Celular Es

1Ivn Bernal, [email protected]

Quito Ecuador

Copyright @2008, I. Bernal

Comunicaciones Celulares

Ivn Bernal, Ph.D.Rev. Abril 08 2

Agenda Generalidades

Procedimientos para llamadas celulares

Reutilizacin de frecuenciasAlgunas caractersticas de AMPS

Handoff

Interferencia

Control de potencia

Tcnicas para incrementar la capacidad

Trunking y GOS

2Ivn Bernal, Ph.D.Rev. Abril 08 3

T.S. Rappaport, Wireless Communications: Principles &Practice, Prentice Hall. First Edition: 1995. Second Edition: 2001.

W. Stallings, "Wireless Communications and Networks", 2ndEdition, Prentice Hall, 2005.

G. Stuber, Principles of Mobile Communication", KluwerAcademic Publishers, 1996.

BibliografaBibliografa


GeneralidadesGeneralidades Un sistema telefnico celular provee a sus usuarios una conexin inalmbrica a

la PSTN, en cualquier ubicacin dentro del rango de cobertura del sistema.Se desea atender a un gran nmero de usuarios sobre una gran rea geogrfica usando un

espectro de frecuencia limitado.Se desea proveer un servicio de alta calidad que sea comparable a un sistema telefnico

original.

La alta capacidad se obtiene de la siguiente manera:Limitando la cobertura de cada estacin base a una pequea rea geogrfica denominada

celda.Los mismos canales de radio pueden ser reutilizados por otra estacin base ubicada a cierta

distancia.Mediante el handoff (tcnica de conmutacin sofisticada), el sistema permite que una llamada

en progreso continu ininterrumpida cuando un usuario se mueve desde una celda a otra. No se alerta al usuario durante el handoff. En los documentos de USA se utiliza el trmino handoff, pero en los de la UIT se usa el trmino

handover. Los dos trminos se usan en la literatura.


GeneralidadesGeneralidades Qu se entiende por capacidad en el contexto utilizado en la

transparencia anterior?Capacidad de un canal de radio (radio channel capacity).

No se debe confundir con Capacidad del Canal de Shannon.Se define como el nmero mximo de usuarios simultneos que pueden proveerse

en una banda de frecuencia fija.Es una medida de la eficiencia espectral de un sistema inalmbrico.Es determinado por la relacin seal a ruido requerida en la entrada del receptor y por

el ancho de banda.

En un sistema FDMA, la capacidad de una celda es igual al nmero de canales de frecuencia asignados a la celda.


GeneralidadesGeneralidades La figura presenta un sistema celular bsico que consiste de:

Estaciones mviles (movile stations)Estaciones base (base stations)MSC (Centro de Conmutacin Mvil, movile switching center)

Tambin se lo conoce como MTSO (Mobile Telephone Switching Office) debido a que es la responsable de conectar a todos los mviles a la PSTN.


GeneralidadesGeneralidades Estaciones mviles

Contienen un transceiver, una antena y circuitera de control.Pueden estar montadas en un vehculo o utilizadas como una unida porttil.Se comunican mediante radio con una de las estaciones base.Con el proceso de handoff pueden pasar al control de cualquier nmero de

estaciones base durante la duracin de una llamada.

Estaciones baseConsisten de varios transmisores y receptores que de forma simultanea manejan

comunicaciones full duplex. Generalmente, tienen torres que soportan varias antenas de transmisin y recepcin.Sirven de puente entre todos los usuarios mviles de la celda y el MSC.

Conecta al MSC las llamadas simultaneas de los mviles mediante lneas telefnicas o enlaces de microondas.


GeneralidadesGeneralidades MSC

Coordina las actividades de todas las estaciones base y conecta todo el sistema celular a la PSTN.

Hace las conexiones entre estaciones mviles y usuarios fijos de la PSTN.Conecta las llamadas entre las estaciones mviles.Un MSC puede conectarse a un MSC remoto, usando la red telefnica o lneas dedicadas

y establecer las conexiones entre un usuario mvil local y un usuario mvil remoto.

Un MSC tpico maneja 100.000 abonados y 5.000 conversaciones simultaneas, y maneja todo lo referente a facturacin y funciones de mantenimiento.Ajusta la potencia transmitida de los mviles (control de potencia).Interviene en el handoff cambiando los canales del mvil y la estacin base.Maneja lo relacionado a facturacin.En grandes ciudades, un solo carrier puede utilizar varias MSCs.


GeneralidadesGeneralidadesThis image cannot currently be displayed.


GeneralidadesGeneralidades CAI (Common Air Interface)

Define la comunicacin entre la estacin base y los mviles.Especifica cuatro tipos de canales diferentes:

FVC (Forward Voice Channels) Para transmisin de voz desde la estacin base hacia los mviles.

RVC (Reverse Voice Channels) Para transmisin de voz desde los mviles hacia la estacin base.

FCC (Forward Control Channels) y RCC (Reverse Control Channels) Responsables por iniciar las llamadas. Sirven como beacons que difunden continuamente los pedidos de trfico para todos los

mviles en el sistema.


GeneralidadesGeneralidades CAI (Common Air Interface)

Los canales de controlSe denominan tambin canales de establecimiento (setup channels).Estn involucrados solo en el establecimiento de una llamada y en mover la llamada a un

canal de voz libre.Transmiten y reciben mensajes de datos que llevan informacin de iniciacin de la

llamada y pedidos de servicio.Los mensajes de supervisin hacia los mviles facilitan cambios de canal durante

el establecimiento de la llamada y tienen instrucciones para el handoff (los mensajes se envan en este casi por los canales de voz).

Son monitoreados por los mviles cuando no tienen una llamada en progreso.Los canales de control se definen y estandarizan sobre toda el rea geogrfica cubierta.

Un valor tpico para el nmero de canales de control es el 5% del nmero total de canales del sistema.

Los forward channels se llaman tambin downlink channels.

Los reverse channels se llaman tambin uplink channels.


Cmo se realiza una llamada celular?Cmo se realiza una llamada celular? Encendido del mvil

Al encender el dispositivo, ste todava no est involucrado en una llamada.Primero realiza un scan (barrido) del grupo de FCCs para determinar el canal de

seal mas fuerte (de la estacin base).La estacin base est realizando broadcasts repetitivamente para que los mviles la

monitoreen.Dentro de una celda hay uno o varios canales de control (del total de canales de control

de todo el sistema, el scan se hace sobre todos los canales del sistema).Lo tpico es que la estacin base seleccionada sea la mas cercana, pero no siempre.

Una vez seleccionada la estacin base se realiza un handshake entre la estacin mvil y el MSC.

Se identifica al mvil y se registra la ubicacin del usuario.Luego se monitorea el canal de control seleccionado hasta que la seal caiga bajo un

nivel til y se inicia un nuevo proceso de scan.Durante el handoff, por ejemplo.

Una vez realizado el scan y registro, se procede a esperar por mensajes de paging.


Cmo se realiza una llamada celular?Cmo se realiza una llamada celular? Llamada destinada a un mvil del sistema e iniciada por un abonado fijo

El MSC despacha el pedido a ciertas estaciones base del sistema celular. Las que considere necesarias (o todas) basndose en el nmero (MIN).

Las estaciones base realizan un broadcast del MIN (Mobile Identification Number) en mensajes de paging (localizacin) usando todos los canales FCCs asociados a las celdas.

El MIN es el nmero telefnico del abonado y se usa tambin para facturacin.El mvil recibe el mensaje de paging enviado por la estacin base (la estacin base que el mvil

est monitoreando), compara con su propio MIN, y si concuerdan, se identifica usando un RCC.

El mvil enva: El MIN (Mobile Identification Number) El ESN (Electronic Serial Number) El SCM (Station Class Mark) que indica el nivel de potencia mximo para el usuario particular.

La estacin base transmite el acuse de recibo enviado por el mvil al MSC, informando del intercambio de mensajes (handshake).

El MSC verifica el par (MIN, ESN) e instruye a la estacin base que cambie la llamada a un canal de voz libre dentro de la celda.

El MSC mantiene una base de datos con informacin de las unidades que se han reportado como robadas, y usa sus nmeros de serie para bloquear a las unidades robadas.

Es tpico tener entre 10 y 60 canales de voz y un solo canal de control en cada estacin base de una celda.


Cmo se realiza una llamada celular?Cmo se realiza una llamada celular? Llamada destinada a un mvil del sistema e iniciada por un

abonado fijoLa estacin base indica al mvil que cambie las frecuencias de los canales FVC y

RVC, a frecuencias que no estn siendo utilizadas.

Se enva otro mensaje (llamado de alerta) por el FVC para instruir al telfono mvil que timbre, lo que a su vez instruye al usuario que conteste el telfono.

