Tráfico celular

Este artículo analiza el aspecto de las redes celulares móviles en las mediciones de teletráfico . Las redes de radio móviles presentan problemas de tráfico que no se dan en la red telefónica pública conmutada (PSTN) fija . Algunos aspectos importantes del tráfico celular incluyen: objetivos de calidad de servicio, capacidad de tráfico y tamaño de celda, eficiencia espectral y sectorización , capacidad de tráfico frente a cobertura y análisis del tiempo de retención del canal.

La ingeniería de tráfico de telecomunicaciones en la planificación de redes garantiza la minimización de los costes de la red sin comprometer la calidad del servicio (QoS) que se ofrece al usuario. Este campo de la ingeniería se basa en la teoría de la probabilidad y puede utilizarse para analizar redes de radio móvil, así como otras redes de telecomunicaciones .

Un terminal móvil que se mueve dentro de una celda registra una intensidad de señal variable. La intensidad de la señal está sujeta a desvanecimiento lento , desvanecimiento rápido e interferencia de otras señales, lo que resulta en una degradación de la relación portadora-interferencia (C/I). ^{[ 1 ]} Una alta relación C/I proporciona una comunicación de calidad. Una buena relación C/I se logra en sistemas celulares mediante el uso de niveles de potencia óptimos a través del control de potencia de la mayoría de los enlaces. Cuando la potencia de la portadora es demasiado alta, se crea una interferencia excesiva, lo que degrada la relación C/I para otro tráfico y reduce la capacidad de tráfico del subsistema de radio. Cuando la potencia de la portadora es demasiado baja, la relación C/I es demasiado baja y no se cumplen los objetivos de QoS. ^{[ 1 ]}

En el momento en que se diseñan las celdas de un subsistema de radio, se establecen objetivos de calidad de servicio (QoS) para: congestión y bloqueo de tráfico, área de cobertura dominante, C/I, probabilidad de interrupción, tasa de fallos de transferencia, tasa de éxito general de llamadas, tasa de datos, retardo, etc. ^{[ 2 ]}

Cuanto mayor sea el tráfico generado, más estaciones base se necesitarán para atender a los clientes. El número de estaciones base para una red celular simple es igual al número de celdas. El ingeniero de tráfico puede lograr el objetivo de satisfacer a la creciente población de clientes aumentando el número de celdas en el área en cuestión, lo que también aumentará el número de estaciones base. Este método, llamado división de celdas (y combinado con la sectorización), es la única forma de brindar servicios a una población en auge. Esto simplemente funciona dividiendo las celdas existentes en tamaños más pequeños, aumentando así la capacidad de tráfico. La reducción del radio de la celda permite que la celda admita tráfico adicional. ^{[ 1 ]} El costo del equipo también se puede reducir disminuyendo el número de estaciones base mediante la configuración de tres celdas vecinas, que atienden tres sectores de 120° con diferentes grupos de canales.

Las redes de radio móviles operan con recursos finitos y limitados (el espectro de frecuencias disponible). Estos recursos deben utilizarse eficazmente para garantizar que todos los usuarios reciban servicio, es decir, que la calidad del servicio se mantenga de forma consistente. Esta necesidad de utilizar cuidadosamente el espectro limitado impulsó el desarrollo de celdas en las redes móviles, lo que permite la reutilización de frecuencias por grupos sucesivos de celdas. ^{[ 1 ]} Se han desarrollado sistemas que utilizan eficientemente el espectro disponible, por ejemplo, el sistema GSM . Bernhard Walke ^{[ 1 ]} define la eficiencia espectral como la unidad de capacidad de tráfico dividida por el producto del ancho de banda y el elemento de área superficial, y depende del número de canales de radio por celda y del tamaño del grupo (número de celdas en un conjunto de celdas):

${\displaystyle \mathrm {eficiencia} ={\frac {N_{\mathrm {c} }}{\mathrm {BW} \cdot A_{\mathrm {c} }}},}$

donde N _c es el número de canales por celda, BW es el ancho de banda del sistema y A _c es el área de la celda.

