viernes, 19 de marzo de 2010

2.- Sistemas Celulares

En este apartado, vamos a repasar alguno de los conceptos fundamentales dentro de los sistemas celulares que no solo son propios de GSM, sino que sirven para cualquier sistema de comunicación moderno inalámbrico.


2.1 Introducción a los sistemas celulares

El concepto de sistema celular [1] fue un gran avance en la resolución del problema de la congestión espectral y de la capacidad del usuario. Éste ofrecía una gran capacidad en una localización limitada del espectro sin grandes cambios tecnológicos. La idea de un sistema celular consiste en un sistema basado en varios niveles de celdas: un transmisor de gran potencia (celda grande) con muchos transmisores de baja potencia (celdas pequeñas) (Ver Figura 1), cada una proporcionando cobertura a sólo una pequeña porción del área de servicio. A cada estación base se le asigna una porción del número total de canales disponibles en el sistema completo, y a las estaciones base cercanas se les asignan diferentes grupos de canales de forma que los canales disponibles son asignados en un número relativamente pequeño de estaciones base vecinas. A las estaciones base vecinas se les asigna diferentes grupos de canales de forma que las interferencias entre las estaciones base (y entre los usuarios móviles bajo su control) se reducen. Espaciando sistemáticamente las estaciones base y sus grupos de canales a través de un mercado, los canales disponibles se distribuyen a través de una región y pueden ser reutilizadas tantas veces como sea necesario, siempre que la interferencia entre estaciones con el mismo canal se mantenga por debajo de unos niveles aceptables.
Figura 1.- Ejemplo de un sistema celular
Conforme crece la demanda de servicios, se debe incrementar el numero de estaciones base, proporcionando una capacidad de radio adicional sin incremento del espectro de radio. Este principio es el fundamento de todos los modernos sistemas de comunicaciones inalámbricos, y en particular de GSM.

2.2.- Reutilización de frecuencias

Los sistemas de radio celulares se basan en la colocación inteligente así como de la reutilización de los canales a través de una región de cobertura. Al proceso de diseño de seleccionar y colocar grupos de canales en todas las estaciones base dentro de un sistema, se le llama reutilización de frecuencias o planificación de frecuencias.
Figura 2.- Reutilización de frecuencias
La Figura 2 ilustra el concepto de reutilización de frecuencias, donde las celdas con la misma letra utilizan el mismo grupo de canales. La forma hexagonal de la celda mostrada en la figura es conceptual y es un modelo simple de la cobertura de radio para cada estación base, pero ha sido universalmente adoptado dado que el hexágono permite un análisis fácil y manejable de un sistema celular. La cobertura real de una celda se conoce como huella ("footprint") y se determina de los modelos de campo o de los modelos de predicción de la propagación.
Cuando usamos hexágonos para modelar las áreas de cobertura, los transmisores de las estaciones base pueden estar bien en el centro de las celdas o bien en tres de las esquinas de las seis de las celdas. Normalmente las antenas omni-direcionales se suelen colocar en el centro de las celdas, y las antenas de dirección selectiva se suelen colocar en las esquinas de las celdas.
Para comprender el concepto de reutilización de frecuencia, consideremos un sistema celular que tenga un total de S canales dúplex disponibles para su utilización. Si a cada celda se le colocan un grupo de k canales (k<S), y si los S canales se dividen en N celdas dentro de un grupo único y disjunto de canales donde cada celda tiene el mismo número de canales, el número total de canales de radio disponibles se puede expresar como

A las N celdas que usan un conjunto completo de frecuencias disponibles se les llama cluster. Si un cluster se repite M veces dentro de un sistema, el número total de canales dúplex, C, se puede usar como una medida de la capacidad, y es dado como

En la ecuación anterior, a N se le llama también tamaño del cluster y son valores típicos los de 4, 7 y 12. Si el tamaño del cluster N se reduce mientras que el tamaño de la celda permanece constante, se requerirán más clusters para cubrir un área dada y por tanto se logra una mayor capacidad. Cuanto mayor sea N, mayor va a ser la distancia entre estaciones base con el mismo grupo de canales, menor será su interferencia, pero la capacidad del sistema será menor también. Desde un punto de vista del diseñador, es deseable usar el valor más pequeño de N posible, para maximizar la capacidad dentro de un área de cobertura.

