Planificación celular en sistemas punto a multipunto

La utilización de antenas omnidireccionales en estaciones base de sistemas punto a multipunto da lugar a múltiples interferencias en las celdas vecinas, las cuales pueden evitarse empleando frecuencias distintas. Pero dado que se desaprovecha capacidad de tráfico, suelen emplearse técnicas de reutilización de frecuencia para volver a utilizar el espectro en celdas suficientemente alejadas de forma similar a como se realiza en los sistemas de telefonía móvil celular. Adicionalmente, en el interior de una misma celda también se emplea sectorización, tanto para aumentar la directividad de las antenas como para independizar el tráfico de un grupo de usuarios.

Las configuraciones habituales consisten en 4 sectores por celda utilizando antenas con un ancho de haz de 90 grados. El diagrama de radiación de una antena sectorial de 90 grados típica se muestra en la figura 1 (curva de color rojo). Se puede observar que la radiación se mantiene prácticamente constante desde −45 hasta 45 grados con una caída bastante suave fuera de la región de trabajo.

 Precisamente esta caída no abrupta (atenuación de tan solo 10 dB para 75 grados) provoca interferencia en los sectores adyacentes. Un tipo particular de interferencia es la causada por el lóbulo posterior de la antena (ángulo de 180 grados). La relación entre la densidad de potencia radiada por la antena en la dirección útil y la que radia por el lóbulo trasero se conoce como relación delante/detrás (forward/backward, F/B) y es un importante parámetro de diseño de la antena en lo relativo a interferencias. El ángulo acimut hace referencia al plano horizontal de la antena. Adicionalmente, la antena de la estación base también posee un diagrama de radiación vertical (ángulo de elevación) que se diseña para concentrar el máximo de radiación para aquellos ángulos por debajo de la horizontal que es donde se agrupan los abonados (téngase en cuenta que las antenas suelen instalarse en posiciones elevadas).

 

Figura 1: Diagrama de radiación de una antena sectorial de 90 grados.

 

Por los motivos de interferencia anteriormente comentados, es necesario un aislamiento entre sectores adyacentes que se realiza, bien empleando frecuencias distintas, o bien mediante polarizaciones distintas. De este modo, se llegaría a un esquema de planificación celular como el mostrado en la figura 2. En un principio, hemos supuesto un sistema que emplea únicamente polarización vertical. En este tipo de sistemas se escoge una geometría de las celdas cuadrada para cubrir una determinada área de cobertura, de donde se desprende que existirá solapamiento entre las celdas vecinas si las antenas radian uniformemente en el interior del ancho de haz. En la figura 2 se observa que existen celdas de dos tipos (A y B) uniformemente distribuidas a lo largo de toda la zona de cobertura. Las celdas de tipo A trabajan a frecuencias F1 y F3, mientras que las celdas de tipo B trabajan a frecuencias F2 y F4. Al lado de cada celda de tipo A existe una celda de tipo B para evitar interferencias, y a su vez, la orientación de los sectores en las celdas de tipo A situadas diagonalmente es distinta por idéntico motivo. En este esquema de planificación, no obstante, la reutilización de frecuencias que se consigue es del 100%.

 

 Figura 2: Planificación celular con 4 frecuencias, 1 polarización y sectores de 90 grados.

 

Un esquema de planificación celular alternativo sería el mostrado en la figura 3. En este caso, se emplean polarizaciones vertical y horizontal en cada uno de los sectores de las celdas. Inicialmente se utiliza polarización vertical dado que proporciona menores pérdidas de propagación y, posteriormente, para completar el exceso de tráfico se utilizan enlaces con polarización horizontal. La reutilización de frecuencias es ahora del 200%, por lo que el sistema de la figura 3 es el doble de eficiente que el de la figura 2. Adicionalmente, en algunos sectores con mayores niveles de tráfico es posible aumentar la sectorización. En la figura 3 se muestra esquemáticamente el modo de realizar una sectorización de 30 grados en uno de los sectores de la celda de tipo A.

 

Figura 3: Planificación celular con 4 frecuencias, 2 polarizaciones y sectores de 90/30 grados.

A pesar de los esquemas de sectorización, reutilización de frecuencias y distintas polarizaciones que se emplean en los sistemas inalámbricos punto a multipunto, todavía es necesario un análisis cuidadoso del sistema para evitar en lo posible las interferencias cocanal y de canal adyacente. Las interferencias degradan la tasa de error (BER), siendo necesario un aumento de la potencia de señal recibida para compensar esta degradación. Existe pues un nivel mínimo de CIR (relación portadora a interferencia) que debe imponerse al sistema, el cual depende del esquema de modulación empleado. Normalmente, el valor de CIR requerido es de 12 dB para una modulación 4QAM/QPSK, 18 dB para 16QAM y 24 dB para 64QAM.

