I-I ESTRUCTURA Y TOPOLOGÍA DE SISTEMAS CELULARES

En los sistemas de comunicaciones inalámbricas, las comunicaciones base-movil o movil-movil en una frecuencia especifica solo es posible si no se supera una distancia entre ellos denominada radio de cobertura, recordemos que la atenuación es inversamente proporcional a la distancia al cuadrado, cuyo valor es dependiente también del despeje que posean las antenas de los equipos, o sea a la altura de las antenas de las estaciones móviles y de las estaciones base.

Las comunicaciones en los sistemas celulares se basan en subdividir la superficie total a cubrir en zonas más pequeñas llamadas celdas o células, a las que se le asigna una estación base con un cierto número de frecuencias o canales.

Como el espectro radioeléctrico y el número de canales o comunicaciones posibles al mismo tiempo son limitados, se puede dividir la superficie total a cubrir en celdas de modo que las frecuencias que se usan en una celda puedan ser reutilizadas en otra celda lejana (reuso de frecuencia).

C E D F Reuso de frecuencias A G C B A Grupos D C B Básicos F E D G F E G

Figura 3-1 Estructura Celular

Separando adecuadamente las celdas a una distancia (llamada distancia cocanal o de reutilización) determinada por la relación de protección de RF, puede reutilizarse el mismo juego o conjunto de frecuencias en diversas celdas. Reutilizando frecuencias, un sistema celular puede cursar un trafico superior al numero de frecuencias asignadas a la banda. En la practica, el número total de canales disponibles se divide entre las celdas de una configuración unitaria básica denominada grupo básico. Un tamaño típico para el grupo es siete si las estaciones base utilizan antenas omnidireccionales, nombrándose

Cada celda a su vez utiliza para la comunicación ascendente y descendente en cada frecuencia asignada por el sistema FDD (Frecuency Duplexion División).

Las formas geométricas más convenientes para las celdas a de estar de acuerdo con los siguientes criterios:

- Se debe preocupar que no existan huecos o solapamientos en los bordes. - Se debe buscar la forma que para un radio dado se obtenga la mayor

superficie posible. De esta manera se utilizarán un menor número de células para servir la misma zona de cobertura y, por lo tanto utilizar menor número de frecuencias.

Estos dos criterios quedan satisfechos con la superficie hexagonal (figura 3-1). En la realidad las superficies no son hexagonales, ya que las irregularidades de la propagación electromagnética en el terreno y por los obstáculos impiden dicho objetivo.

En realidad las células no son hexagonales, sino que tienen una forma irregular determinada por parámetros como la propagación de las ondas de radio en el terreno, obstáculos y las restricciones de la estación base debidas a factores geográficos (figura 3-2).

Ficticia Ideal Real

Figura 3-2 Relación entre las coberturas ideales y reales

En todo momento, un teléfono esta situado en una celda determinada y bajo el control de la estación base correspondiente. Cuando un móvil deja una celda, su estación base detecta que la señal del teléfono se apaga y pregunta a todas las estaciones bases adyacentes que potencia tienen de ella.

La estación base BS entonces transfiere su propiedad a la celda que obtuviera la mayor señal, esto es, a la nueva celda donde se localice el teléfono. El teléfono es informado y si hubiera una llamada en curso, se cambia de canal (ya que el viejo podría estar siendo usado por celdas adyacentes). Este proceso se llama handoff o handover y suele hacerse en 300 mseg. La asignación de canales se lleva a cabo por el MSC (ver en sección siguiente).

Nivel de Potencia Cambio de celda Umbral de handover Distancia

Figura 3-3 – Situación típica de Handover

Cada sistema tiene una solución para llevar a cabo este proceso, generalmente mediante mensajes de control (señalización) que se intercambian los terminales móviles y la estación de control (Anexo III). Es importante destacar que la medida de calidad de un sistema celular es la probabilidad de pérdida de una llamada cuando se cruza de celda.

Una forma de dar servicio celular en forma global y cubriendo todos los puntos del planeta es realizando la siguiente subdivisión de celdas básicas:

- Celdas Overlay: centenares de km y se logra con comunicación satelital. - Hiperceldas: mas de 20 km de radio, usadas en áreas rurales.

- Macroceldas: entre 1 y 20 km, corresponde a zonas densamente pobladas. - Microceldas: entre 100 y 1000m áreas internas a una celda.

- Picoceldas: menos de 100m para edificios o fabricas.

Celdas Over

Microceldas

Picoceldas Macrocelda

Hiperceldas

Figura 3-4 – Disposición de subdivisión de células.

Este sistema dispuesto de esta forma da un servicio con cobertura universal y capaz de soportar una alta densidad de usuarios. La ventaja que proporciona esta jerarquización con cobertura global es la gestión de la red. En el caso de las

macroceldas que en conjunto cubren importantes superficies de terreno y actúan como paraguas para las microceldas y picocelulas

Pero cuando un sistema celular da servicio a un área urbana de gran densidad de población, como puede suceder en macroceldas o microceldas, puede llegar a situaciones de saturación. La forma de solucionar el problema es de dos formas, subdividiendo células o sectorizando la cobertura.

Subdividir celdas se realiza reduciendo por cuatro la superficie de la célula. Con esto se logra aumentar la capacidad de trafico, pero se debe aumentar el número de estaciones bases y aumenta el handover, aumentando él trafico de señalización. Este proceso se conoce como Splitting de una celda.

El sectorizado de cobertura, es una subdivisión adicional sin la necesidad de emplear más estaciones bases. Para ello se subdivide una célula en tres sectores a los que se da servicio desde vértices alternos del hexágono, mediante tres estaciones bases con haces de antenas de 120º. También es valido sectorizar con ángulos de 60º. En la practica la idea es realizar sectorización no creando nuevos emplazamientos sino transformando los ya existentes (figura 3-5).

Figura 3-5 – Sectorización de una celda en 120º y 60º.

La forma de sectorizar las celdas es cambiar las antenas de diagramas omnidireccionales o sea de 360º, por antenas direccionales de cubrimiento de 120º o de 60º. Esto dispone de un mejor aprovechamiento del espectro de frecuencia (eficiencia espectral), pero por otro lado un problema con el handooff debido al aumento de zonas.

Otra forma de aumentar la eficiencia espectral sería: si en una célula existe congestión, o sea todos sus canales ocupados, podríamos pensar en utilizar canales que están desocupados de celdas contiguas solo por un tiempo. Este es el principio general de la asignación dinámica, en donde cualquier canal puede ser utilizado en cualquier célula. El análisis de tráfico en estos casos es bastante complejo, por lo que se suele recurrir a la simulación por ordenadores para el estudio y dimensionamiento de estos sistemas.