Copyright Gruppo Reti di Telecomunicazioni – Politecnico di Torino Principi generali RETI...

Copyright Gruppo Reti di Telecomunicazioni – Politecnico di Torino

Principi generali

RETI CELLULARI

RETI RADIOMOBILI 3 Copyright Gruppo Reti di Telecomunicazioni – Politecnico di Torino

Definizioni

• Rete wireless• (sotto)rete in cui l’accesso da un terminale

avviene attraverso un canale radio, “senza filo”• Rete cellulare

• Rete la cui copertura geografica è ottenuta con una tassellatura di aree adiacenti e/o sovrapposte dette celle

• L’utente (terminale mobile) si può muovere attraverso la rete passando da una cella all’altra senza interrompere la comunicazione


La copertura cellulare


La copertura cellulare teorica

• Stazione base a centro cella con antenna isotropica

• Celle: aree esagonali regolari

Carla Chiasserini

Cerchio non consente la tassellazione del piano.Tasselazione:esagono, quadrato, triangolo equilatero.Ma l'esagono è quello con area maggiore a parità del raggio del cerchio circoscrivente del poligono.


La copertura cellulare teorica

• 3 antenne direzionali a 120° ad un’estremità delle celle

• 3 antenne nello stesso sito

Carla Chiasserini

stesso sito=costi BS + bassi


La copertura cellulare reale

Costituita da aree esagonali regolari

Carla Chiasserini

tipica copertura radio di una data area geografica. La zona è coperta (nel senso che il servizio è garantito in ogni suo punto) attraverso celle (indicate con differenti colori). Ogni cella è generata da una specifica antenna. In ogni cella, il livello di segnale radio generato dalla relativa antenna è sufficientemente elevato da garantire che il canale diffusivo (broadcast) di cella siaricevuto correttamente da tutti i mobili che in un dato istante si trovano coperti dall’antenna stessa (affermazione più precisa di quella formulata precedentemente).In funzione di queste caratteristiche è possibile valutare l’intensità del campo elettromagnetico attraverso opportuni modelli empirici.La condizione di non sovrapposizione tra le celle esplicitamente assunta nella figura implica che ogni elemento geografico della stessa sia assegnato alla antenna (colore) che in quel punto genera il valore massimo di campo.


Le celle

• Le celle non sono regolari (esagoni) e delle stesse dimensioni

• Forma e dimensione della cella determinate da

– Potenza delle antenne

– Guadagno di antenna

– Morfologia del territorio (in aree urbane dalla forma degli edifici)

– Condizioni di propagazione


Le celle

• Modelli di propagazione: occorre distinguere tra macrocelle e microcelle

• Per una copertura macrocellulare (come quella rappresentata in figura), le caratteristiche del territorio sono normalmente rilevate da satellite:

– L’estensione delle aree urbane

– Le porzioni seminative

– Le aree di bosco fitto o a macchie

– Le aree rocciose e montane…..


Tecniche di accesso multiplo

• Accesso multiplo: I canali radio sono risorse comuni a molti utenti

• Tecniche di accesso multiplo

• FDMA (Frequency Division Multiple Access)

• TDMA (Time Division Multiple Access)

• CDMA (Code Division Multiple Access)

• SDMA (Space Division Multiple Access)

Carla Chiasserini

TACS usava FDMAGSM usa FDMA/TDMA(entrambi richiedono pianificazione delle frequenze)IS-95 usa CDMA


FDMA: riutilizzo delle frequenze

• Con un limitato numero di risorse radio si vogliono conseguire i seguenti obiettivi:

– Assicurare la copertura del territorio

– Servire un elevato numero di utenti

Usare le stesse frequenze in punti geografici diversi

Carla Chiasserini

I sistemi cellulari sono basati sul concetto di riuso frequenziale. La frequenza (che per oravediamo come un insieme di canali radio) usata in una cella è riusata in un’altra cella, così distante dalla prima per cui si possa assumere che il livello di interferenza tra le due celle stia al di sotto di una data soglia.

