Il Sistema Radiomobile Cellulare: Concetti Generali e GSM

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

Sistema Radiomobile

Sistema Radiomobile connesso Switch

Sistema Cellulare Semplice Switch PSTN/ISDN

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

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

Dimensione di una cella radio Tx S2 S1 S3 S4 S5 Rx 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.

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

Area di copertura ideale Base Station

Area di copertura modellata Base Station

Area di copertura reale Base Station

Cluster N = 3 N = 4 2 2 1 N = 7 1 3 3 4 3 6 1 4 7 2 5

Riuso delle frequenze con cluster N = 7 2 4 3 1 7 5 6 4 2 5 7 6

Geometria della cella R D R R

Distanza R D R

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.

Concetto di riuso delle frequenze Dal concetto di “Riuso delle Frequenze” arriva il termine “Interferenza Co-canale” Segnale desiderato Segnale indesiderato Interferenza co-canale f1 f1 D R R

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

R D 2 4 3 1 4 2 4 1 3 1 2 4 2 3 1 4 2

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

R 4 1 3 6 5 2 7 D 4 1 3 6 5 2 7 4 1 3 6 5 2 7 4 1 3 6 5 2 7 4 1 3 6 5 2 7

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

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.

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

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.

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.

1 1 R Interfering Cell 1 First tier Second tier D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Disposizione tipica su un’antenna Rx Tx Rx two Rx antennas for diversity

Intensità del segnale e parametri della cella Quando una MS si muove allontanandosi dalla BS della cella, l’intensità del segnale si indebolisce, e ad un certo punto entra in azione un meccanismo noto come Handover Handoff, hand-off, or hand off in Nord America

Contorni di intensità del segnale

Intensità del segnale ricevuto

Variazione nella potenza ricevuta

Handover Per ricevere e interpretare i segnali correttamente, la MS deve ricevere una minima intensità di potenza Pmin. La MS tra i punti X3 e X4 può essere servita sia da BSi che BSj. Se la MS ha un link radio con BSi e si sta muovendo con continuità verso BSj, allora il cambio di link da BSi a BSj è conosciuto come handoff

Handover region

Handover area Regione tra X3 e X4 Dove realizzare un handover dipende da molti fattori Una opzione è di fare handoff a X5, dove le due BSs hanno uguale intensità Una considerazione critica è che l’handoff non dovrebbe essere realizzato troppo presto per evitare che la MS debba tornare a collegarsi alla cella precedente, essendosi mossa avanti e indietro

Per evitare l’effetto ‘ping-pong’ Alla MS è concesso rimanere connessa all’attuale link radio con BSi finchè il segnale di BSj supera quello di BSi di una certa soglia specificata E

Altri fattori che influenzano l’handover Area e forma della cella In una situazione ideale la configurazione della cella deve coincidere con la velocità delle MSs e avere confini più ampi dove il rate di handover è minimo La mobilità di un MS è difficile da predire Ogni MS ha uno schema di mobilità differente

Stazione Radio Base Elementi radianti Struttura porta antenne Locale apparati