33 - TEORÍA - Estaciones base y su implantación

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Tipos de telefonía sin hilos:

Telefonía móvil privada, profesional o trunking

Telefonía móvil celular

Arquitectura de red móvil celular

Se dice que la red es celular porque está dividida en áreas geográficas llamadas “celdas” de forma hexagonal. Las estaciones base se ubicarían en los vértices:

Red celular con 1/K = 1/4
Red celular con 1/K = 1/4

En la realidad son amorfas, pero la forma hexagonal es prácticamente circular y permite cubrir el terreno.

En la frontera entre dos celdas hay una zona de solapamiento de señales. Hasta 3G, celdas adyacentes deben usar frecuencias distintas, aunque celdas no adyacentes pueden reutilizar frecuencias. El factor de reutilización de frecuencia, 1/K es la tasa con la que una frecuencia se usa en la red. “K” es el número de celdas que no pueden usar la misma frecuencia. Así, 1/3 indica que una de cada tres celdas tienen la misma frecuencia. A partir de LTE se puede hacer, pero no es imprescindible (es posible K=1).

Red 1/7
Red 1/7

Así, cuando tenemos 1/K = 1/4, se dice que tenemos 4clusters (conjuntos) de cuatro celdas. Valores de K típicos son 3, 4, 9, 12, 13, 19, 21… Otros números no mantienen una distancia de separación constante entre las celdas que comparten las mismas frecuencias.

Más información en Wikipedia.

Las celdas son de gran extensión en el rural y pequeñas en las ciudades, debido a que la estación base tiene una capacidad de clientes limitada. Por ese motivo también se utilizan frecuencias bajas en el rural, ya que tienen más alcance.

La reutilización de frecuencias hace que las celdas se solapen ligeramente (¿nunca has pillado cobertura española en Portugal?). Esto además permite…

Handoff/handover

Handoff (US) o handover (UK) es una característica que en español se conoce como “traspaso”. Se produce cuando un teléfono móvil se sale de una celda (A) y entra en el área de otra (B).

Tipos de antenas usados en telefonía móvil

Antenas usadas en PtMP (Point to Multipoint):

Router con antena panel. Reflector (esquerda), dipolos (dereita)
Router con antena panel. Reflector (esquerda), dipolos (dereita)

IMPORTANTE: Habitualmente una estación base usa sus antenas panel para radiar tres sectores distintos (está en el vértice de la celda).

Antenas usadas típicamente en PtP (Point to Point):

Parabólica Ubiquiti Powerbeam M5 con router integrado (izquierda), parábolas de tambor (centro), array de antenas sectoriales (derecha).
Parabólica Ubiquiti Powerbeam M5 con router integrado (izquierda), parábolas de tambor (centro), array de antenas sectoriales (derecha).

Implantación de estaciones base

Radiando sectores

Para radiar sectores se utilizan típicamente antenas panel, como se ha visto en antes. Ejemplos:

Estación base en cubierta de un edificio. 4 sectores. Esta distribución se usa en zonas con celdas pequeñas
Estación base en cubierta de un edificio. 4 sectores. Esta distribución se usa en zonas con celdas pequeñas

A la hora de instalar las antenas debemos cuidar las orientaciones que vamos a dar y los tilts (inclinación). Son vitales estos dos parámetros para cubrir la zona correctamente. Las orientaciones de las antenas se asignan en grados, de 0º a 359º. Se dispondrán de forma que cubran el alrededor lo máximo posible sin descuidar el objetivo de la estación.

La inclinación de las antenas (tilt) determinará la distancia hasta donde cubrirá nuestra celda. Aquí entra en juego el ancho de haz vertical de la antena elegida. De esta forma, considerando un terreno llano, una vez determinada la distancia, la altura de las antenas y su haz verticales, estamos en disposición de calcular el tilt necesario. Si el terreno estuviera deprimido, el tilt habría de ser mayor para compensar la variación de altura.

Para el cálculo del tilt en nuestras antenas, necesitamos conocer la altura del terreno donde se encuentra la estación y el borde de la celda y los límites del haz (determinados por una caída de la señal de 3 dB).

Radioenlaces

Las estaciones base se conectan al núcleo de red mediante tecnologías de acceso guiadas (fibra óptica o similar). Pero habrá veces que no exista esa posibilidad, o que queramos aportar redundancias, y necesitemos unir dos gNB directamente mediante radioenlace.

Ejemplo de configuración IP de un radioenlace:

En los radioenlaces se utilizan antenas directivas, como se ha visto antes.

Margen de desvanecimiento

En un radioenlace, la señal viaja desde la estación emisora (Tx, pigtails, antena), pasando por metros o kilómetros de espacio libre hasta llegar a la estación receptora (antena, pigtails y chip Rx). La potencia recibida o RSSI se calcula teniendo en cuenta todo el viaje que realiza la señal desde el transmisor hasta el receptor:

$$RSSI=P_{Tx}+ G_{ANT\ Tx}-L_{fs}+G_{ANT\ Rx}-L_{pigtail\ Rx}$$

La clave para que el radioenlace sea posible es que la potencia recibida en el receptor sea mayor que la mínima potencia que es capaz de recibir (sensibilidad). Se sabe si un radioenlace va a funcionar si:

$$RSSI (dBm)>Sensibilidad (dBm)$$

Atenuación no espazo libre (NO ENTRA)

Vimos que no camiño que percorren os sinais no radioenlace, a maior parte da distancia a pasan no aire, é dicir, no espazo libre. A atenuación que sofre unha OEM de frecuencia “f” nunha distancia “d” no espazo libre pódese calcular coa fórmula:

$$L_{fs} (dB)=32,44+20\log{⁡(d(km))}+20\log{⁡(f(MHz))}$$

Zona(s) Fresnel (NO ENTRA, SÓLO ENTRA PARTES EN NEGRITA)

A comunicación non se produce só no vano. A partires da banda UHF hai que ter en conta que a comunicación tamén se produce na área circundante, formando un elipsoide.

Así, ao receptor lle poden chegar diferentes réplicas dun mesmo sinal transmitido por diferentes camiños por efecto das reflexións producidas nos obstáculos que se atopan no espazo entre transmisor e receptor. Isto pode dar lugar a interferencias construtivas ou destrutivas.

A primeira zona de Fresnel é un elipsoide de eixo maior a traxectoria da onda directa. O seu tamaño depende da distancia entre antenas e da frecuencia de traballo. Non debe ser invadido por obstáculos para evitar perdas por difracción.

$$rF_1 (x)=17,3\sqrt{\frac{x\cdot (D-x)}{f(GHz)\cdot D}}$$

(distancias en km, resultado “r” en metros)

Habitualmente considérase admisible unha obstrución máxima de como moito o 60% do radio da primeira zona Fresnel. Se o enlace cubre moita distancia (>10 ou 12 km en chan) a curvatura da terra empezará a invadir como un obstáculo máis.

Web para cálculo de radioenlaces: "Hey What's That WISP?"

VSAT

Very small aperture terminal se refiere a tecnologías de acceso (a Internet o a redes privadas) mediante enlaces bidireccionales con satélite. Son de poca velocidad, hasta 16 Mbit/s. Se usan para aplicaciones críticas.

Más info en Wikipedia.

Fuente

¿Ganas de más telefonía móvil?

Hay mucho más sobre implantación en este PDF de donde he sacado la información del primer apartado, y cosas generales sobre telefonía móvil este otro.


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