Esquemas de asignación de canales

En la gestión de recursos radioeléctricos para redes inalámbricas y celulares , los esquemas de asignación de canales distribuyen el ancho de banda y los canales de comunicación entre estaciones base, puntos de acceso y equipos terminales. El objetivo es lograr la máxima eficiencia espectral del sistema en bits/s/Hz/sitio mediante la reutilización de frecuencias , garantizando al mismo tiempo un cierto nivel de servicio al evitar la interferencia cocanal y la interferencia de canales adyacentes entre celdas o redes cercanas que comparten el ancho de banda.

Los esquemas de asignación de canales siguen uno de dos tipos de estrategia: ^{[ 1 ]}

1. Fijo : FCA, asignación de canal fijo: asignado manualmente por el operador de red.
2. Dinámico :
   1. DCA, asignación dinámica de canales
   2. DFS, selección dinámica de frecuencia
   3. Espectro ensanchado

En la asignación fija de canales ( FCA ) , a cada celda se le asigna un conjunto predeterminado de canales de frecuencia. La FCA requiere una planificación manual de frecuencias, lo cual es una tarea ardua en sistemas basados ​​en acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) y acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), ya que estos sistemas son altamente sensibles a la interferencia de canal compartido de celdas cercanas que reutilizan el mismo canal. Otra desventaja de los sistemas TDMA y FDMA con FCA es que 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 llamadas cuando el tráfico es intenso en algunas celdas, y capacidad ociosa en otras.

Si FCA se combina con FDMA convencional y posiblemente TDMA, se puede transferir un número fijo de canales de voz a través de la celda. Una nueva llamada solo puede conectarse mediante un canal no utilizado. Si todos los canales están ocupados, la nueva llamada se bloquea en este sistema. Sin embargo, existen varios esquemas de gestión dinámica de recursos de radio que se pueden combinar con FCA. Una forma simple es el umbral de transferencia adaptativo al tráfico, que implica que las llamadas de teléfonos celulares situados en la superposición entre dos celdas adyacentes pueden ser forzadas a realizar la transferencia a la celda con la menor carga en ese momento. Si FCA se combina con espectro ensanchado, el número máximo de canales no es fijo en teoría, pero en la práctica se aplica un límite máximo, ya que demasiadas llamadas causarían un nivel de interferencia cocanal demasiado alto, lo que provocaría problemas de calidad. El espectro ensanchado permite aplicar la respiración de celda , permitiendo que una celda sobrecargada tome prestada capacidad (número máximo de llamadas simultáneas en la celda) de una celda cercana que comparte la misma frecuencia.

FCA se puede extender a un sistema DCA mediante una estrategia de préstamo en la que una celda puede tomar prestados canales de la celda vecina supervisada por el Centro de Conmutación Móvil (MSC).

La Selección Dinámica de Frecuencia ( DFS ) es un mecanismo especificado para redes inalámbricas con puntos de acceso no controlados centralmente, como las LAN inalámbricas (comúnmente Wi-Fi). Está diseñado para evitar interferencias con otros usos de la banda de frecuencia, como radares militares , comunicaciones por satélite y radares meteorológicos . ^{[ 2 ]} Los puntos de acceso seleccionarían automáticamente canales de frecuencia con bajos niveles de interferencia. En el caso del estándar de LAN inalámbrica, la DFS se estandarizó en 2003 como parte de IEEE 802.11h . La banda de frecuencia real para la DFS varía según la jurisdicción. A menudo se aplica a las bandas de frecuencia utilizadas por el radar meteorológico Doppler terminal ^{[ 3 ] [ 4 ]} y la comunicación por satélite en banda C. La configuración incorrecta de la DFS causó una interrupción significativa en el funcionamiento del radar meteorológico durante los primeros despliegues de  Wi-Fi de 5 GHz en varios países del mundo. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Por ejemplo, la DFS también es obligatoria en la banda U-NII  de 5470-5725 MHz para evitar radares en Estados Unidos. ^{[ 6 ]}

Una forma más eficiente de asignación de canales sería la Asignación Dinámica de Canales ( DCA), en la que los canales de voz no se asignan a la celda de forma permanente, sino que, para cada solicitud de llamada, la estación base solicita un canal al MSC. El canal se asigna siguiendo un algoritmo que tiene en cuenta los siguientes criterios:

