TELEFONIA CELULAR (4)

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TELEFONIA CELULAR (4)
Autor: MÁRCIO RODRIGUES

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Interferência é o maior fator limitante no desempenho de sistemas celulares. Fontes de interferência incluem outro móvel na mesma célula, uma chamada em andamento em uma célula vizinha, outras estações base operando na mesma faixa de freqüências ou algum sistema não-celular que cause interferência ao sistema celular. Interferência em canais de voz provoca efeitos de cross talk enquanto que interferência em canais de controle pode causar a perda e o bloqueio de chamadas devido a erros na sinalização digital. Os dois principais tipos de interferência gerada no próprio sistema celular são a interferência cocanal e a interferência de canal adjacente.

O reuso de freqüência implica em que, em uma dada área de cobertura, existam algumas células que utilizam um mesmo conjunto de freqüências. A interferência entre essas células é denominada interferência cocanal. Ao contrário do ruído térmico, que pode ser combatido através do aumento da relação sinal-ruído (SNR), o aumento na potência de transmissão é prejudicial nesse caso, pois essa medida aumentaria a interferência em células cocanal vizinhas. Para reduzir a interferência cocanal as células cocanal devem ser espaçadas por uma distância mínima, de forma que seja garantido um isolamento adequado entre elas.^[1]

O cálculo de interferência é feito através da relação entre o sinal desejado e os sinais interferentes, S/I. Para uma geometria hexagonal de clusters o cálculo baseia-se na Figura 2-10 ^[3].

Na Figura 2-10 estão representadas as seis primeiras células cocanal da célula central. As células são pertencentes aos seis clusters vizinhos ao cluster central. As seis células interferentes constituem o que se chama de primeiro anel interferente. Será apresentado o cálculo da relação sinal desejado / interferência relativa à interferência que as bases vizinhas geram em um móvel que se comunica na mesma freqüência com a base de sua célula (analogamente, o cálculo também funciona para a interferência que móveis nas células vizinhas causam na base central).

Seja S o nível de sinal desejado no móvel e I o nível total de interferência. O sinal S e o sinal I_k oriundo de uma das fontes de interferência podem ser expressos por: ^[3
]

g - taxa de variação da perda de propagação com a distância, dependente do relevo e construções (é o expoente de atenuação do sinal com a distância)

d @ R (móvel no extremo da célula, pior situação teórica para recepção do sinal desejado).

A expressão final (2-16) considera interferência apenas do primeiro anel de células interferentes. Neste ponto, é interessante observar que o aumento do grau de urbanização de uma região, levando ao conseqüente aumento do expoente de atenuação com a distância, g, leva à melhoria da relação S/I, ou seja, regiões altamente urbanizadas contribuem para o isolamento do sinal entre células cocanal. Embora as células do primeiro anel sejam as que mais contribuam para a interferência, se é desejado um cálculo de S/I mais realista, as contribuições do segundo anel (doze células), terceiro (dezoito células) e quantos mais forem necessários para a precisão requerida, devem ser computadas. A expressão a seguir, fornece S/I para o número desejado de anéis interferentes:

Um pequeno valor de q provê maior capacidade de usuários, uma vez que o tamanho de cluster N é pequeno (já analisado com auxílio da expressão (2-12)); por outro lado, um alto valor de q permite melhoria na qualidade de transmissão, devido ao aumento da relação S/I (expressões (2-16) e (2-17)). Um compromisso entre ambos os objetivos, capacidade e qualidade, deve ser estabelecido.