La sectorización se describe brevemente en relación con la carga de tráfico y el tamaño de la celda como una forma de reducir los costos de equipo en una red celular. ^{[ 2 ]} Cuando se aplica a grupos de celdas, la sectorización también reduce la interferencia cocanal, según Walke. ^{[ 1 ]} Esto se debe a que la potencia radiada hacia atrás desde una antena de estación base direccional es mínima y se reduce la interferencia con las celdas adyacentes. (El número de canales es directamente proporcional al número de celdas). La capacidad máxima de tráfico de las antenas sectorizadas (direccionales) es mayor que la de las antenas omnidireccionales por un factor que es el número de sectores por celda (o grupo de celdas). ^{[ 1 ]}

Los sistemas celulares utilizan una o más de cuatro técnicas de acceso diferentes (TDMA, FDMA, CDMA, SDMA). Véase Conceptos celulares . Consideremos el caso del Acceso Múltiple por División de Código para analizar la relación entre la capacidad de tráfico y la cobertura (área cubierta por las celdas). Los sistemas celulares CDMA permiten un aumento en la capacidad de tráfico a expensas de la calidad del servicio . ^{[ 3 ]}

En los sistemas de radio celular TDMA/FDMA, se utiliza la Asignación Fija de Canales (FCA) para asignar canales a los clientes. En FCA, el número de canales en la celda permanece constante independientemente del número de clientes en esa celda. Esto provoca congestión de tráfico y pérdida de algunas llamadas cuando el tráfico es intenso. ^{[ 4 ]}

Una mejor manera de asignar canales en sistemas celulares es la Asignación Dinámica de Canales (DCA), compatible con GSM , DCS y otros sistemas. DCA es una mejor manera no solo de manejar el tráfico celular en ráfagas, sino también de utilizar eficientemente los recursos de radio celular. DCA permite que el número de canales en una celda varíe con la carga de tráfico, aumentando así la capacidad del canal con poco costo. ^{[ 1 ]} Dado que a una celda se le asigna un grupo de portadoras de frecuencia (por ejemplo, f ₁ -f ₇ ) para cada usuario, este rango de frecuencias es el ancho de banda de esa celda, BW. Si esa celda cubre un área A _c , y cada usuario tiene un ancho de banda B entonces el número de canales será BW/B. La densidad de canales será ${\displaystyle {\frac {\mathrm {BW} }{A_{\mathrm {c} }\cdot \mathrm {B} }}}$. ^{[ 5 ]} Esta fórmula muestra que a medida que aumenta el área de cobertura A _{c , disminuye la densidad de canales.}

Parámetros importantes como la relación portadora-interferencia (C/I), la eficiencia espectral y la distancia de reutilización determinan la calidad del servicio de una red celular. El tiempo de retención del canal es otro parámetro que puede afectar la calidad del servicio en una red celular, por lo que se considera al planificar la red. Sin embargo, calcular el tiempo de retención del canal no es fácil. (Este es el tiempo que una estación móvil (MS) permanece en la misma celda durante una llamada). ^{[ 3 ]} Por lo tanto, el tiempo de retención del canal es menor que el tiempo de retención de la llamada si la MS viaja más de una celda, ya que se producirá una transferencia y la MS cederá el canal. En la práctica, no es posible determinar con exactitud el tiempo de retención del canal. Como resultado, existen diferentes modelos para la distribución del tiempo de retención del canal. En la industria, una buena aproximación del tiempo de retención del canal suele ser suficiente para determinar la capacidad de tráfico de la red.

Uno de los artículos en Key y Smith ^{[ 3 ]} define el tiempo de retención del canal como igual al tiempo de retención promedio dividido por el número promedio de traspasos por llamada más uno. Por lo general, se prefiere un modelo exponencial para calcular el tiempo de retención del canal por simplicidad en las simulaciones. Este modelo proporciona la función de distribución del tiempo de retención del canal y es una aproximación que se puede utilizar para obtener estimaciones del tiempo de retención del canal. El modelo exponencial puede no estar modelando correctamente la distribución del tiempo de retención del canal como otros artículos pueden intentar demostrar, pero proporciona una aproximación. El tiempo de retención del canal no se puede determinar fácilmente de forma explícita; el tiempo de retención de la llamada y los movimientos del usuario deben determinarse para dar implícitamente el tiempo de retención del canal. ^{[ 3 ]} La movilidad del usuario y la forma y el tamaño de la celda hacen que el tiempo de retención del canal tenga una función de distribución diferente a la de la duración de la llamada (tiempo de retención de la llamada). Esta diferencia es grande para usuarios muy móviles y tamaños de celda pequeños. ^{[ 3 ]} Dado que las relaciones entre el tiempo de retención del canal y la duración de la llamada se ven afectadas por la movilidad y el tamaño de la celda, para un MS estacionario y tamaños de celda grandes, el tiempo de retención del canal y la duración de la llamada son iguales. ^{[ 3 ]}