Tema N°1_UBA_2014

Ing. Panessi, Juan Marcelo

[email protected]

Especialización en ingeniería en Telecomunicaciones

EGRIET

Redes Inalámbricas Estructuras Celulares

10 de Junio de 2014

Tema N° 1

EGRIET

Redes inalámbricas – Panessi Marcelo Página 2

Tabla de contenidos de la materia y fechas importantes

Temas de desarrollar

Fecha Clase Tema Descripción

martes, 10 de junio de 2014 1 1 Introducción conceptos básicos

martes, 17 de junio de 2014 2 2 1G y comienzo de 2G

martes, 24 de junio de 2014 3 2 2G continuación

martes, 01 de julio de 2014 4 3 2G continuación y mediciones

martes, 08 de julio de 2014 5 4 3G

jueves, 10 de julio de 2014 6 4 3G continuación, 3.5G y 3.75G

martes, 15 de julio de 2014 7 5 4G

jueves, 17 de julio de 2014 8 5 4G continuación, Comienzo de Planificación

martes, 22 de julio de 2014 Receso - -

martes, 29 de julio de 2014 9 6 Planificación continuación

miércoles, 06 de agosto de 2014 10 Parcial 1er instancia

miércoles, 20 de agosto de 2014 - Recuperatorio 2da instancia

Presentación de la materia

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Metodología de evaluación de la materia

– Asistencia: no considerada, pero altamente recomendada.

– Trabajos prácticos: No.

– Examen escrito (clases > 400 slides), con dos oportunidades para aprobar

• Parcial, primera oportunidad

– 06 de Agosto

– Condición de aprobación: Ej. 50% de cada ejercicio bien realizado

• Recuperatorio, segunda oportunidad de aprobar el modulo

– 20 de Agosto

– Condición de aprobación: <x> ítems de cada ejercicio bien realizado

– Examen oral o coloquio: No.

Presentación de la materia Requisitos de aprobación

Contenido Tema N° 01

Reseña histórica sobre el origen de la telefonía celular.

Telefonía celular hoy, estadísticas globales.

Evolución del mercado en Argentina.

Conceptos básicos de la telefónica celular,

-Reuso de frecuencia.

-Control de potencia.

-Handover.

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1820 Christian Oersted descubre que campos magnéticos son generados por corriente eléctrica al atravesar un conductor.

Reseña histórica Origen de la telefonía celular

1831 Michael Faraday descubre la inducción electromagnética.

1830 Joseph Henry realiza la primer transmisión de señal eléctrica con fines prácticos.

[Antecesor del telégrafo]

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1837 Samuel Morse inventa el telégrafo con fines prácticos (1843 lo patenta).


El 18 de Octubre de 1842 Morse hace un tendido de cables entre la isla Governor y Castle Garden en New York (aproximadamente 2 Km).

– Primer transmisión inalámbrica, hecha sobre agua.

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1864 James Maxwell, escribe el paper “Teoría dinámica de los campos electromagnéticos”.


1876 Grahan Bell, patenta el teléfono.

Antonio Meucci

inventor del

teléfono? (2002)

1888 Heinrich R. Hertz, demuestra la existencia de las ondas electromagnéticas.

– Pone en marcha la telegrafía sin hilos.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/75/Antonio_Meucci.jpg

http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Heinrich_Rudolf_Hertz.jpg

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1897 Guglielmo Marconi, establece el primer sistema de radio practico y exitoso.

1893 Nicolai Tesla, origen de las transmisiones inalámbricas.

Patente N° 7.777

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1921 Policía de Detroit, primer sistema de despacho a autos, similar al paging actual.

– 1929 la policía ya utilizaba un sistema full duplex, se realizo la emisión de 22598 mensajes, en base a estos se realizaron 1325 arrestos con un tiempo medio de respuesta de 1 minuto 42 segundos.

1934 se crea la FCC (Comision Federal de Comunicaciones).

1945 EK. Jett insinúa un esquema de red celular “small zone system”.

1946 San Luis, Missouri, AT&T y Southwestern introducen el primer sistema de radio telefonía.

1947 DH. Ring articula el concepto para la telefonía celular.

1964 se crea el MTS (Sistema de telefonía móvil), la conmutación de canales era automática. [0G]

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1971 gran demanda de telefonía móvil, sistema saturado, se comienza a delinear los principios para la implementación de la radio celular.