Un factor importante en el cálculo de la interferencia lo constituye la selectividad que posee el receptor frente a las modulaciones de los canales de frecuencia adyacentes. En la tabla I se presentan estos valores para las modulaciones 4QAM, 16QAM y 64QAM. Como ejemplo, el receptor puede atenuar 10 dB la potencia de un canal adyacente con modulación 4QAM. Lógicamente, conforme los canales se encuentran más alejados la selectividad es más elevada. El caso peor se tiene con la modulación 64QAM, donde el nivel de interferencia sería 2 dB superior a la potencia de canal adyacente.

Tabla I: Selectividad de canal adyacente para diversas modulaciones digitales.

 

Canal adyacente	4QAM	16QAM	64QAM
Primero	10 dBc	4 dBc	−2 dBc
Segundo	20 dBc	14 dBc	8 dBc
Tercero	30 dBc	24 dBc	18 dBc

Por otro lado y en lo referente a la polarización, la antena tampoco es ideal y posee una atenuación finita sobre la polarización cruzada. En la figura 1 anterior se representa el diagrama de radiación de la antena para la polarización cruzada (curva de color azul), donde se observa que existe una atenuación mínima de unos 30 dB con respecto al nivel de señal útil. Estos valores deben considerarse en cualquier diseño. A continuación realizaremos algunos ejemplos típicos de cálculo de interferencias que se realizan en el diseño de este tipo de sistemas celulares.

Fijémonos en primer lugar en la celda de tipo A de la figura 3. La primera interferencia que se observa es la que produce el canal de frecuencia F1 sobre el canal de frecuencia F3 y misma polarización del sector adyacente. De acuerdo con la tabla I se obtienen unos valores de selectividad de segundo canal adyacente de 20 dBc para 4QAM, 14 dBc para 16QAM y 8 dBc para 64QAM. Dado que los niveles de CIR requeridos son de 12, 18 y 24 dB para 4QAM, 16QAM y 64QAM respectivamente, se necesita que el diagrama de radiación de la antena se atenúe fuera del ancho de haz de 90 grados en 4 dB para 16QAM y en 16 dB para 64QAM para que el sistema funcione correctamente. Las mismas conclusiones se obtendrían para los sectores a frecuencias F2 y F4 con polarización horizontal.

Analicemos a continuación la interferencia entre sectores opuestos. En este caso, ambos sectores emplean la misma combinación de frecuencia y polarización, por lo que la interferencia será cocanal (caso peor). Sin embargo, el diagrama de radiación de la antena se encuentra por debajo de 30 dB para un margen de ángulos entre −180 y −135 grados y entre 135 y 180 grados, por lo que cualquiera de las modulaciones cumplirá el requerimiento de CIR que es inferior a los 30 dB.

La utilización de sectorización de 30 grados merece una mención especial. El sector central opera ahora a la misma frecuencia pero distinta polarización que los sectores de 90 grados adyacentes, por lo que se asegura una CIR superior a los 30 dB para todas las modulaciones y se minimizan los requerimientos sobre el diagrama de radiación de las antenas de 90 grados. Ahora bien, la problemática se encuentra en el caso de los sectores de 30 grados. En especial, el sector central produce una interferencia de canal adyacente a la misma polarización (vertical) entre los canales de frecuencias F2 y F3. Esto significa que la selectividad obtenida en el receptor para cada modulación es de 10 dBc, 4 dBc y −2 dBc para 4QAM, 16QAM y 64QAM respectivamente. Luego tomando los requisitos de CIR anteriores, se necesita asegurar una atenuación del diagrama de radiación fuera del sector de 2 dB, 14 dB y 26 dB respectivamente. Aunque las antenas de ancho de haz de 30 grados son más directivas, sólo sería posible en la práctica cumplir con los requisitos para las modulaciones 4QAM o 16QAM.

La situación alternativa de emplear en el sector central dos canales a frecuencia F1 y polarización vertical, y frecuencia F2 y polarización horizontal sería incluso más problemática. En este caso se tendrían interferencias copolares de segundo canal adyacente tanto para polarización vertical (F1 sobre F3) como para polarización horizontal (F2 sobre F4), las cuales se tratarían de igual forma a como se ha comentado anteriormente. Sin embargo, en este caso el requisito impuesto a los diagramas de radiación de las antenas de 90 grados son más estrictos, dado que existen interferencias cocanales y copolares entre el sector de 30 grados central y los sectores de 90 grados adyacentes. Las antenas de estos últimos deberían pues, presentar una atenuación superior a 12 dB, 18 dB y 24 dB para las modulaciones 4QAM, 16QAM y 64QAM respectivamente, para ángulos comprendidos entre 75 y 105 grados. En la figura 2 se observa que este requisito es difícil de cumplir, especialmente en el caso de las modulaciones 16QAM y 64QAM.

Finalmente, las interferencias entre polarizaciones cruzadas no afectan debido a la atenuación mínima de 30 dB impuesta por el diagrama de radiación. No obstante, el aumento de la potencia interferente en 2 dBc en el canal adyacente de la modulación 64QAM debe tenerse en cuenta en el diseño.