Interferências que resultam de sinais que estão numa faixa de freqüências adjacente à faixa do sinal desejado são chamadas interferências de canal adjacente. Essa forma de interferência resulta de imperfeições no filtro do receptor, que permite que freqüências em faixas próximas da faixa desejada sejam recebidas. O problema pode ser particularmente sério se um usuário em um canal adjacente estiver transmitindo muito próximo ao receptor de um outro usuário, enquanto o receptor dete último tenta receber sinal de uma estação base no canal desejado. Esse problema é conhecido como efeito perto-distante (near-far effect), onde um transmissor próximo (podendo inclusive não fazer parte do sistema celular) causa forte interferência de canal adjacente em outro receptor. De outra maneira, o efeito perto-distante também ocorre quando um móvel próximo à estação base transmite em um canal próximo ao canal sendo usado por um móvel cujo sinal está fraco (certamente um móvel que esteja mais distante da estação base em questão). Nesse caso, a estação base pode ter dificuldade em discriminar o usuário cujo sinal está mais fraco. ^[1]

A interferência de canal adjacente pode ser minimizada através de filtragem adequada e uma correta alocação de canais entre células. Como para cada célula é alocada apenas uma fração dos canais disponíveis, deve ser evitada a alocação, para uma mesma célula, de canais que são adjacentes em freqüência. Através da alocação de canais na célula de forma que eles sejam o mais afastados possível em freqüência, a interferência de canal adjacente pode ser consideravelmente reduzida. Dessa forma, dado o tamanho N de cluster, é possível que se crie vários esquemas de alocação de canal entre as células de forma a maximizar a separação entre canais em uma mesma célula. Esquemas de alocação de canal devem também prevenir uma outra fonte de interferência de canal adjacente, que é o uso de canais adjacentes em células vizinhas. Esse é um problema de solução ainda mais complexa.

Em sistemas celulares digitais, os níveis de potência transmitidos por cada unidade móvel estão sob constante controle das estações base. Isso é feito para assegurar que cada terminal móvel transmita com um nível de potência apenas suficiente para manter um bom nível de qualidade no link reverso. O controle de potência não apenas permite economia de bateria no terminal do usuário como também permite uma redução considerável na relação S/I de link reverso no sistema. ^[1] Em sistemas CDMA (Code Division Multiple Access), como será visto, um eficiente controle de potência passa a ser fundamental para o desempenho do sistema.

Para um uso eficiente do espectro rádio disponível, é requerido um esquema de reuso de freqüências que seja consistente com os objetivos de aumento de capacidade e redução de interferência. Com o intuito de aumentar a eficiência na utilização do espectro, uma variedade de estratégias de alocação de canais foi então desenvolvida. Tais estratégias podem ser classificadas como fixas ou dinâmicas. A escolha da estratégia impacta no desempenho do sistema, particularmente em como uma chamada é gerenciada quando um móvel desloca-se de uma célula para outra.

Numa estratégia de alocação fixa de canais, é alocado um determinado conjunto de canais de voz a cada célula. Qualquer tentativa de chamada dentro da célula só poderá ser servida pelos canais desocupados pertencentes àquela célula. Há algumas variantes da estratégia de alocação fixa de canais. Em uma delas, chamada de estratégia de empréstimo (borrowing strategy), uma célula pode pedir canais emprestados de uma célula vizinha se todos os seus canais estiverem ocupados. A Central de Comutação Móvel supervisiona os procedimentos de empréstimo e garante que o empréstimo do canal não interfere em nenhuma chamada que esteja em progresso na célula de origem do canal. ^[1]

Na estratégia de alocação dinâmica de canais, os canais de voz não são alocados às células permanentemente. Ao invés disso, cada vez que há uma tentativa de chamada, a estação base requisita canal para a MSC. A Central então aloca um canal para a célula que o requisitou. ^[1]

A MSC apenas aloca uma determinada freqüência se essa freqüência não está em uso na célula nem em nenhuma outra célula que esteja a uma distância menor que a distância de reuso, para evitar interferência. A alocação dinâmica de canais diminui a probabilidade de bloqueio de chamadas, aumentando a capacidade de troncalização do sistema, pois todos os canais disponíveis estão acessíveis a todas as células. Esse tipo de estratégia requer que a MSC colete dados em tempo real de ocupação de canais, distribuição de tráfego, e de indicações de intensidade de sinal de rádio (RSSI- Radio Signal Strength Indications) de todos os canais, continuamente. Isso sobrecarrega o sistema em termos de capacidade de armazenamento de informações e carga computacional, mas provê vantagem de aumento de utilização dos canais e diminuição da probabilidade de bloqueio. ^[1]

Quando um móvel desloca-se entre células enquanto uma conversação está em andamento, a MSC automaticamente transfere a chamada para um novo canal pertencente à nova estação base. Esse procedimento de handoff não apenas involve a identificação de uma nova estação base, mas também requer que os sinais de voz e de controle sejam transferidos para canais associados à nova célula.