1973 Martin Cooper considerado padre de la telefonía celular, realiza la primer llamada.

1979, NTT (Nippon Telegraph and Telephone Corporation) primer red comercial de telefonía celular, Tokio 23 RBS y 20 MM habitantes.

1981, NMT (Nordic Mobile Telephone) países Nórdicos, primer sistema celular de Europa con roaming internacional.

1983, AMPS (Advance Mobile Phone Service) comienza a operar en Estados Unidos.

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’80 Incompatibilidad entre sistemas analógicos Europeos. Se comienza a para diseñar un solo estándar Europeo digital, con funcionalidades avanzadas y fácil de hacer roaming, GSM (Groupe Special Mobile)

1982, 26 compañías comienzan a desarrollar GSM (Global System for Mobile Communications), triunfo de la unidad Europea.

1989 ETSI (European Telecommunication Standard Institute) toma la responsabilidad sobre el desarrollo de GSM. [1991 primer red, Finlandia]

1994 Qualcomm propone un sistema celular basado en spread spectrum, CDMA.

1998 el IMT-2000 propone al sucesor de GSM, UMTS. [2001 primer red, Japón]

2004 se busca el nuevo eslabón en la cadena evolutiva de 3G, aparece LTE.

2009 Dic, primer red comercial de 4G LTE. [Noruega y Suecia]

2013 Mayo, Samsung anuncia pruebas de laboratorio en 5G…


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Telefonía celular hoy Estadísticas

http://www.4gamericas.org/

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Proyección de usuarios móviles

9.3 Millardos de subscriptores, 60% smartphones

65% población mundial cubierta con LTE

Tráfico x10 (video +55% por año)

2019

http://www.4gamericas.org/

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Tráfico

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Mercado Argentino

Lín

eas

tele

fonía

celu

lar

Penetr

ací

on s

erv

icio

móvil

Lín

eas

tele

fonía

celu

lar

Penetr

ací

on s

erv

icio

móvil

Líneas en uso

0

10,000,000

20,000,000

30,000,000

40,000,000

50,000,000

60,000,00019

90

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

160%

0

5,000,000

10,000,000

15,000,000

20,000,000

25,000,000

30,000,000

35,000,000

40,000,000

2006 2007 2008 2009 2010 2011

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

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Mark

et

Share

- L

íneas

Mark

et

Share

- $

MM

0

5,000,000

10,000,000

15,000,000

20,000,000

25,000,000

2007 2008 2009 2010 2011

Claro Personal Movistar Nextel

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

12,000

14,000

2007 2008 2009 2010 2011


35%

33%

30%

2%


32%

32%

29%

7%

Personal Movistar Claro Nextel

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1985 La SeCOM (Secretaria de Comunicaciones) opta por AMPS.

1989 Privatización de la Empresa Nacional de Telecomunicaciones (ENTel)

– Movicom en AMBA, 9 RBS en banda B (880 a 890 Mhz, DL).

1990 Se crea la Comisión Nacional de Telecomunicaciones (CNT).

– STET y France Telecom en el Norte (Telecom), y Telefónica de Argentina en el Sur.

1993 Se ofrece usufructo de banda A a empresas de telefonía fija

– AMBA, Miniphone (Telecom + Telefónica) oligopolio.

1994 Separación del país en tres zonas

– CTI (Grupo Clarín) interior, Miniphone AMBA.

1996 Unifon (Telefónica) en zona III y Personal (Telecom) en zona I.

1998 Nextel.

1999 Se licita PCS.

2003 América Móvil compra CTI, comienza despliegue GSM.

Evolución en Argentina Telefonía celular

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2004 Se anuncia la compra de Movicom por parte de Telefónica, se dispara GSM.

2005 Aparece Movistar.

2006 Movistar cede espectro.

2007 (Junio) Movistar implementa UMTS en AMBA.

