Anno Accademico Trasmissioni radiomobili1 Universita di TorVergata-Facolta di Ingegneria Trasmissioni Radiomobili ( IV parte) Anno Accademico Antonio Saitto-Romeo Giuliano

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili2 Analisi delle prestazioni di un sistema cellulare

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili3 Parametri del canale Banda di coerenza B c Banda doppler B d =v/ Delay spread m =1/B c Tempo di coerenza t 0 =1/B d

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili4 Canale Selettivo in frequenza Se il canale selettivo in frequenza mantiene il notch nella banda lerrore non e eliminabile facilmente, a meno di usare tecniche di frequency hopping

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili5 Valutazione in presenza di affievolimento r(t)= e -j s i (t)+ (t), 0<t<T P 2 ( b )=Q( b ) b = 2 E b /N 0 P 2 = P 2 ( b )p( b )d b 0 Assumendo una distribuzione di Rayleigh si ha P 2 =1/2(1- ( ^ b /(1+ ^ b ))

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili6 Bilancio di radio collegamento (1) PTGTPTGT LsLs GRGR P R =P T G T G R /L s N=N 0 B

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili7 Bilancio di radio collegamento (2) P r /N=E b R/BN 0 =P T G T G R /(L(d)N 0 B) E b /N 0 >(E b /N 0 ) 0 M s E b /N 0 =(B/R) P T G T G R /(L(d)N 0 BM s ) P rel =Prob{SNR med (d)- dB N (0,1)>SNR 0 }=prob{ dB N (0,1)<M s }

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili8 Bilancio di radio collegamento (3) P rel =prob{ dB N (0,1)<M s } Q(Ms/ dB )=1-P rel

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili9 Analisi delle tecniche di accesso per una Rete cellulare I parametri piu importanti al fine di questa breve analisi sono: –Copertura del territorio –Prestazioni di una singola zona di copertura (cella) –Interferenza tra le zone di copertura –Capacita di traffico a parita di banda occupata per zona –Riuso di frequenza Le tecniche piu usate sono: –Systema FDMA (Frequency Division Multiple Access) –Sistema Multi Frequency TDM-TDMA (Time Division Multiplexing -Time Division Multiple Access) –Sistema DS-SS o CDM-CDMA (Code Division Multiplexing-Code Division Multiple Access)

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili10 Copertura del territorio Area del territorio A=M celle Lato della cella d Area cella 3 3d 2 /2 Schema di riuso N f Fattore di riuso di frequenza A /( 3N f 3d 2 /2) Banda disponibile BA /( 3N f 3d 2 /2 Frequency reuse M/N f

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili11 Schema di Riuso Distanza tra i centri di celle isofrequenza =d (3N) N f = 1 / 3 (n 2 +¾m 2 ) NfNf n m m n

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili12 Interferenza al bordo di una singola cella Densita di potenza bordo cella Livello di interferenza accettabile

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili13 Relazione tra distanza tra interferente e bordo cella (r/d) min 3N- ½ 3

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili14 Miglioramento del rapporto SRI con luso dei settori (1) Ogni cella può essere divisa in settori: –Ogni settore utilizza una parte della banda destinata alla cella –ciascuno settore è fornito di una propria antenna In tal modo ogni antenna diminuisce linterferenza nelle direzioni di minore direttività non servite dal settore specifico

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili15 Miglioramento del rapporto SRI con luso dei settori (2) Lantenna non è omnidirezionale. Ad esempio scegliendo 3 settori lantenna ha un fascio di circa 120 gradi. Al di fuori del settore linterferenza diminuisce di oltre 15 dB Il numero di interferenti non è più pari a 6 per ogni anello, ma a circa 2-2,5

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili16 Esempio basato sul modello di Lee Reuse Number =

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili17 Esempi di copertura del territorio Best Server Coverage Array Esempio di copertura urbana (singola cella)

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili18 Predizione di copertura e Separazione co- channel Merged Survey Prediction Display of Co-channel separation

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili19 Traffico: richiami (1) Il traffico telefonico viene misurato in Erlang: – 1 Erlang=1 circuito (2 canali) usato per 60 mimuti nellora di punta La probabilita di blocco viene definita come la probabilitache la richiesta di connessione di un utente sia rifiutata da un sistema composto da M circuiti con un traffico complessivo di E Erlang. Usando la formula Erlang B (chiamata rifiutata chiamata persa) si ha: Pb=Pb= E M /M! E k /k! k=0 M una porzione di territorio puo essere considerata un insieme di circuiti offerti agli utenti per una quantita di traffico garantita con una assegnata probabilita di blocco –E d =Traffico totale per km 2 =( Numero di userper km 2 ) x (Erlang per user)