Todo lo descrito ocurre en unos pocos segundos y es imperceptible al usuario.

Mientras la llamada est en progresoEl MSC ajusta la potencia transmitida del mvil y realiza handoffs, si es necesario.

Handoff consiste en cambiar las estaciones bases y los canales de la unidad mvil para mantener la calidad de la llamada mientras el abonado entre y sale del rango de cobertura de las estaciones base.

Se aplica sealizacin de control especial a los canales de voz para que el mvil pueda ser controlado por la estacin base y el MSC.


Cmo se realiza una llamada celular?Cmo se realiza una llamada celular? Llamada destinada a un mvil del sistema e iniciada por un abonado fijo


Cmo se realiza una llamada celular?Cmo se realiza una llamada celular? Llamada originada por un mvil del sistema celular a un abonado fijo.

El mvil monitorea los canales de control para determinar si puede transmitir (si el canal tiene actividad).

Chequea el FCC para ver si puede transmitir, cuando no se detecta actividad puede transmitir en el canal de control reverso correspondiente (RCC).

El mvil enva un pedido de iniciacin de llamada por el RCC, junto con:El MINEl ESN (Electronic Serial Number)El nmero al que se est llamando.El SCM (Station Class Mark) que indica el nivel de potencia mximo para el usuario en

particular.

La estacin base de la celda recibe la informacin y la enva al MSC.La MSC valida el pedido, realiza la conexin al nmero llamado usando la PSTN e

instruye a la estacin base y al mvil para que se cambien a un par (FVC, RVC) de canales no utilizados.


Cmo se realiza una llamada celular?Cmo se realiza una llamada celular? Llamada originada por un mvil del sistema celular a un abonado fijo.


Cmo se realiza una llamada celular?Cmo se realiza una llamada celular? Algunas funciones adicionales del sistema:

Bloqueo de llamadasDurante la inicializacin de la llamada desde un mvil, todos los canales asignados a la

estacin base pueden estar ocupados.

La unidad mvil realiza un nmero pre-configurados de intentos.Si no se encuentra algn canal vaco se presenta el tono de ocupado al usuario.

Terminacin de una llamadaCuando uno o ambos usuarios cuelgan, el MSC es informado y los canales en las dos

estaciones base (o una BS) se liberan.

Llamada interrumpidaDurante una llamada, debido a interferencia o a niveles bajos de seal.El BS interrumpe la llamada si no puede mantener el nivel de seal mnimo requerido

por cierto periodo de tiempo e informa al MSC.

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RoamingRoaming Servicio que permite que los abonados operen en reas de servicio

diferentes a las cuales estn originalmente suscritos.

Cuando un mvil ingresa a una ciudad o rea geogrfica, que es diferente al rea de servicio original contratada, se registra como un roamer (errante) en la nueva rea de servicio.


RoamingRoaming En intervalos de varios minutos, el MSC emite comandos globales en todos los

FCCs, preguntando por todos los mviles que no se han registrado que enven su MIN y ESN usando un RCC.Roamers y locales.

Las estaciones responden a estos pedidos de registro y el MSC usa el MIN/ESN para solicitar el estado de facturacin de cada roamer, si est autorizado se lo admite en el sistema como un roamer vlido.El estado se solicita del HLR (Home Location Register) del roamer.

Una vez registrados los roamers puede generar o recibir llamadas desde esa rea.La facturacin se enruta automticamente al proveedor de servicios original del abonado.

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El concepto de celularEl concepto de celular El objetivo del diseo de los primeros sistemas mviles de radio

era conseguir una gran rea de cobertura usando un solo transmisor de alta potencia.Con este esquema era imposible reutilizar las frecuencias utilizadas.Ejemplo: En los 70s, Bell Movile System, en la ciudad de Nueva York, poda

soportar solamente un mximo de 12 conversaciones simultaneas en 1000 millas cuadradas (radio de alrededor de 30km).

Los organismos de regulacin no hicieron asignaciones del espectro de acuerdo a la creciente demanda de servicios mviles.

Fue imperativo el reestructurar el sistema de radio telefnico para alcanzar gran capacidad con limitado espectro, y al mismo tiempo cubriendo grandes reas geogrficas.


El concepto de celularEl concepto de celular El concepto celular fue una innovacin que resolvi el problema de congestin

espectral y capacidad de usuarios.Ofreci muy alta capacidad con espectro limitado y sin cambios tecnolgicos sustanciales.

Es una idea a nivel de sistema que requiere cambiar un nico transmisor de alta potencia (una gran celda) con varios transmisores de baja potencia (celdas pequeas), con cada celda cubriendo una pequea porcin del rea de servicio.Una celda es una pequea rea geogrfica.

A cada estacin base se le asigna una porcin del nmero total de canales disponibles para todo el sistema.A las estaciones base vecinas se les asigna grupos de canales diferentes para que la interferencia

entre estaciones base y sus usuarios se minimice.

Todos los canales disponibles son asignados a un nmero relativamente pequeo de estaciones base vecinas.

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El concepto de celularEl concepto de celular


El concepto de celularEl concepto de celular De forma sistemtica se separan las estaciones

base y sus grupos de canales, lo cual permite reutilizarlos cuantas veces sea necesario.El limitar el rea de cobertura a los lmites de una

celda, permite que el mismo grupo de canales pueda utilizarse para cubrir celdas diferentes, separadas por distancias lo suficientemente grandes para limitar la interferencia.

La interferencia entre estaciones co-canal (por ejemplo: canales de las celdas A) debe mantenerse bajo niveles aceptables.

Las celdas de la figura que tienen la misma letra usan el mismo grupo de canales.

Si en un sistema mvil telefnico de los iniciales se tuviese una banda de frecuencias asignada en la cual se pudiesen soportar 100 conversaciones simultneas, usando la idea celular, reutilizando 10 veces la banda de frecuencia, se podran obtener 1000 conversaciones simultneas.

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El concepto de celularEl concepto de celular Si la demanda se incrementa (mas canales se necesitan), el

nmero de estaciones base puede incrementarse (disminuyendo la potencia de cada estacin base).Todo sin incrementar el espectro disponible.

El principio fundamental es: permite que un nmero fijo de canales sirva a un gran nmero (arbitrario) de usuarios, reutilizando los canales a lo largo de la regin de cobertura.

Reutilizacin de frecuencias o Plan de frecuenciasEs el proceso de diseo para seleccionar y asignar los grupos de canales a todas las

estaciones base en un sistema.


El concepto de celularEl concepto de celular La forma hexagonal de la celda es conceptual y es un modelo

simplista de la cobertura de radio para cada estacin base.La forma hexagonal ha sido adoptada universalmente por que el hexgono permite un anlisis

fcil y manejable de un sistema celular.

La zona de cobertura real de una celda es conocida como pisada (footprint) y se determina mediante medidas de campo o modelos de propagacin.

La pisada real es amorfa por naturaleza, pero se requiere de una forma regular para un diseo sistemtico del sistema y adaptacin a futuros crecimientos.

Puede parecer natural el adoptar una forma circular, pero esta forma deja espacios sin cobertura o regiones sobrelapadas, cuando crculos adyacentes se sobreponen con un mapa. Con una celda hexagonal se obtiene cobertura total

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El concepto de celularEl concepto de celular Las formas geomtricas que pueden cubrir completamente una regin sin

sobrelapamiento y con igual rea son tres: un cuadrado, tringulo equiltero y un hexgono.Una celda debe estar diseada para proveer servicio a los mviles mas dbiles dentro de la

pisada y estos estn tpicamente localizados en los extremos de la celda.Para una distancia dada entre el centro de un polgono y sus puntos mas alejados en el

permetro, el hexgono cubre el rea mas grande entre las tres opciones.Por lo tanto, usando los hexgonos se requiere el menor nmero de celdas para cubrir un rea,

y con el hexgono se aproxima mas a un patrn de radiacin circular. Un patrn circular se obtiene idealmente con una antena omnidireccional en la estacin base y

considerando solo propagacin de espacio libre.


El concepto de celularEl concepto de celular En el caso del cuadrado, si el ancho de una celda cuadrada es d:

La celda tiene cuatro vecinas a una distancia 2*d.Cuando un usuario se mueve desde el interior de la celda a los lmites de la celda, es

mejor si todas las antenas son equidistantes.Se simplifica la tarea al determinar la antena adecuada para realizar el handoff y

cuando hacerlo.

Un patrn hexagonal provee antenas equidistantes.

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2598.2 RArea



Usando hexgonos, se representa a los transmisores de las estaciones base en:El centro de la celda (center-exited cells)

Generalmente se usan antenas omnidireccionales.En tres de los seis vrtices de la celda (edge-excited cells)Generalmente se usan antenas direccionales sectoriales (corner-excited cells).