Carla Chiasserini

nei 70's a NYC tante celle quante frequenze senza riuso: celle grandi con antenne su torri ad elevata potenza. Si potevano servire solo 12 utenti contemporaneamente ogni 1600 kmq

Carla Chiasserini

Occorre allora sfruttare meglio le poche risorse di spettro allocate al servizio cellulare per servire un elevato no. di utenti


Riutilizzo delle frequenze

1 2 3 4 5 6 7

31

27

45

6

“riuso di frequenza” equivale a SDMA

31

27

45

6

31

27

45

6

31

27

45

6

31

27

45

6



• Si definisce la larghezza di banda di un canale:

– 25 kHz per TACS

– 200 kHz per GSM

• Si divide lo spettro a disposizione, S, in N canali di quella larghezza di banda (S/N) e si definiscono le frequenze associate (portanti)



• Si partizionano gli N canali in G gruppi di k=N/G canali ognuno (k canali / cella)

• Si definisce cluster l’insieme delle G celle adiacenti che usano tutti gli N canali una volta sola

• Si divide il territorio in cluster di celle

• Fattore di riuso: 1/ G

Carla Chiasserini

Il concetto di cluster ha significato prettamente didattico. Nella realtà esso può essere usato soltanto in termini di numero medio dei raggruppamenti di celle che nel loro insieme esauriscono la banda disponibile. Ll’irregolarità stessa della copertura reale rende arduo l’uso di questa schematizzazione.


Cluster con 3 celle

G=3 gruppi

• L’insieme dei canali nel gruppo blu, giallo e rosa sono disgiunti

• Celle dello stesso colore sono dette “co-canale”

CLUSTER


Cluster con 7 celle

G=7 gruppi

CLUSTER

1 2 3 4 5 6 7

31

27

45

6


Dimensione del cluster

• No. celle/cluster:

• Possibili valori di G: 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, …

ijjiG 22

ij

i e j interi

D

Carla Chiasserini

Per la geometria esagonale, ogni cella ha esattamente 6 celle co-canale equidistanti da essa e ciascuna separata dall'altra di 60 gradi.Per tasselllare lo spazio senza gaps, G può avere solo certi valori.

Carla Chiasserini

Nell'esempio: i=3; j=2 e G=19


Dimensione del cluster

• No. celle/cluster:

• rispettando G per ogni cella determina una tasselazione dell'area senza gap.

ijjiG 22

ij

Regola: una cella cocanale può trovarsi solo a distanza calcolata come i celle lontano e poi altre j celle in direzione a 60 gradi in senso antiorario, con i e j interi.

D

Carla Chiasserini

Per la geometria esagonale, ogni cella ha esattamente 6 celle co-canale equidistanti da essa e ciascuna separata dall'altra di 60 gradi.Per tasselllare lo spazio senza gaps, G può avere solo certi valori.

Carla Chiasserini

Nell'esempio: i=3; j=2 e G=19


Capacità della rete cellulare

• M: numero di volte che devo ripetere il cluster per coprire l’intera area

SMN

SkGMCapacità


La dimensione della cella

Al crescere di M (celle più piccole), aumenta la capacità del sistema

Carla Chiasserini

Data una certa area da coprire: celle + piccole, ripeto il cluster un no. maggiore di volte, dunque M aumenta


La dimensione della cella

R (raggio cella)

costocapacità

A pari G:

• Minore R, maggiore M, maggiore capacità

• Minore R, maggiore numero di antenne per avere la stessa coperura

Claudio Casetti

a pari G vuol dire a pari C/I(portante/interferenza)


La dimensione del cluster

G

capacità

qualità

A pari R (= a parità di copertura di una cella):

• Minore G, maggiore num di canali per cella (k) e maggiore M -> maggiore capacità

• Maggiore G, maggiore D, minore interferenza, migliore qualità


I parametri D ed R

DR

• Per celle con stessa dimensione e stazioni base con la stessa potenza, l‘interferenza co-canale diventa funzione solo di R e D

Carla Chiasserini

D distanza tra 2 trasmettitori che usano la = freq.Si possono considerare 2 BSs (centro cella)R è anche il lato dell'esagono



• SIR (I=interferenza co-canale) valutato con C/I(potenza portante / potenza interferente)

• Maggiore è la distanza D tra i trasmettitori, minore è l’interferenza

• Maggiore è il raggio R di una cella, maggiore la potenza usata e quindi l’interferenza

E’ fondamentale Q = D/R



– Considerando che celle co-canale si trovano in linea retta e poi ad angolo di 60°, vale la relazione:

GRDQ 3/

• Più grande è G, maggiore è Q, maggiore C/I, migliore la qualità del servizio fornito all’utente


Dimostrazione

GRD

ijjiRijjiRD

lD

3

3120cos2)60sin(2 2222

3

2122

213 cos2 lllll

l1 l2

l3

)60sin(2)60sin(2 21 RjlRil

Claudio Casetti

l1 = num celle attraversate * 2*altezza dell'esagono = num celle attraversate * 2*raggio esagono * sin(60)

Claudio Casetti

cos(120) = -1/2sin (60) = sqrt(3)/2

Casetti

La relazione vale in virtù del Teorema SAS(secondo cui si può determinare un lato di un triangolo essendo noti due lati e l'angolo da essi sotteso)


Esempio: calcolo di C/I

Ipotesi:– Interferenti co-canale del primo tier (6)– Celle della stessa dimensione (raggio R)

– Trasmettitori usano la stessa potenza Pt– La potenza ricevuta alla distanza d è

proporzionale a 1/dn

6

3

6

)/(

6

nn

nt

nt GRD

DP

RP

I

C

Carla Chiasserini

es. rappaport p. 40

Claudio Casetti

n è ipotetico fattore esponenziale (power decay factor)che preconizza una perdita di segnale in ambienti non-free space (there's no free lunch!)