2.3.- Estrategias de Asignación de canales

Para la utilización eficiente del espectro de radio, se requiere un sistema de reutilización de frecuencias que aumente la capacidad y minimice las interferencias. Se han desarrollado una gran variedad de estrategias de asignación de canales para llevar a cabo estos objetivos. Las estrategias de asignación de canales se pueden clasificar en fijas o dinámicas. La elección de la estrategia de asignación de canales va a imponer las características del sistema, particularmente, en cómo se gestionan las llamadas cuando un usuario pasa de una celda a otra (handover).
En una estrategia de asignación de canales fija, a cada celda se le asigna un conjunto predeterminado de canales. Cualquier llamada producida dentro de la celda, sólo puede ser servida por los canales inutilizados dentro de esa celda en particular. Si todos los canales de esa celda están ocupados, la llamada se bloquea y el usuario no recibe servicio. Existen algunas variantes de ésta estrategia. Una de ellas permite que una celda vecina le preste canales si tiene todos sus canales ocupados. El Centro de Conmutación Móvil ("Mobile Switching Center" ó MSC) supervisa que estos mecanismos de presta no interfieran ninguna de las llamadas en progreso de la celda donadora.
En una estrategia de asignación de canales dinámica, los canales no se colocan en diferentes celdas permanentemente. En su lugar, cada vez que se produce un requerimiento de llamada la estación base servidora pide un canal al MSC. Éste entonces coloca un canal en la celda que lo pidió siguiendo un algoritmo que tiene en cuenta diversos factores como son la frecuencia del canal a pasar, su distancia de reutilización, y otras funciones de coste.
Las estrategias de asignación dinámicas aumentan las prestaciones del sistema, pero requieren por parte del MSC una gran cantidad de cómputo en tiempo real.

2.4.- Gestión de la interfaz de radio

Dado que el número de canales de radio es mucho menor que el número total de usuarios potenciales, los canales bidireccionales sólo se asignan si se necesitan. Esta es la principal diferencia con la telefonía estándar, donde cada terminal está continuamente unido a un conmutador haya o no haya llamada en progreso.
En una red móvil como GSM, los canales de radio se asignan dinámicamente. En GSM, así como en otros sistemas de telefonía celular, el usuario que está en espera permanece atento a las posibles llamadas que se puedan producir escuchando un canal específico. Este canal transporta mensajes llamados mensajes de búsqueda ("paging ñmessages"): su función es la de advertir que un usuario móvil está siendo llamado. Este canal es emitido en todas las celdas, y el problema de la red es determinar en qué celdas llamar a un móvil cuando se le necesite.
El establecimiento de cualquier llamada, ya sea el móvil origen o destino de la llamada, requiere medios específicos por los cuales la estación móvil pueda acceder al sistema para obtener un canal. En GSM, este procedimiento de acceso se realiza sobre un canal específico del móvil a la base. Este canal, que envía además de otra información, los mensajes de búsqueda, es conocido en GSM como canal común dado que lleva información hacia y desde el móvil al mismo tiempo. Los canales asignados durante un periodo de tiempo a un móvil se les llaman canales dedicados. Basados en esta distinción se pueden definir dos macro-estados:
modo desocupado ("idle"), en el que el móvil escucha; la estación móvil no tiene ningún canal para sí misma. modo dedicado, en el que se asigna un canal bidireccional a la estación móvil para sus necesidades de comunicación, permitiéndole a éste intercambiar información punto a punto en ambas direcciones.
El procedimiento de acceso es una función particular que permite a la estación móvil alcanzar el modo dedicado desde el "idle".

