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Lezione 21 – Sistemi Cellulari I Concetti Generali e GSM

Lezione 21 – Sistemi Cellulari I Concetti Generali e GSM. Introduzione. Il termine “cellulare” proviene dalla suddivisione dell’area di copertura del sistema in celle

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Lezione 21 – Sistemi Cellulari I Concetti Generali e GSM

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Presentation Transcript

  1. Lezione 21 – Sistemi Cellulari IConcetti Generali e GSM Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  2. Introduzione • Il termine “cellulare” proviene dalla suddivisione dell’area di copertura del sistema in celle • Una cella è formalmente definita come l’area nella quale l’uso delle risorse di comunicazione radio di una Mobile Station (MS) è controllato da una singola Base Station (BS) • La dimensione e la forma della cella e le risorse allocate per ogni cella dettano la performance del sistema • Dato il numero di utenti, la frequenza media delle chiamate, la durata media del tempo di chiamata Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  3. Sistema Radiomobile Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  4. Sistema Radiomobile connesso Switch Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  5. PSTN/ISDN Switch Sistema Cellulare Semplice Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  6. Area di copertura di una cella • Idealmente l’area coperta da una cella è di forma circolare • Molti fattori ne influenzano la forma reale • Riflessione, rifrazione dei segnali, presenza di una collina o di una valle o di un edificio molto alto e la presenza di particelle nell’aria • La forma reale della cella è determinata dalla intensità del segnale ricevuto nell’area Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  7. Area di copertura ideale Base Station Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  8. Area di copertura modellata Base Station Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  9. Area di copertura reale Base Station Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  10. Forma dell’area di copertura di una cella Modelli ad esagono, quadrato e triangolo equilatero. Nei modelli matematici e nelle simulazioni si usano gli esagoni come prima scelta e i quadrati come seconda Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  11. Copertura Radio (non-cellulare) • Gli operatori di sistemi convenzionali radiomobili, radio e TV e di servizi di localizzazione puntano a massimizzare l’area di copertura. • La copertura di un segnale radio è proporzionale a: • Altezza dell’antenna trasmittente • Potenza del trasmettitore • Sensibilità del ricevitore al rapporto segnale-rumore • L’altezza dell’antenna è la più importante Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  12. Copertura Radio (cellulare) • Filosofia opposta a quella dei sistemi non-cellulari • L’antenna è resa più bassa possibile per coprire solo l’area della cella (e permettere il riuso delle frequenze) • La potenza del segnale è bassa al punto giusto da permettere una qualità accettabile del segnale • La sensibilità del ricevitore è da relazionare alla dimensione della cella Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  13. S5 S4 S3 S2 S1 Tx Rx Dimensione di una cella radio Contorni dell’intensità di campo Se la soglia di Rx è S5, e Rx è il ricevitore standard per il sistema allora il raggio R definisce la dimensione della cella. R La dimensione della cella quindi è controllata da: potenza Tx, altezza antenna Tx, e soglia Rx. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  14. Schemi di riuso delle frequenze • Time Domain • Space Domain: • La stessa frequenza è usata in due differenti aree contemporaneamente come nei sistemi Broadcast Radio. • La stessa frequenza è usata ripetutamente nella stessa area generale di servizio come nei sistemi Cellulari Mobili Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  15. Riuso delle frequenze • In un sistema mobile, un canale radio consiste di una coppia di frequenze (full-duplex, uplink e downlink) • Il riuso delle frequenze è il concetto chiave dei sistemi cellulari • Un canale radio A radio che usa una frequenza f1 in una cella con raggio R può essere riusata a distanza D. • Gli utenti in celle diverse possono usare la stessa frequenza contemporaneamente. • Una progettazione del sistema impropria può causare un livello di Interferenza Co-Canale inaccettabile. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  16. Segnale indesiderato Interferenza co-canale Segnale desiderato Dal concetto di “Riuso delle Frequenze” arriva il termine “Interferenza Co-canale” Concetto di riuso delle frequenze f1 f1 D R R Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  17. Cluster N = 3 N = 4 2 2 1 N = 7 1 3 3 4 3 6 1 4 7 2 5 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  18. 2 1 5 2 4 5 1 3 7 4 6 7 3 6 Riuso delle frequenze con cluster N = 7 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  19. Geometria della cella R D R R Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  20. Distanza R D R Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  21. Indice di riuso Ipotizzando celle esagonali di uguale grandezza dove: D: Distanza tra i centri delle celle R: Raggio della cella q: Indice di riuso N: Dimensione del cluster Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  22. R D 2 4 3 1 4 2 4 1 3 1 2 4 2 3 1 4 2 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  23. Esempio 1 per N = 4 e R = 5 km La distanza minima alla quale è possibile riutilizzare la stessa frequenza è approsimativamente 3.5 volte R, in questo caso 17.32 km Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  24. 