2010 Movistar realiza pruebas de laboratorio y campo sobre de la tecnología LTE (AWS 4G), luego Personal también hace lo suyo.

2012 (Diciembre) Decreto 2426/12, subasta de espectro se suspende y se asigna a ARSAT S.A.

– Se anuncia la creación de Libre.ar, “futuro” operador móvil estatal.

2014 (Mayo) Decreto 671/14, se deja sin efecto hito anterior. Se anuncia nueva subasta de espectro para LTE y el que tenía ARSAT S.A. (+13 años sin regulación)

Evolución en Argentina Telefonía celular

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Reuso de frecuencia

D

Donde

F1

F1

R

D Distancia de reuso --

R Radio de celda --

d

d Distancia entre celdas --

J o J/3J Factor de reuso --

Conceptos básicos

Esquema, situación no real.

– Cluster,

• Conjunto de celdas que no reutilizan frecuencias entre si.

• Conjunto de frecuencias diferentes utilizadas en un grupo de celdas.

Telefonía celular

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– Coordenadas oblicuas, punto (i,j)

3 Rd

2222 )( djijiD

21

22 3)( jijiR

D

– Distancia de reuso discretas, dependen de la geometría de la red.

# Ejemplo con i = 1 y j = 1

393)1111( 21

21

22 R

D

Telefonía celular Conceptos básicos

R

d

D

D

i

j

i

j

jijiD cos2222

120°

Teorema Coseno

F1

F1

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2

33 2RSc

ca SJS

2

3

1

R

DJ

jijiJ 22Condición geométrica

Sa Área de agrupación

Sc Área de celda

JJ 3/Factor de reuso

o tamaño de cluster

Ec.4

Ec.5

Ec.6

Ec.7

Ec.8

Ec.9

De la Ec. 3 y la Ec. 7 se deduce,

D

3

DRa

2

3

2

33 22DR

S aa

RJD 3Cluster A Cluster B

JfR

D

Al aumentar J, aumenta D

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Conceptos básicos

– Elección de J

• relación de compromiso entre eficiencia espectral (capacidad) y calidad,

i j J

1 0 1

1 1 3

2 0 4

2 1 7

3 0 9

2 2 12 Redes analógicas,

AMPS, TDMA

Redes 2G, GSM

Redes 2G y 3G, CDMA, WCDMA

– Posibles valores del factor de reuso, aplicación:

J Distancia de reuso Interferencia Frecuencias Eficiencia espectral

Telefonía celular

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Conceptos básicos

Reuso 7

Reuso 4/12

No adyacencias!!

[Reuso 7] (2,1) J = 7 D/R = 4,6

1

2

3

4

D/R

Telefonía celular

http://mobileindonesia.net/wp-content/uploads/2007/06/freqreuse.JPG

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rkI

RkC

m

mr

R

I

C

Celdas omnis

)()(2

1

RDDRD

R

I

C

)1()1(

1

2

1

qqqI

C

Celdas direccionales

)7.0(

1

qqI

CR Distancia a servidora --

r Distancia a la interfer. --

Donde

Conceptos básicos

C

I1

I2

I3

I4

I5

Ic

R

Dq

Telefonía celular

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– Relación de protección

dBRI

Cp

recomendado 12 dB

GSM 05.05 Rp = 9 dB

– Ejercicio: comprobar que la tecnología GSM soporta un reuso 4/12.

Consideraciones

• (2,0) J = 4

• Alfa = 3,84

• Rp = 12 dB

46,3123)( 21

22 jijiR

Dq

dB

I

C7,10

146,346,3146,3

1

2

184,384,384,3

Patrón 4 teórico

10,7 – 9 = 1,7 dB de Margen (omni)

Conceptos básicos

Telefonía celular

19 – 9 = 10 dB de Margen (sectorial)

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Control de potencia

– Objetivo: disminuir interferencia.