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili20 Traffico: richiami (2) Ogni cella radiomobile offre una capacita di traffico collegata ai circuiti presenti nella base station Una base station e divisa in settori ed ogni settore e in grado di trasmettere un numero massimo di canali M La superficie coperta da un settore e quindi in grado di offrire : –M d =M/Area settore circuiti per km 2 Sulla base del traffico garantito per una assegnata probabilita di blocco va dmensionata la grandezza della cella ed il relativo numero di circuiti Assumendo che M sia costante per un settore si ricava, sulla base del traffico E d per km 2 la dimensione massima della cella. Detto N u il numero di user attivi simultaneamente per ogni settore della cella (cosi definita) si ha: – N u = E d x(Area)

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili21 Analisi del traffico Traffic Density Raster Traffic density forecast using live data

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili22 Assumiamo: – Una probabilita di blocco P b (ad es. 0.1% ) –Che la base station abbia una capacita di M circuiti a settore (ad es. 16 ) –Che gli Erlang corrispondenti siano E (nellesempio 6.7) –Che vi siano N u utenti sullarea, per ogni settore di cellasi ha un numero di utenti simultanei pari a E d xA s Erlang (A s =Area da coprire/numero di settori). –La relazione tra la dimensione della cella ed il traffico risulta: Area settore=(3/2) 3d 2 /(numero settori)= N u /E d= (2/(3 3) N u (numero settori)/ E ) ½ Dimensionamento della singola cella

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili23 Esempio di dimensionamento (1) Aumentando il traffico la dimensione della cella si riduce

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili24 Esempio di dimensionamento (2) Aumentando i settori la dimensione della cella aumenta

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili25 Dimensionamento della cella sulla base del rapporto S/N Down Link S/N Up Link S/N Interference I Termal Noise N Signal S Interference I Termal Noise N Signal S Occorre considerare due distente valutazioni: link budget per lup ed il down link bilanciare I link budget per ottenere la stessa dimensione di cella sullup ed il down link

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili26 Link budget (1) Per up e down si puo scrivere: [C/(N+I)] [C/(N+I)] min +M s (dB) Dove: C= Potenza ricevuta N= Potenza di rumore I= Potenza complessiva interferente [C/(N+I)] min = Rapporto segnale disturbo per una data BER M s = Margine dovuto allo scattering di una cella singola M s = dB Q -1 (1-P rel ) P rel e la Reliability del link

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili27 Link budget : soft hand-off gain(2) Nel caso un utente passi da una cella allaltra il termine M s deve tenere in considerazione la correlazione fra lo scattering delle due celle :

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili28 Link budget (3) Passando da C, N e I a E b, N 0, I 0, si ha: Per un segnale non espanso: E b /(N 0 +I 0 )=C/(N+I) Per un segnale espanso: E b /(N 0 +I 0 )=(B/R b )C/(N+I) Dove: B=1/T c R b = Information bit rate

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili29 Up link budget: elementi C= P T G Tx G Rx L cTx L cRx L med Dove: P T potenza trasmessa G tx guadagno antenna Tx G Rx guadagno antenna Rx L cTx perdite cavi e feeder Tx L cRx perdite cavi e feeder Rx L med perdite tratta uplink N=N 0 BF=kT 0 BF Dove: N potenza di rumore ricevuta N 0 densita di potenza B banda di rumore k costante di Boltzman ( J/K) T 0 ptemperatura di rumore di riferimento (300 K) F figura di rumore I=I int +I ext Dove: I potenza interferente ricevuta I int dinterferenza dalla stessa cella I ext interferenza da celle vicine isofrequenza

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili30 Modello di propagazione COST 231

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili31 Up link budget (2) Per un segnale non espanso: E b /(N 0 +I 0 )=C/(N+I) Per un segnale espanso: E b /(N 0 +I 0 )=(B/R b )C/(N+I) I int dipende dallinterferenza da canale adiacente I ext dipende dallinterferenza da celle isofrequenza vicine alla cella di interesse Esempio a tre settori con N f =3 I int dipende dallinterferenza dovuta alla presenza di utenti con codici pn diversi nella stessa cella I ext dipende dallinterferenza dalle celle isofrequenza vicine in genere tutte (sempre costituite da codici pn) I settori usano tutti la stessa frequenza la separazione in potenza e fatta dal fascio dantenna

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili32 Up link budget (3) Per un segnale non espanso: E b /(N 0 +I 0 )=C/(N+I) Per un segnale espanso: E b /(N 0 +I 0 )=(B/R b )C/(N+I) I int e un dato del sistema dipendente dalla scelta della modulazione e delle slot di frequenza I ext dipende dalla distanza delle celle isofrequenza, dal numero delle celle N, dal numero delle portanti Np nel settore, dalla direzionalita delle antenne della base station, del modello di propagazione. I int dipende dal numero di utenti M/N s attivi nel settore,inclusa la statistica di attivita vocale ( 1), detto il fattore di peso dovuto alla presenza di piu settori N s I ext dipende dallinterferenza dalle celle isofrequenza vicine: I int =(M(1+ ) /N s -1)C I ext = n P T G Tx G Rx ( n ) L cTx L cRx L med(n) N1N1 I ext = (M/N s )C =0-0.5 =

