4.11:4.8 Interferencia de enlace de radio

Varios retrasos excesivos en diferentes rutas causan interferencia entre símbolos. Los altos niveles de interferencia intersímbolo dan como resultado la falla al establecer un enlace de comunicación. El exceso de retardo es una limitación fundamental con el sistema 2G/GSM y la única solución es utilizar celdas muy pequeñas en entornos urbanos que tienen muchas rutas de señal significativas. El sistema 3G emplea una técnica de codificación que permite resolver los primeros caminos diferentes, limitando así el problema del ISI pero no eliminándolo. El sistema 4G, y 5G opera de manera similar, emplea un tiempo de guarda largo, el prefijo cíclico, para evitar ISI completamente

4.8.1 Plan de reutilización de frecuencias

Los sistemas de radio que utilizan el mismo canal están geográficamente espaciados para controlar la interferencia. En un sistema celular, las áreas de cobertura están dispuestas en celdas representadas por los hexágonos en la Figura\(\PageIndex{1}\). La forma real de las celdas está influenciada por obstrucciones como colinas y edificios. En los sistemas celulares 1G y 2G las células están dispuestas en clústeres como los clústeres\(3-,\: 7-,\) y\(12\) -cell mostrados, y el número total de canales disponibles se divide entre las celdas en un clúster con el conjunto completo de canales de frecuencia repetidos en cada clúster. (Más información sobre arreglos 3G—5G más adelante.) El tamaño de los clústeres es el componente principal de lo que se llama el plan de reutilización de frecuencias. Entonces, un grupo de tres celdas tiene un espaciado de aproximadamente un diámetro de celda a la siguiente celda usando los mismos canales de frecuencia. El nivel de señal transmitido desde la celda original interferirá con la señal en su celda correspondiente en clústeres adyacentes. El nivel de interferencia se reduce con los clústeres\(7\) -cell y luego\(12\) -cell. También hay ruido de fondo proveniente de fuentes cósmicas así como de fuentes artificiales, pero en un sistema celular casi siempre domina la interferencia de otras radios que operan en el mismo sistema.

El uso de antenas direccionales en la estación base aumenta la SIR. El patrón de interferencia obtenido usando una antena trisector (cada segmento de la antena proporciona\(120^{\circ}\) cobertura) se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). La antena trisector se puede disponer de manera que las antenas de transmisión y recepción estén

Figura\(\PageIndex{1}\): Celdas dispuestas en racimos. Se muestran clústeres de\(3-\) células (arriba a la derecha), clústeres de\(7-\) células (abajo a la izquierda) y clústeres de\(12-\) células (abajo a la derecha)

Figura\(\PageIndex{2}\): Celdas en un sistema de radio celular con una antena trisector, como en la Figura\(\PageIndex{3}\), mostrando el área de posible interferencia como región sombreada.

separados (ver Figura\(\PageIndex{3}\)), y también pueden disponerse para inclinar la cobertura hacia el suelo (por ejemplo, ver la antena en la Figura 4.1.2 (l)). También es posible utilizar la sectorización de antenas de orden superior y tener celdas más pequeñas (logradas posiblemente por transmisiones de relativamente baja potencia) para proporcionar mayores niveles de cobertura en regiones críticas como las intersecciones de carreteras. Estas células más pequeñas se denominan microcélulas o picocélulas.

Figura\(\PageIndex{3}\): Estación base con antenas de transmisión trisector apiladas dipolo y microstrip patch receptoras.

Figura\(\PageIndex{4}\): Clúster de tres celdas con unidad móvil en el borde de las celdas\(\mathsf{A, B}\), y\(\mathsf{C}\).

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Cellular Interference

En un sistema celular, una señal se transmite intencionadamente desde una estación base ubicada nominalmente en el centro de una celda a una unidad móvil en la misma celda. Sin embargo, los transmisores cercanos que utilizan el mismo canal causan interferencias. En la Figura\(\PageIndex{4}\), una unidad móvil está ubicada en el borde de una celda y utiliza el canal de frecuencia A. Muchos transmisores cercanos también operan usando el canal A y los seis transmisores más cercanos pueden considerarse como causantes de interferencia significativa. Considera que la unidad móvil está a una\(r\) distancia del transmisor de su célula a lo largo de la línea que conecta dos estaciones base del canal A, que todos los transmisores operan al mismo nivel de potencia, y que la distancia entre las estaciones base que operan usando el canal\(3r\) A. Este clúster de tres celdas opera en un área suburbana y la densidad de potencia disminuye con la distancia\(d\)\(1/d^{3}\) debido a los efectos de trayectorias múltiples. ¿Qué es el SIR en la unidad móvil?