Consideraciones prcticas usualmente no permiten que las estaciones base se ubiquen exactamente en el lugar en el que se planifica.La mayora de los diseos permiten que las estaciones base se ubiquen hasta del radio de la

celda alejadas de la ubicacin ideal.

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Reutilizacin de frecuenciasReutilizacin de frecuencias Se considera un sistema celular con las siguientes caractersticas:

S: total de canales duplex disponibles para uso. k: nmero de canales por grupo que se asigna a cada celda (k

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Reutilizacin de frecuenciasReutilizacin de frecuencias El valor de N es una funcin de cuanta interferencia un mvil o estacin

base puede tolerar mientras mantiene una calidad suficiente en las comunicaciones.Un valor alto de N indica que las celdas co-canal estn ubicadas a mayor distancia.Un valor bajo de N indica que las celdas co-canal estn ubicadas a menor distancia.

Desde el punto de vista de diseo, es deseable tener el valor mas pequeo de N para maximizar la capacidad en una regin de cobertura.


Reutilizacin de frecuenciasReutilizacin de frecuencias Considerando la geometra hexagonal:

Cada celda tiene exactamente 6 vecinos equidistantes.Las lneas que unen los centros de cada celda con cada una de sus vecinas estn separadas 60.Solo es posible tener ciertos tamaos de cluster y arreglos de celdas.

Para obtener conexiones sin espacios entre celdas adyacentes.

Donde i y j son nmeros enteros positivos (0,1,2,3,).Para encontrar el co-canal vecino mas cercano de una celda en particular:

Moverse i celdas a lo largo de cualquier cadena de hexgonos. Girar 60 grados en el sentido contrario al de las manecillas del reloj. Moverse j celdas.

Se ilustra en la figura para i=3, j=2 (N=19)

22 jijiN

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Reutilizacin de frecuenciasReutilizacin de frecuencias



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Reutilizacin de frecuenciasReutilizacin de frecuencias Si se dedica 1 MHz del espectro para canales de control, determinar una

distribucin equitativa de canales de voz y control en cada celda, para cada N. Canales de control = 1000/(2x25) =20 Para N=4

640/4= 160 canales de voz por celda 20/4= 5 canales de control por celda En la prctica se requiere un canal de control por celda. Los canales de control tienen una mayor distancia de reutilizacin que los de voz.

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Reutilizacin de frecuenciasReutilizacin de frecuencias Para N=7

En la prctica

Celdas Voz Control Total

4 92 3 4*92 + 4*3

2 90 3 2*90 + 2*3

1 92 2 1*92 + 1*2

7 640 + 20


4 91 1 4*91 + 4*1

3 92 1 3*92 + 3*1

7 640 + 7


Reutilizacin de frecuenciasReutilizacin de frecuencias Para N=12

En la prctica


4 54 1 4*54 + 4*1

8 53 2 8*53 + 8*2

12 640 + 20


4 54 1 4*54 + 4*1

8 53 1 8*53 + 8*1

12 640 + 12

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Asignacin de canalesAsignacin de canales Se desea incrementar la capacidad y minimizar la interferencia.

Las estrategias para asignacin tienen impacto en el performance del sistema, en especial en la manera en la que se manejan las llamadas al realizar el handoff.

Las estrategias se clasifican en:FijasDinmicas

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Asignacin de canalesAsignacin de canales Estrategias Fijas

A cada celda se le asigna un conjunto predeterminado de canales de voz.Cualquier intento de llamada en la celda solo puede atenderse por un canal libre en

esa celda particular.

Si todos los canales en esa celda estn ocupados, la llamada es bloqueada y el usuario no recibe servicio.

Ejemplo de variacin de la estrategia fijaBorrowing strategy (Pedir prestado)

Una celda puede pedir prestado canales de un celda vecina si todos sus canales estn ocupados.

EL MSC supervisa los procedimientos de pedidos y garantiza que esto no interrumpa otras llamadas en progreso en la celda donante.


Asignacin de canalesAsignacin de canales Estrategias dinmicas

Los canales no se asignan de manera permanente.Reducen la posibilidad de que las llamadas se bloqueen.

Todos los canales disponibles son accesibles a todas las celdas.Cada vez que se realiza una llamada, la estacin base que atiende el pedido solicita un canal al

MSC.

El MSC asigna un canal a la celda solicitante utilizando un algoritmo que considera la probabilidad de bloqueos futuros en la celda, la frecuencia de uso del canal candidato, la distancia de reutilizacin del canal, y otras funciones de costo.

Una frecuencia se asigna si la misma no est siendo utilizada en la celda o en cualquier celda que cae dentro de la distancia mnima para la reutilizacin de frecuencias para evitar interferencias.

Se requiere que el MSC obtenga informacin para todos los canales en tiempo real sobre la ocupacin del canal, distribucin del trfico y RSSIs (Radio Signal Strength Indications).

Se incrementan las necesidades de almacenamiento del sistema y la carga computacional pero se obtiene una mayor utilizacin de los canales y menor probabilidad de llamadas bloqueadas.

Received SSI

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Estrategias de handoffEstrategias de handoff Cuando un mvil se mueve a una celda diferente mientras una conversacin

est en progreso, el MSC transfiere la llamada automticamente a un nuevo canal que pertenece a una nueva estacin base.Se requiere identificar una nueva estacin base.Las seales de voz y control son asignadas a canales asociados con la nueva estacin base.

Consideraciones sobre las estrategiasAlgunas priorizan los pedidos de handoff sobre pedidos de inicializacin de llamadas al asignar

canales libres.Los handoffs deben realizarse de forma exitosa y tan infrecuentemente como sea posible, y ser

imperceptible a los usuarios.

Para lo mencionado, los diseadores de los sistemas deben especificar un nivel de seal al cual iniciar el handoff.Primero se fija un nivel mnimo de seal til para calidad de voz aceptable en el receptor de la

estacin base (entre -90 dBm y -100 dBm, entre 1 y 0.1 picovatios).Luego se usa un nivel de seal algo mas alto como umbral para iniciar el handoff.


Estrategias de handoffEstrategias de handoff El margen est dado por:

Si demasiado grande, pueden ocurrir handoffs innecesarios que son una carga para el MSC.

Si demasiado pequeo, puede haber insuficiente tiempo para completar el handoff antes de que la llamada se pierda debido a niveles demasiado dbiles de la seal.

Ya en operacin se puede perder una llamada por:El MSC puede introducir un retardo excesivo debido a condiciones de alto

trfico que requieren alta carga computacional.

No hay canales disponibles en las estaciones base cercanas.El MSC se vera forzado a esperar hasta que un canal en una celda cercana

est libre.

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Estrategias de handoffEstrategias de handoff


Estrategias de handoffEstrategias de handoff Otros aspectos a considerar para no realizar handoffs

innecesarios:Al decidir cuando realizar el handoff, es importante saber que la cada en el nivel de

la seal medida no es debida a un desvanecimiento momentneo.

Asegurarse que el mvil en realidad se est alejando de la estacin base.

Para considerar los dos puntos, la estacin base debe monitorear el nivel de seal por un cierto periodo de tiempo antes de iniciar el handoff y obtener una medida promedio del nivel de seal.Se debe garantizar que los handoffs necesarios se realicen antes que la llamada se

termine debido a bajos niveles de seal.

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Estrategias de handoffEstrategias de handoff El tiempo requerido para decidir si un handoff es necesario depende de la

velocidad a la que un vehculo se mueve, y puede ser til en la decisin.Informacin de la velocidad del vehculo puede estimarse de las estadsticas de la seal,

evaluada en cortos periodos de tiempo, recibida en la estacin base.

Si se usan microceldas para conseguir alta capacidad, usuarios viajando a alta velocidad podran atravesar constantemente las microceldas.

El tiempo por el cual una llamada se mantiene en una celda, sin handoff, se llama tiempo de permanencia (dwell time).Este tiempo est determinado por varios factores como:

Propagacin Interferencia Distancia entre el mvil y la estacin base

An cuando el dispositivo est estacionario, su medio ambiente cambia y tendr un dwell timealeatorio y finito.

Podra ser que nunca se necesita un handoff para un usuario caminando.


Estrategias de handoffEstrategias de handoff

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Estrategias de handoffEstrategias de handoff Handoff controlado por la red

NCHO (Network-Controlled Handoff)En sistemas celulares analgicos de primera generacin, las medidas del nivel de

seal se realizan en la estacin base y supervisadas por el MSC.Se monitorea constantemente los niveles (RSSI) de todos los RVCs para determinar la

posicin relativa de cada mvil respecto a la estacin base.

Un receptor extra, denominado Receptor Localizador (locator receiver), ubicado en cada estacin base chequea los niveles de los mviles en celdas vecinas.