Riutilizzo delle frequenze:criteri di progetto

• Maggiore D/R, maggiore C/I, migliore la qualità del servizio fornito all’utente

• Minore D/R, minore G, meno celle nel cluster. A pari numero di canali N, più canali nella cella e maggiore M maggiore la capacità del sistema

Carla Chiasserini

aggiungere conclusioni a parità di G, sul costo e capacità fatte all'inizio


Riutilizzo delle frequenze:criteri di progetto

• Alcune tecniche consentono di aumentare la capacità di traffico e diminuire l’interferenza

– Splitting

– Sectoring

– Tilting


Splitting

• Consente di suddividere celle di dimensioni grandi in celle più piccole

• Coesistono

– Microcelle: celle di dimensioni piccole in zone ad alta densità di traffico (aree metropolitane altamente popolate). Potenza alla stazione base ≈ 3 W

– Macrocelle: celle di dimensioni grandi in zone a bassa densità di traffico (zone rurali)

Carla Chiasserini

figura rappaport p.55


Splitting

• Ciascuna cella grande può essere sostituita con un certo numero di celle piccole

Carla Chiasserini

non ombrello: celle piccole SOSTITUISCONO alcune celle grandi


Sectoring

• La cella è divisa in settori che usano frequenze diverse con antenne direttive (a 60° o 120°)

• Le antenne direttive riducono l’interferenza

• Creo nuove “celle” senza aumentare i costi dei siti radio

• Configurazione tipica è la tri-cellulare con 3 settori per cella (3 celle per sito) e antenne direttive separate di 120°

Carla Chiasserini

se si fa splitting bisogna pero' usare + BSs->costoso.Si può allora fare sectoring e fare settori (celle) picoole senza aggiungere BSs -> meno costoso


Copertura cellulare con cluster di 9 celle e antenne settoriali a 120°

Stazioneradio base

Settori1

3

7

6

5

4

9

8

2


Tilting

• Le antenne direttive causano interferenza sostanzialmente solo lungo la direzione privilegiata

• L’interferenza in questa direzione può però essere elevata

• Le antenne vengono inclinate verso il basso di qualche grado (tilt)– Antenne FET (Fixed Electrical Tilt) hanno inclinazione “fisica”– Antenne VET (Variable Electrical Tilt) realizzano il tilt mediante

controllo di fase sul dipolo


Dimensione tipica del cluster

•Sistemi analogici con accesso FDMA (AMPS, TACS):

• cluster di 19 o 21 celle

•Sistemi numerici con accesso di tipo TDMA o misto FDMA/TDMA (GSM, D-AMPS):

• cluster di 7 o 9 celle

•Sistemi numerici con accesso CDMA (IS-95):

• cluster di una cella (almeno in linea di principio)

Carla Chiasserini

TACS sopporta peggio un basso C/I dunque si deve fare cluster di dimensioni grandi.GSM + efficiente e sopporta C/I peggiori, dunque si possono fare cluster di dim. inferiore


Riuso delle frequenze

FDMA/TDMA CDMA


Tecniche di copertura cellulare

• È possibile usare antenne direzionali per avere celle di forma e dimensione particolare

• Celle di dimensione (e forma) diversa

• Celle “stratificate” (celle a ombrello)

• Sono allo studio tecniche per ottenere celle “puntiformi” che “inseguono” il terminale mobile


Adattare la dimensione delle celle alle aree con diversa intensità di traffico

Zona ad altadensità di traffico

Zona a bassadensità di traffico


Copertura cellulare stratificata

micro-celle

Celle a“ombrello”

Carla Chiasserini

Celle ad ombrello: per supportare traffico che eccede dalle celle picoole, o per fornire su vaste aree canali di segnalazione da distribuire a tutti.O per gestire utenti ad alta velocità in aree dove servono microcelle per l'alta densità. Utenti lenti associati a microcelleUtenti veloci a macrocelle


Copertura cellulare di tipo autostradale

Celle per la copertura stradale

Via di grandecomunicazione

Altrecelle


Controllo di potenza• Necessario per ridurre:

