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2.1.5.1.    Divisão celular

  Divisão celular é o processo de se subdividir células congestionadas em células menores, cada uma com sua nova estação base e correspondente redução de altura de base e potência de transmissão. Através da criação de novas células, menores que as originais, entre as células existentes, a capacidade aumenta devido ao acréscimo no número de canais por unidade de área. A Figura 2-13 ^[5] ilustra um exemplo de divisão celular.

  Figura 2-13  -  Divisão celular

 Como desvantagens do processo, pode-se citar: 1) aumento no número de estações rádio-base, gerando aumento de custo. Uma redução do raio da célula por um fator k aumenta o número de ERB’s (estações rádio-base) por um fator k²  ;  2) aumento do número de handoff’s, gerando aumento de overhead (sobrecarga de controle) para a MSC. Uma redução no raio por um fator 4 aumenta o número de handoff’s por um fator 10. ^[3]

 Na prática, não são todas as células que são subdivididas. Dessa forma, diferentes tamanhos de célula existem simultaneamente. Nesse tipo de situação, deve-se ter um cuidado especial para que seja mantida a distância mínima requerida entre células cocanal. A alocação de canais entre as células pode tornar-se mais complicada.

 Para exemplificar esse problema, considere a ^[5], onde foi realizada divisão celular. A distância entre cocélulas (células cocanal) grandes é mantida, D = 4,6R, onde R é o raio das células grandes. Da mesma forma, pelo fato da divisão seguir o mesmo arranjo de clusters original, a distância entre duas cocélulas pequenas é de 4,6r, onde r é o raio de células pequenas (foi escolhido r = R/2).  

Figura 2-14  -  Divisão celular. Novas distâncias de reuso de freqüência

   O nível de interferência é, portanto, igual entre células cocanal de mesmo tamanho, e igual ao nível de projeto. Pelo exemplo da , uma ligação em andamento em uma célula pequena não interferirá em uma célula cocanal grande pois, sendo atendida a distância de reuso D entre as células menores, ao mesmo tempo essa distância é atendida (e é a mesma: 2,3R = 4,6r) entre células grandes e pequenas. Porém, uma chamada em andamento em uma célula grande interferirá numa célula pequena cocanal, pois a distância de reuso entre células grandes é maior que a distância de reuso entre células grandes e pequenas (4,6R > 2,3R). ^[5]

 O aumento de interferência, expresso pela diminuição na relação S/I é calculado a seguir.

 O fator de reuso q entre células de mesmo tamanho é, aproximadamente, 4,6 (N=7). Entre células de tamanhos diferente, q = 2,3. Então, através da expressão ), a relação S/I entre células de tamanhos diferentes, para o exemplo dado é :

                                                                                             (2-23)

o que, em dB, representa uma perda de 3g  na relação S/I original (sem divisão celular).        

 Embora a seja um exemplo específico, pois a divisão celular pode ocorrer de outras formas, ela ilustra o problema da interferência cocanal que pode ser causada pelo fato de células cocanal estarem mais próximas do que deveriam, segundo o projeto original.

 Uma solução possível é a apresentada na . As células grandes são divididas em duas camadas concêntricas. Na camada mais externa não poderá haver canais em comum entre células grandes e pequenas, evitando, assim, interferência cocanal. ^[5]  

 Figura 2-15  -  Solução para o aumento de interferência cocanal na divisão celular

Técnica de overlay       

A camada mais externa da célula maior só possui canais que não estão presentes na célula menor (grupo B de canais). Assim, é possível que se aumente o isolamento entre as células grandes e pequenas cocanal.

 2.1.5.2.    Setorização

 Outra forma de se conseguir aumento de capacidade é manter o raio das células inalterado, e procurar formas de diminuir a relação D/R. Nessa abordagem, o aumento de capacidade é obtido através da redução do número de células em um cluster e, dessa forma, aumentando-se o reuso de freqüência. Entretanto, deve-se buscar uma solução para o aumento de interferência cocanal gerado pela diminuição do tamanho de cluster.

