Apostila de Telefonia Celular

7/30/2019 Apostila de Telefonia Celular

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Apostilade

Telefonia

Celular


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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


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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


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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


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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


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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


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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.


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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.


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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.


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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.


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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


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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


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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.


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a - geometria triangular b - geometria quadrada

c - geometria hexagonal

Figura 2-6 - Sistemas de coordenadas dos padres regulares


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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 :


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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]:


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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 :


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(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.


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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


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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].


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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


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


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.


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]


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


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


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


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]


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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)


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


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


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)


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.


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).


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).


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


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


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.


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.


40/75

2.2.1. Sistemas Analgicos

A tcnica de modulao utilizada nos canais de voz o FM.


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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


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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


43/75

com um nvel acima de um nvel mnimo (limiar) de recepo, determinado pela

qualidade desejada.


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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)


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.


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


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


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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 :


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,


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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


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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.


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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]


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Figura 2-17 - Espectro MSK, QPSK e

Apostila de Telefonia Celular

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