• Probabilidad de bloqueo futuro en celdas vecinas y distancia de reutilización
• Frecuencia de uso del canal candidato
• Probabilidad de bloqueo promedio del sistema general
• Distribución instantánea de la ocupación del canal

Requiere que el MSC recopile datos en tiempo real sobre la ocupación del canal, la distribución del tráfico y las indicaciones de intensidad de la señal recibida (RSSI). Se sugieren esquemas DCA para sistemas celulares basados ​​en TDMA / FDMA , como GSM , pero actualmente no se utilizan en ningún producto. Los sistemas OFDMA , como el enlace descendente de los sistemas celulares 4G , pueden considerarse como implementadores de DCA para cada subportadora individual y para cada intervalo de tiempo.

DCA se puede clasificar además en centralizado y distribuido . Algunos de los esquemas DCA centralizados son:

• Primero disponible (FA): se asigna a la llamada el primer canal disponible que cumpla con el requisito de distancia de reutilización.
• Asignación dinámica optimizada localmente (LODA): la función de coste se basa en la probabilidad de bloqueo futura en las celdas vecinas.
• Selección con máximo uso en el anillo de reutilización (RING): se selecciona un canal candidato que se utiliza en la mayoría de las celdas del conjunto de canales compartidos.

DCA y DFS eliminan la tediosa tarea manual de planificación de frecuencias. DCA también gestiona el tráfico celular intermitente y utiliza los recursos de radio celular de forma más eficiente. DCA permite que el número de canales en una celda varíe según la carga de tráfico, lo que aumenta la capacidad de canales con un coste mínimo.

El espectro ensanchado puede considerarse una alternativa a los complejos algoritmos DCA. Evita la interferencia cocanal entre celdas adyacentes, ya que la probabilidad de que los usuarios de celdas cercanas utilicen el mismo código de dispersión es insignificante. De este modo, se simplifica el problema de asignación de canales de frecuencia en redes celulares basadas en una combinación de espectro ensanchado y FDMA, como por ejemplo los sistemas IS95 y 3G . El espectro ensanchado también facilita que las estaciones base controladas centralmente compartan recursos dinámicamente entre sí en función de la carga de tráfico, simplemente aumentando el número máximo permitido de usuarios simultáneos en una celda (el nivel máximo de interferencia permitido de los usuarios en la celda) y disminuyéndolo en una celda adyacente. Los usuarios que se encuentran en la zona de solapamiento entre las áreas de cobertura de las estaciones base pueden transferirse entre celdas (lo que se denomina respiración celular), o bien el tráfico puede regularse mediante el control de admisión y la conformación del tráfico.

Sin embargo, el espectro ensanchado ofrece una eficiencia espectral menor que las técnicas sin espectro ensanchado, si la asignación de canales en este último caso se optimiza mediante un buen esquema DCA. La modulación OFDM , en particular , es una alternativa interesante al espectro ensanchado debido a su capacidad para combatir la propagación multitrayecto en canales de banda ancha sin ecualización compleja. OFDM se puede extender con OFDMA para el acceso múltiple de enlace ascendente entre usuarios en la misma celda. Para evitar la interferencia entre celdas, FDMA con DCA o DFS vuelve a ser de interés. Un ejemplo de este concepto es el estándar IEEE 802.11h mencionado anteriormente . OFDM y OFDMA con DCA se estudian frecuentemente como una alternativa para sistemas inalámbricos 4G .

En los servicios de comunicación de datos basados ​​en paquetes, la comunicación es intermitente y la carga de tráfico cambia rápidamente. Para lograr una alta eficiencia espectral del sistema , la asignación dinámica de paquetes (DCA) debe realizarse paquete por paquete. Algunos ejemplos de algoritmos para la DCA paquete por paquete son la asignación dinámica de paquetes (DPA), las redes dinámicas de frecuencia única (DSFN) y la programación de paquetes y recursos (PARPS).

• Tráfico celular
• radio cognitiva
• Asignación dinámica de ancho de banda (DBA)

• Esquemas de asignación de canales, sitio web de referencia de comunicaciones inalámbricas del JPL.