2.5.- Consecuencias de la movilidad


2.5.1.- Gestión de la localización

La movilidad de los usuarios en un sistema celular es la fuente de mayores diferencias con la telefonía fija, en particular con las llamadas recibidas. Una red puede encaminar una llamada hacia un usuario fijo simplemente sabiendo su dirección de red (p. ej. su número de teléfono), dado que el conmutador local, al cual se conecta directamente la línea del abonado, no cambia. Sin embargo en un sistema celular la celda en la que se debe establecer el contacto con el usuario cambia cuando éste se mueve. Para recibir llamadas, primero se debe localizar al usuario móvil, y después el sistema debe determinar en qué celda está actualmente.
En la práctica se usan tres métodos diferentes para tener este conocimiento. En el primer método, la estación móvil indica cada cambio de celda a la red. Se le llama actualización sistemática de la localización al nivel de celda. Cuando llega una llamada, se necesita enviar un mensaje de búsqueda sólo a la celda donde está el móvil, ya que ésta es conocida. Un segundo método sería enviar un mensaje de página a todas las celdas de la red cuando llega una llamada, evitándonos así la necesidad de que el móvil esté continuamente avisando a la red de su posición. El tercer método es un compromiso entre los dos primeros introduciendo el concepto de área de localización. Un área de localización es un grupo de celdas, cada una de ellas pertenecientes a un área de localización simple. La identidad del área de localización a la que una celda pertenece se les envía a través de un canal de difusión ("broadcast"), permitiendo a las estaciones móviles saber el área de localización en la que están en cada momento. Cuando una estación móvil cambia de celda se pueden dar dos casos: ambas celdas están en la misma área de localización: la estación móvil no envía ninguna información a la red. las celdas pertenecen a diferentes áreas de localización: la estación móvil informa a la red de su cambio de área de localización.
Cuando llega una llamada solamente se necesita enviar un mensaje a aquellas celdas que pertenecen al área de localización que se actualizó la última vez. GSM realiza éste método.

2.5.2.- Handover (función de traspaso)

En el apartado anterior se trataron las consecuencias de la movilidad en el modo idle. En el modo dedicado, y en particular cuando una llamada está en progreso, la movilidad del usuario puede inducir a la necesidad de cambiar de celda servidora, en particular cuando la calidad de la transmisión cae por debajo de un umbral. Con un sistema basado en células grandes, la probabilidad de que ocurra esto es pequeña y la pérdida de una llamada podría ser aceptable. Sin embargo, si queremos lograr grandes capacidades tenemos que reducir el tamaño de la celda, con lo que el mantenimiento de las llamadas es una tarea esencial para evitar un alto grado de insatisfacción en los abonados.
Figura 3.- Gestión del "handover" ("handoff")
Al proceso de la transferencia automática de una comunicación (de voz o datos) en progreso de una celda a otra para evitar los efectos adversos de los movimientos del usuario se le llama "handover" (o "handoff"). Este proceso requiere primero algunos medios para detectar la necesidad de cambiar de celda mientras estamos en el modo dedicado (preparación del handover), y después se requieren los medios para conmutar una comunicación de un canal en una celda dada a otro canal en otra celda, de una forma que no sea apreciable por el usuario (Ver Figura 3).

2.6.- "Roaming" (función de seguimiento)

En los sistemas de telecomunicaciones accedidos a través de un enlace fijo, la elección de qué red proporciona el servicio está hecha desde el principio. Cuando se introduce la movilidad, todo cambia. Diferentes servidores pueden proporcionar servicio a un usuario dado dependiendo de dónde esté. Cuando cooperan diferentes operadores de red, pueden usar esta posibilidad para ofrecer a sus abonados un área de cobertura mucho mayor que cualquiera de ellos pudiera ofrecer por sí mismo. A esto es a lo que se llama "roaming", y es una de las características principales de la red pan-europea GSM.
El roaming se puede proporcionar sólo si se dan una serie de acuerdos administrativos y técnicos. Desde el punto de vista administrativo, se deben resolver entre los diferentes operadores cosas tales como las tarifas, acuerdos de abonados, etc.. La libre circulación de las estaciones móviles también requiere de cuerpos reguladores que convengan el reconocimiento mutuo de los tipos de convenios. Desde el punto de vista técnico, algunas cosas son una consecuencia de problemas administrativos, como las tarifas de la transferencia de llamadas o la información de los abonados entre las redes. Otras se necesitan para poder realizar el "roaming", como son la transferencia de los datos de localización entre redes, o la existencia de una interfaz de acceso común.
Este último punto es probablemente el más importante. Éste hace que el abonado deba tener un accesorio simple del equipo que lo habilite para acceder a las diferentes redes. Para hacer esto posible, se ha especificado una interfaz de radio común de forma que el usuario pueda acceder a todas las redes con la misma estación móvil.

