía celular.
Permite aumentar la eficiencia espectral (tráfico cursado/espectro utilizado)
Existe una relación de compromiso entre eficiencia espectral y calidad percibida.
Cada tecnología tiene una relación C/I mínima que limita el menor factor de reuso soportado.
Factor de reuso relacionado con la topología de la red (concepto de cluster) y espectro mínimo.
Erlang
Unidad empleada para medir volumen de tráfico.
Erlang B, permite calcular el grado de servicio de una red según el tráfico cursado y los recursos
disponibles.
Concepto de eficiencia de truncking.
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 35
Final de clase Tema 1
Muchas Gracias
por su atención
Redes Inalámbricas – Estructuras Celulares
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 36
Reuso de frecuencia
– Operador X,
• Celdas ≈ 16
• Espectro disponible: 0.8 MHz 4 canales
• Cantidad de canales promedio por celda: 1
Telefonía celular Conceptos básicos
Cada canal es reusado
4 veces
CH 1 CH 2 CH 3 CH 4
– Ejemplo
CH 1 CH 2
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 37
– Diferencia teórica y practica,
Telefonía celular Conceptos básicos
Teoría: distribución de celdas, honeycomb Teoría: reuso de frecuencias
Practica: distribución de celdas Practica: reuso de frecuencias
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 38
– Operador M, región AMBA, se considera una de las dos bandas:
• Celdas ≈ 1300
• Espectro disponible: 5 MHz, 21 canales
• Cantidad de canales promedio por celda: 1
Telefonía celular Conceptos básicos
Cada canal es reusado, en promedio, 62 veces
100 km
Reusos de canales
EGRIET
Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 39
Telefonía celular Conceptos básicos
Red donde planificar Red con reuso 7 Red con reuso 4
i = 2
j = 1
J = 7
D/R = 4.6
Frecuencias min. = 7
Eficiencia = Trafico/7
i = 2
j = 0
J = 4
D/R = 3.4
Frecuencias min. = 4
Eficiencia = Trafico/4