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 R D Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  25. Esempio 2 per N = 7 e R = 5 km La distanza minima alla quale è possibile riutilizzare la stessa frequenza è approsimativamente 4.6 volte R, in questo caso 22.91 km Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  26. Distanza della frequenza di riuso Dipende da: • Il numero di co-canali in vicinanza della cella centrale, • Il tipo di scenario geografico, • Altezza dell’antenna, e • Potenza trasmessa in ogni cella. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  27. La distanza di riuso della frequenza può essere determinata da: Dove N è la dimensione del cluster Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  28. Relazione N-D • Ipotizzando che le celle trasmettano tutte alla stessa potenza. • D in termini di R per un dato N: • N =4 D = 3.46R • N =7 D = 4.6R • N =12 D = 6R • N =19 D = 7.55R • Aumentare N corrisponde ad aumentare D Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  29. Obiettivi di progetto • Copertura di segnale • Coprire l’intera area con un minimo numero di celle. • Il 100% di copertura dell’area è impossibile. • Copertura di traffico • Riuscire nelle ore di punta a dare un servizio con un livello accettabile di Grade of Service (GoS). • Numero di canali per cella e carico del traffico. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  30. Modello di trasmissione radiomobile Percorso diretto 30 - 100 m Percorso riflesso q1 3m q2 2 km o più Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  31. Situazione migliore Percorso diretto 30 - 100 m 3m q1 Percorso riflesso q2 2 km o più Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  32. Propagation Path Loss In ambiente radiomobile, la potenza ricevuta al ricevitore è data (teoricamente) da: dove: C = portante ricevuta R = distanza tra Tx e Rx a = costante La pendenza della curva di perdite è 40 dB per decade, cioè un mobile che si muove da 1 a 10 km sperimenterà una perdita nel segnale di 40 dB. Nello spazio libero (come nei collegamenti in microonde) questa relazione è: Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  33. La differenza nella potenza ricevuta a due distanze differenti risulterà essere: In un ambiente radiomobile reale, la pendenza della curva di path-loss varia con: La variabile g varia tra 2 e 5 dipendentemente dalle reali condizioni ma non può essere meno di 2 (free space). dB Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  34. Rapporto D/R C1 C1 C/I = g C/I = g f1 f1 D P0 P0 R R q = D/R Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  35. La sfida • Ridurre l’interferenza co-canale ad un livello accettabile. • Più è grande N più grande sarà D. • Aumentare la distanza significa ridurre l’interferenza co-canale. • Un sistema con N grande porta ad inefficienza nella gestione. • La sfida è ottenere il più piccolo N che realizza le performance richieste. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  36. Interferenza co-canale • Il riuso delle frequenze è limitato dall’interferenza co-canale. • La dimensione della cella è determinata dall’intensità del segnale. • Il livello di soglia del ricevitore è settato alla dimensione della cella. • Per una fissata dimensione della cella, l’interferenza co-canale è una funzione del parametro q = D/R. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  37. Fattore di riduzione dell’interferenza co-canale L’interferenza co-canale è una funzione di q, che è chiamato fattore di riduzione dell’interferenza co-canale La distanza di separazione è una funzione di KI e C/I KI è il numero di cella interferenti nel primo strato, C/I è il rapporto carrier-to-interference per il mobile in esame Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  38. 1 1 R Interfering Cell 1 First tier Second tier D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  39. Celle con interferenza co-canale Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  40. Caso peggiore nell’interferenza co-canale Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  41. C/I è calcolato come: Segnale desiderato Segnale non desiderato L’equazione sopra diventa: Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  42. e qk è il fattore di riduzione dell’interferenza co-canale del kth co-canale interferente nella cella. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  43. Esempio • N =4 D = 3.46R q = 3.46 • N =7 D = 4.6R q = 4.6 • N =12 D = 6R q = 6 • N =19 D = 7.55R q = 7.55 Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  44. Per ridurre l’interferenza • Cell splitting • Cell sectoring Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  45. Cell Splitting • Un modo per fronteggiare l’aumento del traffico è dividere la cella in tante celle più piccole • Poichè l’area di copertura della cella è più piccola, i livelli di potenza trasmessa saranno più bassi e questo ridurrà l’interferenza co-canale. Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  46. Cell Splitting - Metodo A Original Cell Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  47. Cell Splitting - Metodo B Original Cell Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  48. Cell splitting Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  49. Cell Sectoring • Antenne omnidirezionali • Antenne direttive • E’ difficile progettare tali antenne, e il più delle volte, un antenna copre un’area di 60° o 120° • Le celle servite da tali antenne sono chiamate celle settorizzate Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

  50. Sectoring of cells with directional antennas Corso di Telematica A.A. 2003-2004 Prof. Salvatore Marano

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