Este receptor es controlado por el MSC y monitorea los mviles en celdas vecinas que pueden estar en necesidad de handoff y se reportan los valores RSSI al MSC.

Basado en la informacin del Receptor Localizador de cada estacin base, el MSC decide si se requiere o no un handoff.


Estrategias de handoffEstrategias de handoff Handoff asistido por el mvil

Mobile-Assisted HandOff (MAHO)Se usa en sistemas de segunda generacin utilizando TDMA.Cada mvil mide la potencia recibida de las estaciones base circundantes y reporta

las mediciones de forma continua a su estacin base.

Un handoff se inicia cuando la potencia recibida desde una estacin base de una celda vecina empieza a exceder la potencia recibida de la estacin base actual, en una cantidad determinada o por un tiempo determinado.

Una llamada es transferida entre estaciones base de forma mas rpida que en sistemas 1G, puesto que las mediciones son hechas por cada mvil y el MSC no tiene que realizar el monitoreo de forma continua.

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Estrategias de handoffEstrategias de handoff Handoff Intersistemas

Cuando durante una llamada en progreso, un mvil se mueve de un sistema celular a un sistema celular diferente controlado por un MSC diferente.

Un MSC se involucra en un handoff intersistemas cuando la seal de un mvil se hace dbil en una celda dada, y el MSC no puede encontrar otra celda dentro de su sistema para transferir la llamada en progreso.

Algunos aspectos a considerarse en la implementacin:Una llamada local puede convertirse en una llamada de larga distancia si el mvil se

mueve de su sistema base (home system) y se convierte en un roamer en un sistema vecino.

Se debe determinar la compatibilidad entre los dos MSCs antes de la implementacin.


Prioridad de los handoffsPrioridad de los handoffs Desde el punto de vista del usuario, es mas molestoso que una llamada se

interrumpa abruptamente en medio de una conversacin que ser bloqueado ocasionalmente en un intento de una nueva llamada.

Para mejorar la calidad de servicio percibida por el usuario, varios mtodos se han desarrollado para priorizar los pedidos de handoff respecto a pedidos de nuevas llamadas.

Concepto del canal de guardaUna fraccin del nmero total de canales de una celda es reservada exclusivamente para

pedidos de handoff.

Tiene la desventaja de reducir el trfico total transportado.Es til en estrategias de asignacin de canales dinmicas en las que se minimiza el nmero de

canales de guarda usando una asignacin bajo demanda.

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Prioridad de los handoffsPrioridad de los handoffs Colas de pedidos de handoffs

Es posible usar colas ya que existe un intervalo de tiempo finito entre el momento en el que el nivel baja del umbral y el momento en el que una llamada es terminada debido a nivel de seal insuficiente.

El tiempo de retardo y tamao de la cola es determinado a partir del patrn de trfico del rea particular de servicio.

No se garantiza que no existirn terminaciones forzadas de llamadas, puesto que grandes retardos causarn que el nivel de seal caiga bajo el nivel mnimo para mantener la comunicacin.


Consideraciones prcticas del handoffConsideraciones prcticas del handoff El aadir celdas es una opcin para incrementar la capacidad del sistema.

En la prctica es difcil para los proveedores de servicios celulares obtener los sitios fsicos en zonas urbanas.

Leyes zonales Ordenanzas Otras barreras no tcnicas

Puede ser mas atractivo aadir antenas en sitios existentes.Usando antenas ubicadas a diferentes alturas y diferentes niveles de potencia se puede

configurar celdas pequeas y grandes colocalizadas.

La tcnica se denomina umbrella cell.

Umbrella cellProvee grandes reas de cobertura para usuarios viajando a alta velocidad.Provee pequeas reas de cobertura para usuarios viajando a baja velocidad.

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Consideraciones prcticas del handoffConsideraciones prcticas del handoff Umbrella cell

Minimiza el nmero de handoffs para usuarios viajando a altas velocidades y microceldas para usuarios a pie.

La velocidad de cada usuario se estima en la estacin base y el MSC.Si un usuario de alta velocidad en la celda umbrella se aproxima a la estacin base

con velocidad decreciente rpidamente, puede provocar que la estacin base realice un handoff a una microcelda, incluso sin la intervencin del MSC.


Consideraciones prcticas del handoffConsideraciones prcticas del handoff Cell dragging (arrastrar)

Un problema prctico de handoff en microceldas.Causado por peatones que proveen una seal muy fuerte a la estacin base.

En zonas urbanas cuando hay lnea de vista a la estacin base.A medida que el usuario se aleja de la estacin base a muy baja velocidad, el nivel

promedio de la seal no decrece rpidamente.

An cuando el usuario se ha alejado mas all del rango diseado de la celda, la seal recibida en la estacin base podra estar sobre el umbral de handoff y el handoffpodra no realizarse.

Esta situacin causa potenciales problemas de interferencia y administracin ya que el usuario puede haber ingresado una distancia considerable dentro de la celda vecina.

Puede causar interferencia en una celda co-canal (co-canal respecto a la original)Los parmetros de cobertura de radio y umbrales de handoff deben ser fijados

cuidadosamente.

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Consideraciones prcticas del handoffConsideraciones prcticas del handoff Tiempos de retardo de handoff y valores de

Sistemas de Primera GeneracinDuracin tpica de un handoff una vez que el nivel de seal cae bajo el umbral es 10 s.Esto requiere que el orden de est entre 6 y 12 dB.

Sistemas de Segunda Generacin (GSM)El mvil ayuda con el proceso de handoff determinando los mejores candidatos.Una vez que la decisin se ha tomado, el handoff solo requiere 1 o 2 segundos.Esto requiere que el orden de est entre 0 y 6 dB.En estos sistemas, las decisiones de handoff estn basadas en una serie de mtricas, a

parte del nivel de seal.

Considerar la interferencia co-canal y de canales adyacentes.Puede ser evaluada en la estacin base y en el mvil.


Consideraciones prcticas del handoffConsideraciones prcticas del handoff Hard handoff

En sistemas inalmbricos canalizados se asignan diferentes canales de radio durante el handoff.El mvil se conecta solo con una estacin base a la vez y existe una pequea interrupcin de la

conversacin durante la transicin de enlace.Se usa tpicamente con sistemas que usan TDMA y FDMA.

Soft handoffEn sistemas que usan CDMA (IS-95) o TDMA usando diversidad macro.Los mviles comparten el mismo canal en todas las celdas.

El mvil recibe/transmite las mismas seales hacia/desde mltiples estaciones base simultneamente.Handoff no implica el cambio fsico de canal asignado, sino que una estacin base diferente

maneja la tarea de comunicacin de radio.Evaluando simultneamente las seales recibidas por un usuario en particular en varias

estaciones base vecinas, el MSC puede decidir cual versin de la seal del usuario es la mejor a cada momento.

Soft handoff es la habilidad de seleccionar entre seales instantneas recibidas en una variedad de estaciones base.

Se hace uso de diversidad espacial (macroscpica), por la diferente ubicacin de las estaciones base.

32


InterferenciaInterferencia Se la ha reconocido como un cuello de botella significativo al tratar de incrementar la capacidad de

un sistema y por llamadas interrumpidas.En los canales de voz, la interferencia puede causar diafona (crosstalk).En los canales de control, la interferencia puede causar llamadas perdidas o bloqueadas debido a errores en

la sealizacin.

FuentesOtro mvil en la misma celda.Una llamada en progreso en una celda vecina.Cualquier otro sistema no celular que inadvertidamente emite energa en la banda de frecuencia celular.Otras estaciones base operando en la misma banda de frecuencia.


InterferenciaInterferencia Interferencia celular generada por el sistema mismo.

Tipos Interferencia co-canal Interferencia de canales adyacentes

A pesar de generarse en el sistema son difciles de controlar en la prctica (por los procesos aleatorios de propagacin).

Interferencia debido a usuarios fuera de bandaPor productos de intermodulacin.Los transmisores de carriers celulares competidores son una fuente significativa de

interferencia. Competidores ubican sus estaciones base en las proximidades para proveer cobertura

comparable para sus clientes.

La interferencia es mas severa en reas urbanas debido al mayor ruido base RF siempre presente, al mayor nmero de estaciones base y mviles.

33


InterferenciaInterferencia Interferencia co-canal y capacidad del sistema

Las celdas que usan las mismas frecuencias se denominan celdas co-canal, y la interferencia entre seales de estas celdas se denomina interferencia co-canal.

Para el caso de combatir el ruido termal, puede mejorarse la SNR incrementando la potencia transmitida; en cambio, si se decide combatir la interferencia co-canal simplemente incrementando la potencia, se incrementara la interferencia en celdas co-canal vecinas.

Para reducir la interferencia co-canal se debe separar fsicamente las celdas co-canal una distancia mnima para proveer suficiente aislamiento para considerar los efectos de propagacin no deseados que se producen.