Handover, Handoff, Traspaso

– Objetivo: mantener buena calidad en la llamada y continuidad de la misma, manteniendo la conexión con el máximo nivel de señal posible. Otro, es controlar el área de cobertura de una celda para evitar o minimizar interferencias.


r

rA

B

TU3

Amos E. Joel, Jr Bells Labs 1972

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r

BSC

MSC

MS, mediciones

de nivel de señal

y calidad DL. Nivel de señal

desde las celdas

vecinas

RBS, mediciones

de nivel de señal

y calidad UL

Evaluación y

decisión sobre

el hand over

Umbral HO

HO histéresis

SSs SSn Nivel de señal - SS

• Condiciones de disparo

− RxLev < Umbral

− RxQual > Umbral

− TA > Umbral

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Erlang

– Unidad adimensional utilizada como medida estadística del volumen de tráfico.

– Ecuación de Erlang B: la probabilidad de que una llamada no sea cursada por la red debido a que todos lo recursos disponibles se encuentran ocupados

A.K. Erlang 1878-1929

s

k

k

s

b

ka

sa

asP

0!

!),(

Donde

Pb(s,a) Probabilidad de bloqueo --

s Numero de canales --

a tráfico ofrecido Erl.

Sucesos con perdidas, no hay proceso de encolamiento.

Intentos de llamados, Poisson.

Duración de llamadas, Exponencial negativa.

S >> a, S infinito

Población infinita (usuarios)

1 Erlang

– 1 recurso utilizado en forma continua durante T

– 2 recursos utilizados al 50% durante T

– 4 recursos utilizados al 25% durante T

Donde T suele considerarse igual a 1 hora.

Conceptos básicos

Telefonía celular

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Cálculos con Erlangs

– Eficiencia de trunking

Canales Probabilidad de Bloqueo

0.50% 1% 2% 5%

1 0.01 0.01 0.02 0.05

2 0.11 0.15 0.22 0.38

3 0.35 0.46 0.60 0.90

4 0.70 0.87 1.09 1.52

5 1.13 1.36 1.66 2.22

6 1.62 1.91 2.28 2.96

7 2.16 2.50 2.94 3.74

8 2.73 3.13 3.63 4.54

9 3.33 3.78 4.34 5.37

10 3.96 4.46 5.08 6.22

11 4.61 5.16 5.84 7.08

12 5.28 5.88 6.61 7.95

13 5.96 6.61 7.40 8.83

14 6.66 7.35 8.20 9.73

15 7.38 8.11 9.01 10.63

16 8.10 8.88 9.83 11.54

17 8.83 9.65 10.66 12.46

18 9.58 10.44 11.49 13.39

19 10.33 11.23 12.33 14.31

20 11.09 12.03 13.18 15.25

Pb = 2%

6 ch por sector

Sector A 2.28 Erl

Sector B 2.28 Erl

Sector C 2.28 Erl

Total: 6.82 Erl

Pb = 2%

18 ch por sector

Sector O 11.49 Erl

Total: 11.49 Erl

En una ciudad con una población de 2.000.000, hay tres redes de telefonía celular (A, B y C). La red A tiene 394 celdas con 7 canales cada una, la red B tiene 98 celdas con 14 canales cada una, y la red C tiene 32 celdas con 100 canales cada una.

¿Cuántos usuarios puede manejar cada red con un 2% de probabilidad de bloqueo, si cada usuario realiza un uso medio de 100 minutos mensuales (7,94mE)?

– Ejercicio N°1


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Ejemplo de reuso de frecuencia y cálculos mediante Erlang B

– Calcular la capacidad ofrecida por una antena con la siguiente configuración

• Radio 10 km

• Pb = 1%

• 40 CHs

Probabilidad de Bloqueo

Canales 1% 2% 5%

35 24.6 26.4 29.7

36 25.5 27.3 30.7

37 26.4 28.3 31.6

38 27.3 29.2 32.6

39 28.1 30.1 33.6

40 29.0 31.0 34.6

41 29.9 31.9 35.6

42 30.8 32.8 36.6

43 31.7 33.8 37.6

44 32.5 34.7 38.6

45 33.4 35.6 39.6

r

tráfico ofrecido = 29 Erl

Superficie cubierta = 314 Km2

Densidad de tráfico = 0,1 E / Km2

Cifra exigua, normalmente 5 a 10 veces mayor


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Si se considera una densidad de tráfico más realista, por ejemplo 1 Erl / Km2,