2.7.- Interferencias y Capacidad del Sistema

La interferencia es el principal factor que limita el desarrollo de los sistemas celulares. Las fuentes de interferencias incluyen a otras estaciones móviles dentro de la misma celda, o cualquier sistema no celular que de forma inadvertida introduce energía dentro de la banda de frecuencia del sistema celular. Las interferencias en los canales de voz causan el "cross-talk", consistente en que el abonado escucha interferencias de fondo debidas a una transmisión no deseada. Sobre los canales de control, las interferencias conducen a llamadas perdidas o bloqueadas debido a errores en la señalización digital. Las interferencias son más fuertes en las áreas urbanas, debido al mayor ruido de radio frecuencia y al gran número de estaciones base y móviles. Las interferencias son las responsables de formar un cuello de botella en la capacidad y de la mayoría de las llamadas entrecortadas. Los dos tipos principales de interferencias generadas por sistemas son las interferencias co-canal y las interferencias entre canales adyacentes. Aunque las señales de interferencia se generan frecuentemente dentro del sistema celular, son difíciles de controlar en la práctica (debido a los efectos de propagación aleatoria). Pero las interferencias más difíciles de controlar son las debidas a otros usuarios de fuera de la banda (de otros sistemas celulares, por ejemplo), que llegan sin avisar debido a los productos de intermodulación intermitentes o a sobrecarcas del terminal de otro abonado. En la práctica, los transmisores de portadoras de sistemas celulares de la competencia, son frecuentemente una fuente significativa de interferencias de fuera de banda, dado que la competencia frecuentemente coloca sus estaciones base cerca, para proporcionar una cobertura comparable a sus abonados.

2.7.1.- Interferencia co-canal y Capacidad del Sistema

La reutilización de frecuencias implica que en un área de cobertura dada haya varias celdas que usen el mismo conjunto de frecuencias. Estas celdas son llamadas celdas co-canales, y la interferencia entre las señales de estas celdas se le llama interferencia co-canal. Al contrario que el ruido térmico, que se puede superar incrementando la relación señal ruido ("Signal to Noise Ratio" ó SNR), la interferencia co-canal no se puede combatir simplemente incrementando la potencia de portadora de un transmisor. Esto es debido a que un incremento en la potencia de portadora de transmisión de una celda, incrementa la interferencia hacia las celdas co-canales vecinas. Para reducir la interferencia co-canal las celdas co-canales deben estar físicamente separadas por una distancia mínima que proporcione el suficiente aislamiento debido a las pérdidas en la propagación.
En un sistema celular, cuando el tamaño de cada celda es aproximadamente el mismo, la interferencia co-canal es aproximadamente independiente de la potencia de transmisión y se convierte en una función del radio de la celda (R), y de la distancia al centro de la celda co-canal más próxima (D). Incrementando la relación D/R, se incrementa la separación entre celdas co-canales relativa a la distancia de cobertura. El parámetro Q, llamado factor de reutilización co-canal, está relacionado con el tamaño del cluster N. Para una geometría hexagonal sería

Un valor pequeño de Q proporciona una mayor capacidad dado que el tamaño del cluster N es pequeño, mientras que un valor de Q grande mejora la calidad de la transmisión, debido a que es menor la interferencia co-canal. Se debe llegar a un compromiso entre estos dos objetivos a la hora del diseño.
Tomemos i0 como el número de celdas con interferencia co-canal. Entonces la relación Señal - Interferencia ("Signal to Interference Ratio" ó SIR) de un receptor móvil puede ser expresada como

donde S es la potencia de la señal deseada desde la estación base deseada, e Ii es la potencia de la interferencia causada por la i-ésima estación base en una celda co-canal. Si se conocen los niveles de señal de las celdas co-canales, se puede calcular la SIR usando la fórmula anterior.
Existe una relación entre la S/I y el tamaño del cluster N

en donde el exponente n nos indica las pérdidas producidas por la propagación y suele tomar valores típicos entre 2 y 4 dependiendo del ambiente en el que estemos (4 para áreas urbanas). Según pruebas realizadas experimentalmente, se encuentra que se proporciona una suficiente calidad de voz con una S/I de unos 18 dB, con lo que se obtiene un valor de N de 6.49 asumiendo un exponente de pérdidas de 4, con lo que un valor típico para N sería de 7.