En un sistema celular, con las celdas aproximadamente del mismo tamao, la relacin seal/interferencia:

Es independiente de la potencia transmitida. Es funcin del radio de la celda (R) y la distancia al centro de la celda co-canal mas

cercana (D).


InterferenciaInterferencia Interferencia co-canal y capacidad

del sistemaIncrementando D/R, se incrementa la

separacin espacial entre celdas co-canal respecto a la distancia de cobertura de una celda.

Relacin co-canal de reutilizacin (Q, co-channel reuse ratio)

Para geometra hexagonal:

Un pequeo valor de Q provee gran capacidad (N es pequeo).

Un valor grande de Q mejora la calidad de transmisin debido a un menor nivel de interferencia co-canal.

Se debe llegar a compromisos entre estas dos alternativas.

NRDQ 3

34





La distancia entre los centros de dos celdas contiguas es:

Rd 3

Rd 3

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InterferenciaInterferencia Interferencia co-canal y capacidad

del sistemaUsando la ley de los cosenos

NRDQ 3

odjdidjdiD 120cos)*)(*(2)*()*( 222 ))5.0(2( 2222 ijjidD

)( 2222 ijjidD 22 jijiN

NRNdD *3*222 Rd 3



SIR (Signal to Interference Ratio, o S/I) Para un receptor mvil monitoreando un canal FVC/FCC

Si los niveles de seal de los co-canales son conocidos, entonces se puede usar la ecuacin para calcular el SIR para los canales forward.

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SIRMedidas de propagacin en un canal de radio mvil indican que el nivel de seal

recibido decae de acuerdo a la distancia entre transmisor y receptor elevada a una potencia (dn).



SIRConsiderando el enlace forward, la seal deseada es la de la estacin base que atiende al

mvil y la interferencia es debido a las estaciones base co-canal.

Di es la distancia de la ith fuente de interferencia.La potencia recibida en un mvil debido a la ith celda interferente ser proporcional a

(Di)-n .

Si la potencia de transmisin de todas las estacin base es igual, y el exponente de prdidas (n) es el mismo en toda el rea de cobertura, la SIR puede aproximarse como:

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SIR Considerando solo el primer anillo de celdas interferentes, y asumiendo que todas las estaciones base

son equidistantes de la estacin base deseada.

D distancia entre los centro de las celdas. La ecuacin se reduce a:

La ecuacin relaciona la SIR con N, lo que a su vez determina la capacidad global del sistema.

NRDQ 3

MSMkNC



SIR Para el sistema celular AMPS en USA (utiliza FM y canales de 30 kHz) se requiere SIR >= 18 dB.

Valor obtenido con tests subjetivos que indican que con 18 dB se obtiene voz con suficiente calidad.

Asumiendo que las 6 celdas mas cercanas estn lo suficientemente cercanas para producir interferencia significativa, y que estn aproximadamente situadas a la misma distancia de la estacin base deseada.

Asumiendo un n=4, y con los valores io = 6 y SIR =18dB, se emplea la ecuacin:

Se obtiene un N=6.49, por lo tanto para cumplir lo solicitado se requiere un valor mnimo de N=7.La ecuacin utilizada asume que todas las estaciones base interferentes son equidistantes de la

estacin base receptora.

Para algunos planes (como N=4), las distancias de las celdas interferentes mas cercanas a la estacin base deseada vara significativamente (entre ellas).

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SIR Considerando el mvil en la periferia de la celda (peor caso, seal mas dbil), se tiene que las

distancias a las celdas vecinas sern aproximadamente:



SIR Usando y

Calculando Q para N=7 se tiene Q=4.6. Usando la ltima ecuacin para una aproximacin del SIR, se tiene SIR=17 dB. Usando una expresin exacta se tiene que SIR=17.8 dB. Lo requerido es 18 dB para AMPS en USA, el peor de los casos rara vez se produce ( antes de llegar

al borde se realiza un handoff), se acepta N=7 (AMPS usa N=7). Para cumplir estrictamente se debera incrementar N al siguiente valor permitido que es

N=12, lo cual reduce la capacidad en un factor de 7/12.

Del material presentado se desprende que la interferencia co-canal determina el performance del enlace, que a su vez dicta el plan de reutilizacin de frecuencias y la capacidad global de los sistemas celulares.

NRDQ 3

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InterferenciaInterferencia Interferencia de canales adyacentes

Interferencia que resulta de seales que son adyacentes en frecuencia a la seal deseada.Fuentes son los filtros imperfectos en el receptor que dejan pasar frecuencias cercanas en la

banda de paso.

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El problema es serio si un usuario de un canal adyacente est transmitiendo a corta distancia del receptor del abonado en cuestin, quien trata de recibir la seal de la estacin base en un canal deseado.

Esto se denomina near-far effect. Escenario 1

El transmisor captura el receptor del usuario.

Escenario 2 Un mvil cercano a una estacin

base transmite en un canal cercano al de un mvil con seal dbil.

La estacin base puede tener problemas al discriminar el mvil deseado (dbil) de lo que el otro ha insertado por el otro mvil cercano.


AMPSAMPS Electronic serial number (ESN)

32-bit

Mobile identification number (MIN) 34-bitDerivado del nmero de 10 dgitos de la MS.

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Se minimiza con adecuada asignacin de canales y adecuado filtrado. Como una celda recibe una fraccin de los canales disponibles, no deberan asignarse a la misma

celda canales adyacentes en frecuencia.

La separacin entre canales podra ser hasta N anchos de banda de un canal. Si N es pequeo, la separacin puede no ser suficiente y la calidad de los filtros son de mayor

importancia.


Canales para AMPS en USACanales para AMPS en USA Este ejemplo ilustra como dividir los canales en subconjuntos y se

asignan estos subconjuntos a celdas diferentes para minimizar la interferencia de canales adyacentes.

Nmero de canales de AMPS en USA Inicialmente operaba con 666 canales duplex (1983).

Numerados del 1 al 666.En 1989, la FCC asign 10 MHz adicionales, agregando 166 canales.

Numerados del 667 a 799 y 991 a 1023.Esto explica la extraa posicin de los canales en el espectro de frecuencia y su

numeracin.

Actualmente se tiene un total de 832 canales full duplex.

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Canales para AMPS en USACanales para AMPS en USA Frecuencias de operacin

Canales reverse de 824 a 849 MHz.Ejemplo: canal 1 en 825.030 MHz.

Canales forward de 869 a 894 MHz. Ejemplo: canal 1 en 870.030 MHz.

El par de canales simplex destinados a una conversacin estn separados por 45 MHz.Se escogi esta separacin para poder tener en los receptores de las estaciones

mviles duplexers altamente selectivos pero de bajo costo.


Canales para AMPS en USACanales para AMPS en USA Para incentivar la competencia, la FCC licenci los canales a dos

operadores competidores, cada uno recibi la mitad de los canales.Los canales se distinguen como bloque A y bloque B

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Canales para AMPS en USACanales para AMPS en USA La razn para el salto entre 799 y 991, para los ltimos 33 canales,

es para facilitar los clculos en las estaciones mviles y tiene que ver con la realizacin de los clculos usando aritmtica de complemento de dos.


Canales para AMPS en USACanales para AMPS en USA De los 416 canales de cada operador, 395 son canales de voz y 21 son canales de

control.Bloque A

Voz: 1 a 312 Extendidos: ( 667 a 716) y (991 a 1023)

Control: 313 a 333Bloque B

Voz: 355 a 666 Extendidos: (717 a 799)

Control: 334 a 354

Los 395 canales de voz se dividen en 21 subconjuntos (1A,7A), (1B,7B), (1C,7C)Cada subconjunto tiene alrededor de 19 canales.

Ejemplo subconjunto 1A contiene (1,22,43,64,85,106,127,148,169,190,211,232,253,274,295,670,691,712,1003)

La separacin entre canales adyacentes dentro de una misma celda, dentro de un mismo subconjunto, es de 21 canales.

Canal 313 es de control.

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Canales para AMPS en USACanales para AMPS en USA


Canales para AMPS en USACanales para AMPS en USA

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Canales para AMPS en USACanales para AMPS en USA En un sistema con N=7 (mnimo tamao que provee la suficiente

separacin entre celdas co-canal.)Se tienen 395/7= 57 canales por celda.Cada celda utiliza 57/19=3 subconjuntos de canales.Los subconjuntos se asignan de tal manera que cada canal en la celda est separado

de los otros canales al menos el espacio equivalente a 7 canales.

Cada celda utiliza los canales de los subconjuntos dados por: iA + iB + iC, con i es un entero entre 1 y 7

NotaLa filas de canales sombreados en las figuras corresponden a los canales de control.