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili33 Up link budget (4):(segnale a spettro espanso) X=I/(I+N)=M/M max M max =N s PG/{(E b /N 0 ) Target 10 M s /10 (1+ + ) } PG=B/R b EbEb N 0 +I 0 = P T G Tx G rx /(L med L cTx L cRx ) N (1-X)PG [ E b /(I 0 +N 0 ) ] Target L max =L med P T G Tx G rx /(L cTx L cRx ) N10 M s /10 (1-X)PG [ E b /(I 0 +N 0 ) ] Target Da L max e possibile ricavare il massimo raggio della cella per un dato numero di circuiti oppure il massimo carico possibile per un dato raggio, i.e.: M=M max X

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili34 Up link budget (5):(segnale a spettro espanso) L med (dB) P T (dBm)+G Tx (dBi)+G rx (dBi)-L cTx (dB)-L cRx (dB) +10log 10 (1-X)+PG(dB)-N(dBm)-M s - [ E b /(I 0 +N 0 ) ] Target ( dB) Nel caso di spettro espanso le celle possono lavorare tutte alla stessa frequenza e linterferenza e dovuta ai circuiti attivi nella cella e nelle celle vicine, ma e pesata dal guadagno di processo.

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili35 Esempio di calcolo di E b /N 0 per lup link (1)

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili36 Esempio di calcolo di E b /N 0 per lup link (2)

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili37 Up link budget (6):(segnale a spettro non espanso) L cTx L cRx L med P T G Tx G Rx C= =k P T G Tx G Rx L cTx L cRx L (N f ) =kCL med /L (N f ) I ext = n P T G Tx G Rx ( n ) L cTx L cRx L med(n) E b /(N 0 +I 0 )=C/(N+I)=C/M S /(N+kCL med /L (N f ) ) Nel caso di spettro non espanso le celle non possono lavorare tutte alla stessa frequenza dato che linterferenza e dovuta ai circuiti attivi nelle celle vicine, che lavorano alla stessa frequenza, che darebbero nel punto di confine fra 3 celle uninterferenza superiore alla potenza del segnale

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili38 Down link budget: segnale a spettro espanso(1) Pilota Per la pilota si puo scrivere: P p = P c E c /N 0 = P c G Tx G Rx (L cTx L cRx L med ) B(N 0 +I 0,int +I 0,ext ) I 0,ext 1.8I 0,int I 0,int B P c G Tx G Rx L cTx L cRx L med E c /N 0 P c G Tx G Rx (L cTx L cRx L med ) B(N 0 + ) 2.8P c G Tx G Rx L cTx L cRx L med

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili39 Down link budget: segnale a spettro espanso(2) Pilota E c /N 0 P c G Tx G Rx (L cTx L cRx L med ) B(N 0 + ) 2.8P c G Tx G Rx L cTx L cRx L med (E c /N 0 ) target P c G Tx G Rx BN 0 (L cTx L cRx L med ) +2.8P c G Tx G Rx 10 -M s /10 ( -2.8) (E c /N 0 ) target 10 -M s /10 L med BN 0 L cTx L cRx P c G Tx G Rx

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili40 Down link budget: segnale a spettro espanso Traffico M dl numero di user del settore di down link E b /(N 0 +I 0 ) (1- 0 )P c G Tx G Rx /M dl (L cTx L cRx L med ) B(N 0 + ) 2.8P c G Tx G Rx L cTx L cRx L med PG (1- 0 )P c G Tx G Rx /M dl (L cTx L cRx L med ) B(N 0 + ) 2.8P c G Tx G Rx L cTx L cRx L med PG10 -M s /10 (E b /(N 0 +I 0 )) target

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili41 Bilanciamento tra up e down link B dB =L max downlink -L max uplink Assumendo M s eguale per up e down link si ha: B=[(E b /(N 0 +I 0 )) target /PG- (E c /N 0 ) target ] dB + [F uplink -F downlink ] dB +[P T -P c ] dB + 10log 10 {( -2.8(E c /N 0 ) target )/(1-X)} Se B=0 il link e bilanciato, se >0, limitato dal down link, se <0 limitato dal up link

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili42 Esempio UP LINK DOWN LINK

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili43 Down link segnale a spettro non espanso E b /(N 0d +I 0 )=C d /(N d +I) L cTx L cRx L med P u G Tx G Rx Cd=Cd= I ext = n P d G Tx G Rx ( n ) L cTx L cRx L med(n) N1N1 N=N 0 BF d =kT 0 BF d I=I int +I ext

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili44 Bilanciamento tra up e down per un segnale a spettro non espanso E b /(N 0d +I 0 )=C d /(N d +kC d L med (N f ))= E b /(N 0 +I 0 )= C u /(N u +kC u L med (N f ) ) C d /N d =C u /N u

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili45 Dimensionamento con lo stesso riuso fi frequenza per un sistema GSM

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili46 Dimensionamento con lo stesso riuso fi frequenza per un sistema DS SS

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili47 Confronto di prestazioni Celle urbane a forte densita Celle sub-urbane a bassa densita

Anno Accademico Trasmissioni radiomobili48 Confronto di prestazioni (2)