 A interferência cocanal pode ser reduzida através da substituição de uma única antena omni-direcional na estação base por algumas antenas direcionais, cada uma irradiando em determinado setor. Essa técnica de decréscimo da interferência cocanal, permitindo um aumento na capacidade do sistema, usando antenas direcionais, é conhecida por setorização. O fator pelo qual a interferência cocanal é reduzida depende do número de setores usados. Usualmente, uma célula é particionada em três setores de 120⁰ ou seis setores de 60⁰, conforme ilustrado na ^[3]. A figura também mostra como é reduzida a interferência cocanal.  

                        a  -  três setores                                                                 b -  seis setores

Figura 2-16  -  Setorização

 Se a distribuição de canais é idêntica entre os setores de todas as células, pela própria geometria criada pela setorização, verifica-se que :  com três setores haverá duas células interferentes e, com seis setores, há apenas uma célula cocanal (no primeiro anel de células interferentes). As novas relações S/I obtidas, seguindo o mesmo desenvolvimento da expressão (2-16 ), são :

Para três setores

                                                                                       (2-24)

ou seja, um ganho de fator 3 em relação a solução omnidirecional. Em dB: aproximadamente 4,8 dB de ganho na relação S/I.

Para seis setores

                                                                                        (2-25)

ou seja, um ganho de fator 6 em relação a solução omnidirecional. Em dB: aproximadamente 7,8 dB de ganho na relação S/I.

 A redução de interferência obtida pela setorização permite que os projetistas aumentem a capacidade de usuários através da redução do tamanho de cluster N, como já dito. A setorização pode ser usada também apenas para reduzir um nível de interferência que esteja acima do aceitável, sem que se altere o valor de N para aumento de capacidade.

 Como desvantagens da setorização podem ser citados o aumento do número de antenas em cada estação base, e o decréscimo de eficiência de troncalização devido à repartição de canais entre os setores. Esse último problema pode ser ilustrado da seguinte maneira. Considere o sistema analógico AMPS, com 395 canais de voz em uma das bandas (A ou B). Usando-se um esquema N=7 omni (antenas omnidirecionais), portanto sem setorização, temos :

395 canais de voz / 7 células  =  56,4 ® 56 canais de voz por célula

Consultando a tabela erlang-B para um GOS = 2%, o tráfego suportado é de 45,9 erl por célula.

 Se, por outro lado, parte-se para o uso de setorização, com 3 setores por exemplo :

            3 x 7  =  21 setores por cluster

            395 / 21  =  18,8 ® 18 canais de voz por setor

Pela tabela erlang-B, com GOS = 2% :

            tráfego por setor  =  11,5 erl

            trafégo por célula  =  3 setores x 11,5  =  34,5 erl por célula.

 Ou seja, foi perdida capacidade de tráfego (34,5 < 45,9) devido à setorização.

 Portanto, quando se pensa em setorização para o aumento de capacidade de um sistema, projetistas devem observar o aumento real de capacidade que será obtido na redução de N já que, como mostrado, a setorização apresenta perda de capacidade embutida em seu processo.

 Ainda, como a setorização reduz a área de cobertura de um grupo particular de canais, o número de handoffs é aumentado. Porém, muitas estações rádio base permitem que os móveis façam handoff entre setores de uma mesma célula sem intervenção da MSC, ou seja, não há sobrecarga na MSC devido ao excesso de handoff. É a perda de capacidade de tráfego o maior motivo pelo qual alguns operadores evitam a solução de setorização. ^{[1 ]}

 2.2.        Técnicas de Modulação

 A modulação é o processo através do qual a informação a ser transmitida é convertida em uma forma conveniente à sua transmissão. Geralmente, esse processo envolve a translação da banda básica de informação em bandas muito mais altas, nas quais efetivamente ocorrerá a transmissão. O sinal original, ou seja, a informação propriamente dita, é chamado sinal modulante. O sinal resultante do processo de modulação é chamado sinal modulado. No receptor, ocorre o processo inverso, no qual se extrai a informação do sinal modulado. Esse processo é conhecido por demodulação.

 Dado o ambiente hostil em termos de condições de propagação encontrado em um ambiente celular, a implementação de um esquema de modulação eficiente e resistente aos problemas apresentados pelo canal móvel não é uma tarefa simples.