AMPS en USAAMPS en USA El sistema de primera generacin mas comn en Norteamrica fue AMPS

(Advanced Mobile Phone Service).Desarrollado por AT&T Bell Laboratories (a fines de los 70s).Instalado en Chicago por Ameritech a fines de 1983, cubriendo 2100 millas cuadradas.Tambin comn en Sudamrica, Australia y China.Ha sido reemplazado por sistemas de 2G.

Las bandas de frecuencia utilizadas y distribucin de canales fueron presentadas anteriormente.El nmero de canales es inadecuado para la mayora de mercados.El primer sistema AMPS utilizaba grandes celdas y antenas omnidireccionales en las estaciones

base.

NAM (Numeric Assignment Module)Mdulo en memoria solo de lectura.Contiene el nmero telefnico asignado por el proveedor del servicio y el nmero de serie

asignado por el fabricante.

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AMPS en USAAMPS en USA Se utiliza un patrn de reutilizacin N=7 con provisiones para sectorizacin y cell

splitting. SIR=18 dB para un rendimiento satisfactorio del sistema, obtenido con antenas direccionales de 120 grado.


AMPS en USAAMPS en USA Canales de Control

Los datos en cualquier tipo de canal (FCC, RCC) se transfieren en tramas.Formato de trama para un RCC

Considerando los overheads, la tasa de transmisin es de unos pocos cientos de bps.Ejemplos de mensajes RCC incluyen pedido de inicializacin de llamadas, repuestas a

pagings y otras confirmaciones.

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Formato de trama para un RCC Inicia con 48 bits del campo denominado precursor (prembulo).

30 bits para sincronizacin a nivel de bit (0s y 1s alternados). 11 bits para una palabra de sincronizacin (111000100010). 7 bits para el DCC (Digital Color Code).

Para distinguir las transmisiones en celdas co-canales.Es un identificador nico de una estacin base y sirve como una direccin de destino

para la trama RCC.

Luego se transmiten entre 1 y 6 palabras de datos.Para mejorar la confiabilidad, cada palabra es transmitida 5 veces en la misma

trama.

Cada palabra es de 48 bits (36 bits de datos y 12 bits para control de errores). Se usa una versin simplificada de un cdigo BCH de (n, k, t)= (63,51,5) Se usa una lgica de mayora para recuperar la palabra en la estacin base.



Formato de trama para un FCC

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Formato de trama para un FCCEjemplos de mensajes FCC: mensajes para pagings y para asignacin de frecuencias. Inicia con 21 bits

10 bits para sincronizacin a nivel de bit. 11 bits para una palabra de sincronizacin.

Luego se transmiten 2 palabras de datos.Para mejorar la confiabilidad, cada palabra es transmitida 5 veces en la misma

trama.

Cada palabra es de 40 bits. 28 bits de datos. 12 bits para control de errores (se usa una versin simplificada del cdigo BCH).

Cada trama FCC provee informacin sobre el estado (libre u ocupado) de la trama RCC correspondiente, usando bits busy/idle. Se inserta un bit cada 10 bits de la trama (421 bits permiten insertar 42 bits).El tamao total de la trama es (421 + 42=463)



Formato de trama para un FCCEl tamao total de la trama es 463 bits, de los cuales 2*28 bits son de datos.La tasa efectiva es por lo tanto 56/463*10 kbps= 1.2 kbps.

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AMPS en USAAMPS en USA Mientras los canales de voz estn en uso, tres tcnicas de

sealizacin se usan para mantener supervisin entre la estacin base y la estacin mvil.Wideband Data

Los datos se transmiten en modo blank and burst a 10 kbpsLa unidad mvil o la estacin base pueden insertar una rfaga de trfico,

deshabilitando la transmisin de voz en FM (y SAT, que se explica luego) por cerca de 100 ms y reemplazndola con mensajes codificados con FSK.

Los comandos se usan para intercambiar mensajes urgentes como:Cambios de nivel de potencia. Iniciar Handoffs.

Seales de supervisinSAT (Supervisory Audio Tone)ST (Signaling Tone)


AMPS en USAAMPS en USA Seales de supervisin

Cuando se asigna el par de canales de voz para una estacin mvil, tambin se asignan: SAT (Supervisory Audio Tone) VMAC (Voice Mobile Attenuation Code)

Para indicar al mvil que transmita a un nivel de potencia dado.SAT (Supervisory Audio Tone)

Se transmite continuamente en FVC y RVC (VOZ) durante una llamada. Tres frecuencias posibles mayores a las de la banda de audio (5970 Hz, 6000 Hz o 6030 Hz).

Los mviles y las BSs la usan para poder distinguirse entre s, frente a los usuarios co-canal ubicados en otras celdas.

Se usa una de las frecuencias y se trasmite durante toda la conversacin. Un mvil en una celda co-canal, transmitiendo a la misma frecuencia, tendr una frecuencia

de SAT diferente. Una estacin base puede rechazar la seal de una llamada interferente.

El mvil monitorea el FVC apenas inicia el uso de los canales de voz, y procede a detectar filtrar y demodular el SAT, para luego enviar el mismo tono para transmisin continua en el RVC.

Esto completa el lazo y la red est segura de que es el mvil correcto. Si el SAT no est presente o se detecta de forma incorrecta en un intervalo de 5s, se suspende la

transmisin y el MSC reutiliza los canales.

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ST (Signaling Tone) Generado por la unidad mvil. Uno de los usos:

Es una rfaga de datos a 10 kbps que indica el fin de una llamada indicada por el abonado. Mensaje de 1s y 0s alternados (10 kHz). Enviado en el RVC por el mvil por 200 ms. No se suspende el SAT como cuando se enva wideband data.

Se alerta a la estacin base de que le abonado ha terminado la llamada. Cuando un usuario termina una llamada o apaga su unidad (durante una llamada) .

Se asigna un SID (System Identifier) a cada operador.El SID se transmite continuamente (cada 0.8 s) en cada FCC junto con otros datos que indican

el estado del sistema. Informacin de cmo los roamers se registran automticamente. Como se maneja el control de potencia. Si se soportan otros estndares como USDC o AMPS de banda estrecha (N-AMPS).

Se revisan estos trminos mas adelante.Se programa en el mvil (15 bits).

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ETACS en EuropaETACS en Europa European Total Access Communications System

Desarrollado a mediados de los 80s.

Virtualmente idntico a AMPS.Est escalado para ajustarse a 25 kHz (en lugar de 30 kHz).Difiere en la manera de formatear el nmero telefnico de cada abonado (MIN).

Para acomodar los cdigos de pas en Europa.Para los canales reversos usa el rango 890 MHz a 915 MHz.Para los canales forward usa el rango 935 MHz a 960 MHz.


ETACS en EuropaETACS en Europa

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Control de PotenciaControl de Potencia Se controla la potencia para reducir la interferencia co-canal.

En la prctica, las estaciones base controlan constantemente los niveles de potencia de cada mvil.

Se trata de garantizar que cada mvil transmita la potencia mas pequea necesaria para mantener un enlace de buena calidad en los canales reversos.

Tambin ayuda a prolongar la vida de la batera del mvil y aliviar las preocupaciones respecto a la salud.

Sin embargo, reduce dramticamente el SIR de los canales reversos.


Control de PotenciaControl de Potencia Control de potencia de lazo abierto

Depende solo de la unidad mvil, sin realimentacin de la BS (la BS no enva mensajes de ajuste a la MS).

Se usa en algunos sistemas Spread Spectrum.La estacin base transmite continuamente una seal denominada piloto.El piloto permite que una unidad mvil adquiera la temporizacin y se usa para el

control de potencia.

El mvil monitorea el nivel recibido de potencia del piloto y setea la potencia transmitida en el canal reverso.

Asume que los niveles de los canales forward y reverso estn muy correlacionadas.No es tan exacto como el control de lazo cerrado, pero puede reaccionar de mejor

manera a fluctuaciones rpidas en los niveles de potencia.

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Control de PotenciaControl de Potencia Control de potencia de lazo cerrado

Ajusta el nivel de seal en el canal reverso basado en alguna mtrica del performance del canal reverso.

Nivel de potencia de las seales recibidasValor de SNRBER

La BS realiza la decisin del ajuste de la potencia y comunica al mvil mediante un comando en el canal de control.

Sirve tambin para el control de los niveles de potencia del canal forward. El mvil enva las mediciones realizadas a la BS, proveyendo informacin de la calidad

de la seal recibida a la BS.


Control de PotenciaControl de Potencia Ejemplo para GSM (TDMA)

La tabla presenta las power classes definidas en base a la potencia de salida.8 para los canales de la estacin base.5 clases para las estaciones mviles.

Se realiza los ajustes en ambas direcciones con control de potencia de lazo cerrado.