2.7.2.- Interferencia entre canales adyacentes

Entran en este apartado las interferencias procedentes de señales que son adyacentes en frecuencia a la señal deseada. Estas interferencias están producidas por la imperfección de los filtros en los receptores que permiten a las frecuencias cercanas colarse dentro de la banda pasante. El problema puede ser particularmente serio si un usuario de un canal adyacente está transmitiendo en un rango muy próximo al receptor de un abonado, mientras que el receptor está intentando recibir una estación base sobre el canal deseado. A esto se le suele llamar efecto "nearfar", donde un transmisor cercano (que puede ser o no del mismo tipo que el usado en el sistema celular) captura al receptor del abonado. Otra forma de producir el mismo efecto es cuando un móvil cercano a una estación base transmite sobre un canal cercano a otro que está usando un móvil débil. La estación base puede tener dificultad para discriminar al usuario móvil deseado del otro debido a la proximidad entre los canales.
Este tipo de interferencias se pueden minimizar filtrando cuidadosamente, y con una correcta asignación de frecuencias. Dado que cada celda maneja sólo un conjunto del total de canales, los canales a asignar en cada celda no deben estar próximos en frecuencias.

2.7.3.- Control de Potencia para reducir las Interferencias

En los sistemas celulares de radio, los niveles de potencia transmitida por cada unidad de los abonados, están bajo un control constante por las estaciones base servidoras. Esto se hace para asegurar que cada móvil transmite la potencia más baja necesaria. El control de potencia no sólo hace que dure más la batería, sino que también reduce mucho la S/I de canal inverso.

2.8.- División de celdas ("cell-splitting")

Figura 4.- Cell-splitting El "splitting" es el proceso de subdividir una celda congestionada en celdas más pequeñas (ver Figura 4), cada una con su propia estación base y la correspondiente reducción en la altura de la antena y de la potencia de transmisión. El "splitting" incrementa la capacidad de un sistema celular dado que incrementa el número de veces que se reutilizan los canales. Definiendo nuevas celdas que tengan un radio más pequeño que las celdas originales instalando estas pequeñas celdas entre las celdas existentes, se incrementa la capacidad debido al incremento de canales por unidad de área.
Imaginemos que cada celda de la Figura 1 se reduce de forma que el radio de cada celda se hace la mitad. Para cubrir el área entera de servicio con las celdas más pequeñas, se necesitarían aproximadamente cuatro veces más celdas que antes. Esto se puede observar si suponemos una celda circular de radio R. El área cubierta por ese círculo es cuatro veces mayor que el área cubierta por un círculo de radio R/2. El incremento del número de celdas incrementará el número de clusters en la región de cobertura, que a su vez incrementará el número de canales, y por lo tanto la capacidad en el área de cobertura. El "cell-splitting" permite al sistema crecer sustituyendo las celdas grandes por otras más pequeñas, sin modificar el esquema de colocación de canales para mantener una factor de reutilización co-canal mínimo entre celdas co-canales.
En la Figura 5 se muestra un ejemplo de "cellsplitting". En ella, las estaciones base se sitúan en las esquinas de las celdas, y suponemos que el área servida por la estación base A está saturada de tráfico. Por tanto necesitamos nuevas estaciones base en la zona para incrementar el número de canales en el área y para reducir el área servida por cada estación base. Podemos observar en la Figura 5 que la estación base original ha sido rodeada por tres nuevas micro-celdas con sus estaciones base. Las tres celdas más pequeñas se han añadido de forma que se mantenga el plan de reutilización de frecuencias del sistema. En este caso el radio de cada celda es la mitad que el de la celda original.

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