O processamento de handoffs é uma tarefa muito importante em qualquer sistema celular. Muitas estratégias de handoff priorizam os pedidos de handoff em relação a pedidos de inicialização de novas chamadas, quando da alocação de canais livres em uma célula. Handoffs devem ser realizados com sucesso (e o menor número de vezes possível) e deveriam ser imperceptíveis aos usuários. Projetistas de sistemas devem especificar um nível ótimo de sinal que iniciará o processo de handoff. Uma vez que um nível particular de potência de sinal tenha sido estabelecido como sendo o nível que oferece a qualidade de voz mínima aceitável no receptor da estação base (normalmente entre –90 dBm e –100 dBm) ^[1], um nível de sinal ligeiramente superior é usado como limiar no qual o handoff é feito. Essa margem, dada por D = P_{r handoff} - P_{r mínimo usável}, onde P_r é a potência recebida na base, não pode ser muito grande nem muito pequena. Se D é muito grande, podem ocorrer handoffs desnecessários, que sobrecarregam a MSC e, se D é muito pequena, o tempo pode ser insuficiente para que o handoff se complete, e então a chamada será perdida devido ao enfraquecimento do sinal. Dessa forma, D é escolhida cuidadosamente para atender a esses requisitos conflitantes.

Para se decidir se um handoff é necessário ou não, é importante garantir que a queda no nível do sinal medido não é devida a um desvanecimento momentâneo e que o móvel está realmente afastando-se da estação base que o serve. Para se certificar disso, a estação base monitora o nível de sinal por um certo tempo antes do handoff ser iniciado. Esse procedimento deve ser otimizado de forma que handoffs desnecessários não ocorram e que handoffs necessários sejam realizados antes da chamada ser interrompida.

Em sistemas celulares analógicos de primeira geração, a medição dos níveis de sinal é feita pelas estações base e supervisionada pela MSC. Cada estação base constantemente monitora a intensidade de sinal de todos os seus links de voz reversos (móvel para base) para determinar a posição relativa de todos os usuários em relação à torre da base. Além de medir a RSSI de chamadas em progresso dentro da célula, um receptor adicional em cada estação base, chamado de locator receiver, é usado para determinar o nível de sinal de usuários que estão em células vizinhas. Esse receptor é comandado pela MSC e é usado para monitorar a intensidade de sinal de usuários em células vizinhas que possam ser candidatos a handoff e reportar os valores de RSSI medidos à MSC. Baseada na informação de nível de sinal fornecida pelo locator receiver de cada estação base, a MSC decide se o handoff é necessário ou não e, caso seja, para que célula ele deverá ser feito. ^[1]

Em sistemas celulares de segunda geração que utilizam tecnologia TDMA (Time Division Multiple Access), as decisões de handoff são assistidas pelo móvel. No handoff assistido pelo móvel (MAHO), cada estação móvel monitora o nível de sinal recebido de estações vizinhas e continuamente reporta essas medições para a estação base que a serve no momento. Um handoff é iniciado quando a potência recebida de uma estação base vizinha começa a exceder a potência recebida da estação base que serve o móvel de um determinado valor ou por um certo período de tempo. Esse método permite que a chamada seja transferida entre estações base muito mais rapidamente do que o método da primeira geração permite, já que as medições são feitas por cada móvel e a MSC não precisa mais da constante monitoração de níveis de sinal. O esquema MAHO é particularmente bem adaptado a ambientes de microcélulas, onde handoffs são mais frequentes. ^[1]