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Tcnicas para incrementar la capacidadTcnicas para incrementar la capacidad Cell Splitting

Subdivisin de las celdasSe subdivide una celda congestionada en celdas mas pequeas

Cada celda nueva (microcelda) con su propia estacin base Con reduccin en altura de la antena

Se usa antenna downtilting para enfocar la energa hacia tierra y no al horizonte, limitando el radio de cobertura de las nuevas celdas.

Con reduccin de la potencia de transmisinLa capacidad del sistema celular se incrementa debido a que se incrementa el nmero de veces

que se reutilizan los canales. Se incrementa el nmero de canales por unidad de rea de cobertura.

La capacidad se incrementa disminuyendo R pero manteniendo constante la relacin D/R. No se modifica el esquema de asignacin de canales requerido para mantener el valor mnimo de Q. No se ha incrementado el espectro disponible solo se ha reescalado el sistema.

Ejemplo: Si el radio de cada celda se reduce a la mitad (R/2), para cubrir toda el rea se requiere 4 veces mas

celdas (Area=pi*radio2) y por lo tanto cuatro veces mas estaciones base. En general, una reduccin en el radio en un factor F, reduce la cobertura e incrementa el nmero

requerido de estaciones base en F2.



En la figura las estaciones base se ubican en las esquinas de las celdas.Se asume que el rea servida por la estacin base A est saturada con trfico.

La tasa de bloqueo en A es inaceptable.La estacin base original A est ahora rodeada de tres microceldas de radio R/2.

Se han dispuesto de tal manera de preservar el plan de reutilizacin de frecuencias. As la estacin G de la nueva microcelda se ha ubicado en la mitad del camino entre las dos estaciones

grandes G, utilizando el mismo conjunto de frecuencias.

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Reduccin de potencia Para el caso en el que el radio de la nueva celda es R/2. Se estima la potencia en los lmites de la celda original y la nueva, y deben ser iguales.

Para el caso en que n=4, la potencia debe reducirse en 16 veces, o en 12 dB para mantener el SIR indicado.

La potencia del mvil debe ser tambin reducida.

nt

tPP2

12



En la prctica, no todas las celdas se subdividen al mismo tiempo.Es difcil disponer de infraestructura fsica.Celdas de diferente tamao pueden existir simultneamente.

Debe tenerse extremo cuidado para mantener las distancias mnimas entre las celdas co-canal.

Los canales de las celdas viejas se dividen en dos grupos: uno para el plan de reutilizacin de frecuencias en las celdas pequeas y otro para las grandes.Reduce la eficiencia de trunking del sistema.

El sistema puede crecer de forma ordenada.Se deben considerar aspectos del handoff para manejar trfico de usuarios viajando a

altas (celdas grandes) y bajas velocidades.

Las celdas grandes pueden usarse en reas rurales con bajo trfico, mientras las microceldas pueden usarse en las reas urbanas con alto trfico.

Los niveles de potencia no sern uniformes en las estaciones base.

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Tcnicas para incrementar la capacidadTcnicas para incrementar la capacidad Overlaid Cells

Cuando no todas las celdas son subdivididas.Una alternativa para mantener la distancia co-canal es usar celdas overlaid (dual,

recubrimiento).

Se utiliza la infraestructura de la estacin base existente (coexisten).Los canales de una celda tambin se subdividen en dos grupos.


Tcnicas para incrementar la capacidadTcnicas para incrementar la capacidad A medida que las celdas se hacen mas pequeas, la ubicacin de las antenas se mueven

de los techos de edificios o colinas a los techos de edificios mas pequeos o en las paredes de los edificios grandes. Al hablar de microceldas pueden estar en los postes.

Las microceldas son tiles en las calles de reas congestionadas, o en el interior de grandes edificios pblicos.

Average delay spread se refiere a la dispersin del retardo debido a los mltiples caminos de la seal (multipath); variacin del retardo entre la primera versin en llegar y la ltima.

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Tcnicas para incrementar la capacidadTcnicas para incrementar la capacidad

SectorizacinPara incrementar la capacidad otra

alternativa es mantener constante R y buscar mtodos para disminuir D/R.

Se debe reducir la interferencia relativa, sin disminuir la potencia transmitida.

En la prctica, el reducir la interferencia permite disminuir N, lo que incrementa la capacidad.

Se puede disminuir la interferencia co-canal reemplazando una nica antena omnidireccional en la estacin base por varias antenas direccionales, cada una radiando en un sector especfico.


Tcnicas para incrementar la capacidadTcnicas para incrementar la capacidad Sectorizacin

Usando antenas direccionales, una celda dada recibir interferencia de solo una fraccin de las celdas co-canal.

El factor en el que se reduce la interferencia co-canal depende de la cantidad de sectorizacin utilizada.

Una celda normalmente se particiona en tres sectores de 120 grados o seis sectores de 60 grados.

Los canales en una celda en particular se dividen en grupos y se usan en un sector.

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Asumiendo N=7, para sectores de 120 grados, el nmero de celdas interferentes se reduce de 6 a 2.

La celda en el centro (amarillo), recibe interferencia solo de 2 celdas, las que estn a su izquierda (azul y caf).

Se puede calcular que el SIR=24.2 dB, que es una mejora significativa respecto al SIR obtenido con la configuracin omnidireccional (17 dB).

En sistemas prcticos se obtiene mejoras adicionales en el SIR utilizando downtilting en las antenas, factible en un esquema sectorial.



SectorizacinEl peor caso de SIR es:

Para N=7 se tiene D/R=4.6, y con ello se obtiene un SIR de 24.5 dB.Con sectorizacin de 60 grados, hay solo una celda interferente principal a una

distancia D, lo que resulta en un SIR de 26.5 dB.

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Sin sectorizacin se obtiene un SIR de 18 dB con N=7 para la opcin omnidireccional, pero se debe recordar que para el peor caso se requiere estrictamente N=12.

Con sectorizacin se obtiene una reduccin en la interferencia que se traduce en un incremento de la capacidad en un factor de (12/7=1.714).

En la prctica, la reduccin en la interferencia ofrecida por sectorizacin permite a los diseadores reducir el valor de N, y provee grados adicionales de libertad para la asignacin de canales.

La penalizacin es: El incremento de antenas en cada estacin base. El decremento de la eficiencia de trunking.

Provoca prdida de trfico, especialmente en reas urbanas en donde los patrones de las antenas direccionales no son efectivos al considerar los efectos de propagacin.

El incremento de handoffs Las estaciones base soportan sectorizacin y permiten realizar handoffs entre sectores dentro

de la misma celda, sin la intervencin del MSC.

Con esta observacin no se considera crtico el problema del handoff.



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Tcnicas para incrementar la capacidadTcnicas para incrementar la capacidad Microcell Zone Concept

El mayor nmero de handoffs requeridos en el esquema sectorizado, representa una mayor carga para los elementos de conmutacin y control del enlace.

Se ha presentado una solucin basada en microceldas para el caso N=7.Cada una de las tres zonas (representadas

por Tx/Rx ), estn conectadas a una sola estacin base y comparten el mismo equipo de radio.

Pueden existir mas de tres zonas.Las zonas estn conectadas usando cable

coaxial, fibra ptica o microondas.

Las antenas se ubican en los lmites de la celda y la estacin base puede asignar cualquier canal a cualquier zona (mejor que sectorizacin).



A medida que un mvil se desplaza de una zona a otra dentro de una celda, retiene el mismo canal y no se requiere un handoff en la MSC.

El mvil es atendido por la zona con la seal mas potente, al desplazarse por la celda.La estacin base simplemente conmuta el canal a otra zona (no asigna un nuevo

canal).Un canal est activo solo en una zona en un instante dado, lo que permite que la

radiacin de la estacin base est localizada (solo en el rea de una zona y no en toda la celda) y la interferencia se reduce.

La interferencia se reduce tambin por el hecho que se reemplaza una nica y gran estacin base por varios transmisores de baja potencia.

Se mejora la calidad de la seal y se incrementa la capacidad sin degradacin de la eficiencia de trunking causada por el esquema de sectorizacin.

Los canales se distribuyen en tiempo y espacio entre las tres zonas y son reutilizadas entre celdas co-canal de la forma comn.Se enfatiza que el rea de cobertura de la celda no ha cambiado.

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Microcell Zone ConceptRecordar que para AMPS en USA, se requiere un SIR=18 dB para un performance

satisfactorio utilizando FM.Un sistema de N=7 produce un D/R=4.6 que cumple el requerimiento.

Para el sistema con zonas:Dado que la transmisin en cualquier instante est confinada a un zona en particular, y

no se realiza en toda la celda original, con un Dz/Rz=4.6 puede conseguirse el performance necesario.

Dz es la distancia mnima entre zonas co-canal activas (cualquiera de las zonas dentro de una celda puede estar usando un canal particular a un t dado).