Solución

Hay siete torres cercanas que transmiten señales en el mismo canal. Llame a estos\(A_{1}– A_{7}\) (unidad\(M =\) móvil,\(A =\) transmisores). \(A_{1}\)es la señal deseada y\(A_{2}–A_{7}\) son interferentes. Las distancias de los transmisores a la unidad móvil son\(d_{1}–d_{7}\), y las potencias de los transmisores recibidos en la unidad móvil son\(P_{1}–P_{7}\).

Figura\(\PageIndex{5}\)

Ahora\(\text{SIR}=\frac{P_{1}}{P_{2}+P_{3}+P_{4}+P_{5}+P_{6}+P_{7}}\)

Este problema requiere\(d_{2}–d_{7}\) ser determinado.

Considera el diagrama a la derecha con\(d_{1} = r\). También, la distancia de\(A_{2}\) a\(A_{7}\) es\(3r\). Ahora\(d_{3} = 3r + r = 4r,\: d_{6} = 3r − r = 2r\). Entonces\(d_{2} = \left[(X + r)^{2} + Y^{2}\right]^{\frac{1}{2}} = (2.5^{2} + 2.6^{2})r = 3.607r = d_{4}\). (\(X = 3r\sin 30^{\circ} = 1.5r\)y\(Y = 3r\cos 30^{\circ} = 2.6r\).) De igual manera\(d_{7} = d_{5} =\left[(1.5 − 1)^{2} + 2.6^{2}\right]^{\frac{1}{2}} = 2.648r\).

Figura\(\PageIndex{6}\)

\[\begin{array}{lll}{\frac{P_{2}}{P_{1}}=\frac{d_{1}}{d_{2}}=\frac{1}{3.607^{3}}=0.0213=\frac{P_{4}}{P_{1}}}&{\qquad}&{\frac{P_{3}}{P_{1}}=\frac{d_{1}}{d_{3}}=\frac{1}{4^{3}}=0.0156}\\{\frac{P_{7}}{P_{1}}=\frac{d_{1}}{d_{7}}=\frac{1}{2.648^{3}}=0.0539=\frac{P_{5}}{P_{1}}}&{\qquad}&{\frac{P_{6}}{P_{1}}=\frac{d_{1}}{d_{6}}=\frac{1}{2^{3}}=0.1250}\end{array}\nonumber \]

\[\text{SIR}=(0.0213 + 0.0156 + 0.0213 + 0.0539 + 0.1250 + 0.0539)^{−1} = 3.44 = 5.36\text{ dB}\nonumber \]

4.8.2 Resumen

La agrupación de células como se describió anteriormente se aplica más directamente a los sistemas celulares 1G y 2G. El sistema 3G no utiliza clústeres de celdas sino que utiliza códigos de alta frecuencia para separar a los usuarios. Existe una conciencia del sistema de gestión de la interferencia pero más complicada que los arreglos de agrupación. Los sistemas 4G y 5G llevan los algoritmos de reutilización de frecuencia a un nivel completamente nuevo realizando una minimización global de la interferencia de áreas amplias. Todavía existe el concepto básico de que las radios en celdas adyacentes que operan en el mismo canal de frecuencia pueden interferir entre sí y se debe prestar una atención cuidadosa a la reutilización de frecuencias.

La región de cobertura de señal por una estación base está muy influenciada por el terreno y no es un hexágono limpio. Consulte por ejemplo el mapa de cobertura para una zona rural que se muestra en la Figura 4.9.1 (a). Para garantizar una cobertura adecuada, las estaciones base deben colocarse en una cuadrícula que tenga en cuenta el terreno y no en una cuadrícula regular. Un gasto desperdiciado en operar un sistema celular sería instalar más estaciones base de las necesarias para una cobertura óptima. Así, los proveedores de servicios celulares simulan la cobertura antes de instalar las estaciones base. Una característica significativa de la cobertura urbana como se muestra en las Figuras 4.9.1 (b y c) es el “efecto cañón urbano” mediante el cual la cobertura se concentra a lo largo de las carreteras con señales que rebotan en los edificios dirigiendo la propagación de la señal por la calzada. Incluso las áreas cercanas a un transmisor pero detrás de los edificios están sombreadas mientras que las áreas distantes cerca de las carreteras pueden tener una buena cobertura. Este efecto también se conoce como el efecto de guía de onda urbana o efecto de canalización de olas. El bloqueo de señal por edificios se muestra en la Figura 4.9.1 (e) donde se observa que hay alguna difracción sobre edificios pero la sombra es severa después de dos o más eventos de difracción. El ambiente interior también afecta la cobertura como se muestra en la Figura 4.9.1 (d) para WiFi.