Il Sistema Radiomobile Cellulare: Concetti Generali e GSM

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1 Il Sistema Radiomobile Cellulare: Concetti Generali e GSM

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

3 Sistema Radiomobile

4 Sistema Radiomobile connesso
Switch

5 Sistema Cellulare Semplice
Switch PSTN/ISDN

6 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

7 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

8 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.

9 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

10 Area di copertura ideale
Base Station

11 Area di copertura modellata
Base Station

12 Area di copertura reale
Base Station

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

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

15 Geometria della cella R D R R

16 Distanza R D R

17 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.

18 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

19 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

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

21 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 km

22 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

23 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 km

24 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.

25 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

26 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.

27 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.

28 1 1 R Interfering Cell 1 First tier Second tier D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

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

30 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

31 Contorni di intensità del segnale

32 Intensità del segnale ricevuto

33 Variazione nella potenza ricevuta

34 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

35 Handover region

36 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

37 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

38 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

39 Stazione Radio Base Elementi radianti Struttura porta antenne
Locale apparati