Sistemas diferentes possuem diferentes políticas e métodos para gerenciar os pedidos de handoff. Alguns sistemas tratam pedidos de handoff da mesma forma que os pedidos de inicialização de novas chamadas. Nesses sistemas, a probabilidade de que um pedido de handoff não seja atendido por uma nova estação base é igual à probabilidade de bloqueio de novas chamadas. Entretanto, do ponto de vista do usuário, ter sua chamada abruptamente interrompida no decorrer da ligação parece ser muito mais incômodo do que ser bloqueado eventualmente na tentativa de fazer uma nova chamada. Para melhorar a qualidade dos serviços sob esse aspecto, vários métodos foram desenvolvidos para priorizar os pedidos de handoff sobre os pedidos de inicialização de novas chamadas quando da alocação de canais de voz. ^[1
]

Um método para dar prioridade a handoffs é descrito pelo conceito de reserva de canal (guard channel), onde uma fração dos canais da célula é reservada exclusivamente para pedidos de handoff oriundos de células vizinhas. Esse método possui a desvantagem de reduzir o tráfego total permitido a chamadas originadas na própria célula. Entretanto, esse método pode oferecer um uso eficiente do espectro se for utilizado em conjunto com uma estratégia de alocação dinâmica de canais, que minimizará o número de canais reservados requeridos através de uma alocação por demanda eficiente. ^[1]

Na prática, problemas podem surgir pelo fato dos móveis trafegarem nas mais diferentes velocidades. Veículos a altas velocidades passam pela região de cobertura em questão de segundos enquanto que pedestres podem não precisar de nenhum handoff no decorrer de uma chamada. Particularmente, com a adição de microcélulas (células de algumas centenas de metros de raio) para prover capacidade, a MSC pode rapidamente ficar sobrecarregada se usuários a altas velocidades estão constantemente sendo transferidos entre células muito pequenas. Muitos esquemas foram e estão sendo desenvolvidos para lidar com o tráfego simultâneo de móveis a altas e baixas velocidades, ao mesmo tempo em que minimizam a intervenção da MSC para o handoff. ^[1]

Embora o conceito celular ofereça claramente um aumento de capacidade através da adição de células, na prática é difícil para provedores de serviços celulares encontrar novas localidades para instalar estações base, especialmente em áreas urbanas. Devido às dificuldades encontradas, fica mais atraente para os provedores instalar canais adicionais e novas estações base na mesma localidade de uma célula já existente, ao invés de procurar novas localidades. Através do uso de diferentes alturas de antenas (frequentemente no mesmo prédio ou torre) e de diferentes níveis de potência, é possível se prover células maiores e menores localizadas numa mesma região. Essa abordagem é conhecida como célula guarda-chuva (umbrella cell approach) e é usada para prover grandes áreas de cobertura a usuários em alta velocidade e pequenas áreas de cobertura para usuários a mais baixas velocidades. A mostra o conceito. Essa abordagem garante que o número de handoffs será minimizado para usuários a altas velocidades. A velocidade de cada móvel pode ser estimada pela estação base ou pela MSC através, por exemplo, da medição de quão rapidamente a intensidade média em pequena escala (short-term) do sinal varia no tempo. Se um móvel, deslocando-se a grande velocidade na célula maior está aproximando-se da estação base e sua velocidade está decrescendo rapidamente, a estação base poderá decidir transferir o móvel para uma célula menor, sem intervenção da MSC. ^[1]

Numa situação prática, pode haver mais de um operador de serviços celulares em uma mesma cidade e, certamente, dentro de um mesmo país/continente. Porém, o usuário é assinante de uma operadora apenas. Dessa forma, é necessário que haja interligações entre as diversas operadoras, no sentido de que o assinante de uma operadora possa utilizar os serviços de outra, como visitante (roamer).

Durante o curso de uma chamada, se o móvel desloca-se da área de serviço de uma MSC para a de outra, é necessário um roaming. Portanto, o roaming pode inclusive ocorrer na área de prestação de serviço de uma mesma operadora. Há vários aspectos a serem considerados na implementação do roaming. Por exemplo, uma chamada local pode transformar-se numa chamada a longa distância quando a MSC visitada está em outro estado. Da mesma forma, deve ser dada atenção à compatibilidade de sistemas entre as MSC’s envolvidas. ^[1]

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