Rz es el radio de la zona.En la figura:

Cada hexgono individual representa una zona.Cada grupo de tres hexgonos representa una celda.Rz es aproximadamente igual al radio de un hexgono.



La capacidad del sistema por zonas est directamente relacionada a la distancia entre celdas co-canal y no zonas pues no se ha cambiado la distribucin de canales ni el facto de reutilizacin.

La distancia a considerar es D. El radio de la celda es R.

En la figura se representa un valor Dz/Rz=4.6; para este valor, se puede observar de la figura que D/R=3

R=2Rz (aproximadamente).Un D/R=3 corresponde a un N=3.La reduccin de N de 7 a 3 implica un

incremento de 7/3=2.33 en la capacidad.Para el mismo SIR de 18 dB, este sistema

provee un incremento significativo en la capacidad.

Se puede demostrar que para el peor caso el SIR obtenido es de 20 dB.

Un margen extra de 2 dB en el peor de los casos.

62


Trunking y GOSTrunking y GOS Trunking/Troncalizacin

Este concepto permite a un gran nmero de usuarios compartir un nmero relativamente pequeo de canales en una celda, permitiendo el acceso a cada usuario, bajo demanda, de un pool de canales disponibles.

Cada usuario es asignado un canal durante la llamada, y una vez terminada la llamada, el canal previamente ocupado es inmediatamente retornado al pool de canales disponibles.

Este concepto explota el comportamiento estadstico de los usuarios de tal manera que un nmero fijo de canales o circuitos pueden atender a un gran nmero, aleatorio, de usuarios.

Las compaas telefnicas tambin utilizan la teora de trunking para determinar el nmero de circuitos telefnicos que deben asignarse a edificios de oficinas con cientos de telfonos.

Hay un compromiso entre el nmero de circuitos telefnicos y la posibilidad de que un usuario particular encuentre que no hay circuitos disponibles durante la hora pico de llamadas.


Trunking y GOSTrunking y GOS Trunking

En un sistema de radio mvil que emplee trunking, cuando un usuario solicita servicio y todos los canales de radio estn en uso, el usuario es bloqueado (acceso al sistema negado).

En algunos sistemas se puede utilizar una cola para mantener los pedidos de los usuarios hasta que un canal est disponible.

Para el diseo de sistemas de radio que usen trunking se requiere entender la Teora de trunking y la Teora de colas.

Teora de trunking Las bases fueron desarrolladas por el matemtico dans A. K. Erlang a fines del siglo 19.

Estudi como poda atenderse una gran poblacin con un nmero limitado de servidores.

Su nombre es la medida de la intensidad de trfico. Un Erlang representa la cantidad de intensidad de trfico transportado por un canal que est

completamente ocupado ( una llamada de 1 hora por hora o una llamada de 1 minuto por minuto).

Un canal de radio que est ocupado por 30 minutos durante una hora lleva 0.5 Erlangs de trfico.

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Trunking y GOSTrunking y GOS GOS

Grade of Service (Grado de Servicio)Es una medida de la habilidad del usuario para acceder a un sistema que usa trunking durante

la hora mas ocupada. La hora mas ocupada est basada en la demanda del cliente en el periodo de 60 minutos en un da

cuando el trfico es mas alto, a largo plazo (durante una semana, mes o ao).

La UIT recomienda encontrar el promedio en los 30 das mas ocupados del ao. En USA se reporta que las horas ocupadas para sistemas celulares tpicamente ocurren entre 4 y 6

pm en un jueves o viernes.

Es la tarea del diseador estimar la capacidad mxima requerida y reservar el nmero de canales adecuados para cumplir con el GOS.

El GOS es tpicamente especificado como la probabilidad que una llamada sea bloqueada, o la probabilidad de que una llamada experimente un retardo mayor que un tiempo fijo de encolamiento.

AMPS est diseado para un GOS del 2% de bloqueo. 2 de cada 100 llamadas sern bloqueadas debido a la ocupacin de los canales durante la hora

mas ocupada.


Trunking y GOSTrunking y GOS Ver H, A,

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Trunking y GOSTrunking y GOS



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Trunking y GOSTrunking y GOS El trfico ofrecido no es necesariamente el trfico transportado

por el sistema.Cuando el trfico excede la capacidad mxima del sistema, el trafico transportado es

limitado por la capacidad limitada (es decir por el nmero limitado de canales).

El mximo trfico transportado posible es el nmero total de canales C, expresado en Erlangs.

Tipos de sistemas con trunking que se usan frecuentemente:Sin colas para los pedidos de llamadas (blocked calls cleared)Con colas para los pedidos de llamadas (blocked calls delayed)

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Trunking y GOSTrunking y GOS Blocked calls cleared (Llamadas bloqueadas son descartadas)

Lost calls cleared (LCC)Se asume que para todo usuario que solicita servicio:

No se requiere tiempo de establecimiento. Se concede acceso inmediato a un canal si existe uno libre. Si no hay canales disponibles, el usuario es bloqueado sin acceso y est en libertad de intentar mas

tarde.

Consideraciones del modelo: El nmero de llegada de pedidos de llamadas est determinado por una Distribucin de Poisson. Hay un nmero infinito de usuarios. La llegada de las peticiones carecen de memoria.

Todos los usuarios, incluyendo los bloqueados, pueden solicitar un canal en cualquier instante. Los tiempos entre llegadas, y la duracin de las llamadas estn exponencialmente distribuidos.

Llamadas mas largas son menos probables de ocurrir. Existe un nmero finito de canales disponibles en el pool.

Se conoce como una cola M/M/m y conduce a la derivacin de la frmula denominada Erlang B



La frmula determina la probabilidad que una llamada se bloquee y es una medida del GOS para un sistema con trunking y que no provee colas para las llamadas bloqueadas. C es el nmero de canales A es el trfico total ofrecido Valores en el rango [0.01, 0.001] son considerados muy buenos.

Un modelo de trfico tambin debe considerar si se asume que el nmero de usuarios es finito o infinito. Para el caso infinito se asume una tasa de llegada constante.

La frmula Erlang B se usa porque el nmero de usuarios es generalmente mayor que los canales ofrecidos en varios rdenes de magnitud, por lo que asumir infinitos fuentes es razonable.

Es posible establecer un modelo con un nmero finito de usuarios, pero las expresiones resultantes son mas complicadas. La tasa de llegada dependen de cuantos usuarios estn ya participando en una llamada.

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Eficiencia de trunking Es una medida del nmero de usuarios a los cuales se les puede ofrecer un GOS particular con una

configuracin particular de canales fijos.

La forma en la cual los canales se agrupan pueden alterar sustancialmente el nmero de usuarios manejados por el sistema.

En resumen, se pueden deducir dos puntos importantes de la tabla anterior: Un sistemas de mayor capacidad es mas eficiente que un sistema de menor capacidad para un GOS

dado.

Un sistema de mayor capacidad es mas susceptible a un incremento en el trfico.

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Trunking y GOSTrunking y GOS Blocked calls delayed (Llamadas bloqueadas son retrasadas)

Lost calls delayed (LCD)Se provee una cola para las llamadas que son bloqueadas.

Si no hay un canal disponible inmediatamente, el pedido puede ser diferido hasta que haya un canal disponible.

Su medida de GOS se define como la probabilidad de que una llamada sea bloqueada despus de esperar un periodo de tiempo especificado en la cola.

Para encontrar el GOS, primero es necesario encontrar la probabilidad de que a una llamada inicialmente se le niegue acceso al sistema.

La probabilidad de que una llamada no tenga acceso inmediato a un canal est determinada por la frmula Erlang C

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Si no hay canales disponibles inmediatamente la llamada sufre retardos, y la probabilidad de que una llamada sea obligada a esperar mas de t segundos es:

Calculadoras en lnea, sin costo, estn disponibles en:http://www.erlang.com/calculator/erlb/

http://www.erlang.com/calculator/erlc/

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Trunking y GOSTrunking y GOS Ejemplo



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Ivn Bernal, Ph.D.Rev. Abril 08


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Trunking y GOSTrunking y GOS Efecto del handoffLa tasa de llegada de llamadas a una celda tiene dos

componentes:Nuevas llamadas solicitadas por las unidades mviles en la celda.Las llamadas que son manejadas por la celda debido a los handoffs.

= 1 + 2

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AntenaAntena

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DowntiltingDowntilting

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EquiposEquipos www.nortel.com

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GSM


Cell on Wheels (cow)Cell on Wheels (cow)

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Cell on Wheels (cow)Cell on Wheels (cow)

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Cell in a box (CIAB)Cell in a box (CIAB)

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Drive TestDrive Test

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SoftwareSoftware

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SoftwareSoftware

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Celular Es

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