tráfico a cursar = 1 Erl / Km2 x 314 Km2 = 314 Erl

Erl

Canales 314

35 88.9%

36 88.6%

37 88.3%

38 87.9%

39 87.6%

40 87.3%

41 87.0%

42 86.7%

43 86.4%

44 86.0%

45 85.7%

Probabilidad de Bloqueo

Erl 1% 2% 5%

310 334 324 307

311 335 325 308

312 336 326 309

313 337 327 310

314 338 328 311

315 339 329 312

316 340 330 313

317 341 331 314

318 342 332 315

319 343 333 316

320 344 334 317

La probabilidad de

encontrar un

recurso libre

es muy baja,

la gente no se

podría

comunicar, un

valor típico es

de 2%

Muy superior a los 40

preestablecidos en el problema.

NO posibilidad de

crecimiento en capacidad.


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– Calcular la capacidad ofrecida por un sistema de antenas de baja altura y potencia

• Radio de celda 1,5 Km

Área de celda = 7,1 Km2

Número de celdas para cubrir 314 km2 = 45

Si el tráfico ofrecido es 314 Erl tráfico por celda = 7,1 Erl

Si fuera posible la reutilización en celdas adyacentes, empleando los 14 mismos canales en las 45 celdas, se prestaría el mismo servicio que la solución primera que exigía 338 canales.

Conceptos básicos

Probabilidad de bloqueo

Telefonía celular

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El efecto de la interferencia1 genera disminución en el

rendimiento espectral, se paso de 14 a 84 canales.

Disminución de un 75% de

canales necesarios

– Empleo de un patrón de reuso 4/12 (caso realista)

Patrón 4/12 teórico, i=2 j=0

– Cluster: conjunto de celdas que emplean

grupos de canales diferentes. 12 Celdas

12 celdas x 7 chs/celda = 84 chs

– Se emplean 12 cluster para alcanzar las 45 RBS necesarias. Por lo tanto, cada

frecuencia será reutilizada 12 veces.


(1) Método de acceso TDMA+FDMA

Lo aprendido Tema N° 01

Mercado

6.8 mil millones de usuarios móviles en el mundo @ diciembre 2013.

El 90% de los usuario móviles usan tecnologías del 3GPP (GSM,WCDMA,HSPA,LTE).

Reuso de frecuencia,

Concepto básico en la telefonía celular.

Permite aumentar la eficiencia espectral (tráfico cursado/espectro utilizado)

Existe una relación de compromiso entre eficiencia espectral y calidad percibida.

Cada tecnología tiene una relación C/I mínima que limita el menor factor de reuso soportado.

Factor de reuso relacionado con la topología de la red (concepto de cluster) y espectro mínimo.

Erlang

Unidad empleada para medir volumen de tráfico.

Erlang B, permite calcular el grado de servicio de una red según el tráfico cursado y los recursos

disponibles.

Concepto de eficiencia de truncking.

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Final de clase Tema 1

Muchas Gracias

por su atención

Redes Inalámbricas – Estructuras Celulares

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Reuso de frecuencia

– Operador X,

• Celdas ≈ 16

• Espectro disponible: 0.8 MHz 4 canales

• Cantidad de canales promedio por celda: 1


Cada canal es reusado

4 veces

CH 1 CH 2 CH 3 CH 4

– Ejemplo

CH 1 CH 2

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– Diferencia teórica y practica,


Teoría: distribución de celdas, honeycomb Teoría: reuso de frecuencias

Practica: distribución de celdas Practica: reuso de frecuencias

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– Operador M, región AMBA, se considera una de las dos bandas:

• Celdas ≈ 1300

• Espectro disponible: 5 MHz, 21 canales

• Cantidad de canales promedio por celda: 1


Cada canal es reusado, en promedio, 62 veces

100 km

Reusos de canales

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Red donde planificar Red con reuso 7 Red con reuso 4

i = 2

j = 1

J = 7

D/R = 4.6

Frecuencias min. = 7

Eficiencia = Trafico/7

i = 2

j = 0

J = 4

D/R = 3.4

Frecuencias min. = 4

Eficiencia = Trafico/4

Tema N°1_UBA_2014

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