Post on 05-Feb-2016
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Il Sistema Radiomobile Cellulare:Concetti Generali e GSM
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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
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Sistema Radiomobile
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Sistema Radiomobile connesso
Switch
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Sistema Cellulare Semplice
SwitchPSTN/ISDNPSTN/ISDN
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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
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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
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Dimensione di una cella radio
Contorni dell’intensità di campo
Tx
S2
S1
S3
S4
S5
Rx
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.
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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
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Area di copertura ideale
Base Station
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Area di copertura modellata
Base Station
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Area di copertura reale
Base Station
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Cluster
2
3
1 1
2
4
3
4
1
3
6
5
27
N = 7
N = 3 N = 4
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Riuso delle frequenze con cluster N = 7
2
43
1
7
51
6 34
25
76
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Geometria della cella
DR
R
R
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Distanza
DR
R
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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.
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Concetto di riuso delle frequenze
D
f1 f1
R R
Dal concetto di “Riuso delle Frequenze” arriva il termine “Interferenza Co-canale”
Segnaledesiderato
Segnale indesideratoInterferenza co-canale
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Indice di riuso
NqR
D3
dove:D: Distanza tra i centri delle celleR: Raggio della cellaq: Indice di riusoN: Dimensione del cluster
Ipotizzando celle esagonali di uguale grandezza
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3
1
2
4
4
2
3
3
1
1
4
2
1
4
2
2
4
D
R
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Esempio 1
RND 3
per N = 4 e R = 5 km
543 D
La distanza minima alla quale è possibile riutilizzare la stessa frequenza è approsimativamente 3.5 volte R, in questo caso 17.32 km
32.175464.3 D
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4
1
3
6
5
27
4
1
3
6
5
27
4
1
3
6
5
27
4
1
3
6
5
27
4
1
3
6
5
27
D
R
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Esempio 2
RND 3
per N = 7 e R = 5 km
573 D
La distanza minima alla quale è possibile riutilizzare la stessa frequenza è approsimativamente 4.6 volte R, in questo caso 22.91 km
91.225583.4 D
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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.
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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
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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.
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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.
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1
1
1
1
1
1
1
11
1
1 1
1
Interfering Cell
First tierSecond tier
D
R
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Disposizione tipica su un’antenna
Tx
Rx
Rx
two Rx antennasfor diversity
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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
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Contorni di intensità del segnale
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Intensità del segnale ricevuto
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Variazione nella potenza ricevuta
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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
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Handover region
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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
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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
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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
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Struttura porta antenneStruttura porta antenne
Elementi radiantiElementi radianti
Locale apparatiLocale apparati
Stazione Radio Base