 Os sistemas celulares de Primeira Geração utilizam modulação analógica para voz, constituindo os sistemas analógicos. Os primeiros sistemas utilizavam AM (Modulação em Amplitude), mas rapidamente adotaram o FM (Modulação em Freqüência), tão logo essa tecnologia mostrou-se de realização viável. Hoje, todos os sistemas de Primeira Geração utilizam o FM para a modulação de voz. ^[5]

 Os sistemas conhecidos como sendo de Segunda Geração utilizam modulação digital de voz. Esses sistemas são denominados de sistemas digitais. Existe atualmente um número significativo de técnicas de modulação digital.

 O texto que se segue apresenta um sumário das técnicas de modulação empregadas em sistemas celulares, enfatizando os esquemas de modulação digital.

2.2.1.      Sistemas Analógicos

A técnica de modulação utilizada nos canais de voz é o FM. 

2.2.1.1.    FM

O FM faz parte de uma classe de esquemas de modulação conhecidos por modulação angular. Um sinal modulante senoidal de freqüência f_m­ e amplitude máxima A_m , modula uma portadora FM gerando o seguinte sinal modulado :

                                                                       (2-26)

onde :

A_c  -  amplitude máxima da portadora

w_c  -  freqüência angular da portadora

k_f  -  constante relativa ao modulador

A relação entre a amplitude máxima da mensagem e a banda (W, usualmente sua freqüência máxima) do sinal modulante (que, no caso geral, não é senoidal) é dada pelo índice de modulação, b_f : ^[1]

                                                                                                      (2-27)

onde Df é o máximo desvio de freqüência do sinal modulado em torno da freqüência da portadora.

 A banda de transmissão é dada, aproximadamente, por :

B = 2(b_f + 1).W                                                                                                        (2- 28 )

De ) surgem duas possibilidades : ^[7]

-        se b_f << 1  ®  B @ 2W  ®  chamado FM faixa estreita

-        se b_f >> 1  ®  B @ 2Df  ®  chamado FM faixa larga

 No FM faixa larga, mais bandas laterais (em relação à portadora) são necessárias para compor o sinal modulado. O FM faixa estreita é especialmente interessante em comunicações móveis (se comparado ao FM faixa larga), onde é crítica a limitação de espectro.

 A modulação em freqüência oferece muitas vantagens sobre a modulação em amplitude, o que a torna a melhor escolha para sistemas celulares analógicos. O FM apresenta maior imunidade a ruído se comparado ao AM. Como os sinais são representados por variações de freqüência, e não de amplitude, os sinais FM são menos susceptíveis a ruídos tanto gaussianos como impulsivos, que tendem a causar flutuações na amplitude do sinal. Essa característica da modulação FM também pode explicar sua vantagem no que se refere a desvanecimentos por multipercurso, que causam flutuações rápidas no sinal, gerando efeitos mais sérios em sinais AM. 

Em sinais FM é possível se estabelecer um compromisso entre banda ocupada e desempenho quanto a ruído. O índice de modulação, que possui ligação direta com a banda que será ocupada pelo sinal modulado, pode ser alterado para que se obtenha uma melhor relação sinal-ruído na saída do receptor. Sob certas condições, a relação sinal-ruído pode aumentar em 6 dB a cada duplicação da banda ocupada pelo sinal FM. Essa é talvez a maior vantagem da modulação FM sobre a AM. ^[1]

 Por ser um sinal de envelope constante (pois a variação está na freqüência, e não na amplitude), a potência transmitida em um sinal FM é constante independente do nível do sinal modulante. Essa característica permite o uso de amplificadores eficientes para a amplificação de potência dos sinais de RF, uma grande vantagem quando se pensa em economia de bateria no terminal móvel. ^[1]

 A modulação FM também apresenta o chamado efeito de captura (capture effect). Se dois sinais na mesma faixa de freqüências são recebidos, apenas o que possuir maior nível de recepção será aceito e demodulado. Essa característica torna sistemas FM muito robustos quanto a interferência cocanal. ^[1]

 Entre as desvantagens estão :  maior banda necessária para se obter as vantagens de melhoria na relação sinal-ruído na saída do receptor e de efeito de captura; os equipamentos de transmissão e recepção FM são mais complexos que os de AM; em algumas situações, o AM pode superar o desempenho do FM em condições de baixos níveis de recepção, uma vez que, no FM, os sinais devem chegar ao receptor com um nível acima de um nível mínimo (limiar) de recepção, determinado pela qualidade desejada.