– Interferenza– Consumo energetico

• Controllo ad anello aperto / chiuso

distanza

Pt

feedback


Pianificazione della copertura

• Allocazione statica dei canali (Fixed Channel Allocation, FCA)

– Basata sul concetto di cluster

– Le frequenze sono associate in modo statico e permanente

– Il piano frequenziale è cambiato solo di tanto in tanto per migliorare le prestazioni di rete o per seguire le variazioni lente del numero di utenti



• Allocazione dinamica dei canali (Dynamic Channel Allocation, DCA)

– Risorse assegnate alle celle da un controllore centrale, quando servono

– Il controllore tiene in conto i livelli di interferenza nel gruppo di celle controllato

– L’allocazione cambia nel tempo in base a

• numero di connessioni attive

• livello di interferenza

– Il piano frequenziale evolve nel tempo adattandosi allo stato del sistema

Carla Chiasserini

Il controllore è l'MSC


Allocazione automatica dei canali

BS di riferimento è cambiata?

C/I della connessione è la più alta tra i canali

disponibili?

Canalenon

cambia

no si

Scegli il canale disponibile con il valore

di C/I più alto

nosi

Utilizzata nel caso di una chiamata in corso:

Carla Chiasserini

Se la chiamata non cambia cella e le condizioni di interferenza rimangono le stese, la chiamata mantiene lo stesso canale che ha già, altrimenti lo cambia come da schema



• Schemi ibridi (Hybrid Channel allocation Scheme, HCS)

– Una porzione dei canali è allocata in maniera statica (FCA)

– Una porzione è allocata in maniera dinamica (DCA)

Carla Chiasserini

fare discorso che alcuni canali possono esere riservati a chiamate in handover


Rete Cellulare• La copertura radio del territorio è realizzata con

tante celle• Supporto della mobilità degli utenti


Architettura di reteBS = stazione radio base MSC = commutatore

BS

BS

MSC

MSC

MSC

BS

sezione radio o diaccesso

rete fissa(core network)

sezione di

utente

MT

MT

MT = terminale mobile

basedati

verso altrereti


Gestione della mobilità

• Il supporto dell’elevata mobilità è di fatto l’elemento distintivo tra le reti cellulari ed ogni altro tipo di rete TLC

• Sono necessarie alcune procedure• Roaming• Location updating• Paging• Handover


Roaming

• È la possibilità data all’utente di essere rintracciabile anche se si sposta all’interno della rete

• Il sistema deve memorizzare in una base di dati la posizione degli utenti per poterli rintracciare

• Per memorizzare la posizione dell’utente si divide il territorio in aree dette location area (LA) che sono insiemi di celle


Roaming

• Ogni location area ha un identificativo, il location area identifier (LAI)

LAI1

LAI2

LAI3


Location Updating

• È la procedura con cui avviene l’aggiornamento della posizione dell’utente

• In ogni cella di una LA viene diffuso periodicamente il LAI su un canale di controllo

• Il terminale mobile che riceve un LAI diverso da quello precedentemente memorizzato richiede al sistema una procedura di location updating (aggiornamento della base di dati)


Paging

• È la procedura con cui il sistema avvisa un terminale mobile di una chiamata in arrivo

• Il sistema invia un messaggio di paging all’interno della LA in cui è localizzato l’utente

Carla Chiasserini

tradeoff tra dimensione della LA e il paging load e location update overhead


Handover

• È la procedura che consente il trasferimento di una chiamata attiva da una cella alla successiva, mentre il terminale mobile si sposta all’interno della rete

• È un’operazione complessa che pone alla rete notevoli requisiti in termini di architettura di rete, di protocolli e di segnalazione per la gestione delle procedure connesse agli handover

Carla Chiasserini

handover e handoff: 2 termini usati in modo equivalente


Classificazione handover• Intra <-> Inter Cell

– Indica se l’handover avviene tra frequenze all’interno della stessa cella o tra celle diverse

• Soft <-> Hard– indica se durante l’handover sono attivi

entrambi i canali radio (soft) o solamente uno per volta (hard)

• Forward <-> Backward– indica se la segnalazione avviene tramite la BS

di origine (backward) oppure la BS destinazione (forward)


Classificazione handover

• MT <-> BS initiated– indica se il primo messaggio di segnalazione

per l’inizio di h.o. viene inviato dal terminale utente come richiesta (MT initiated) oppure da BS come comando (BS initiated)

• inoltre bisogna anche stabilire chi e come effettua le misure necessarie per stabilire il momento opportuno per effettuare un handover


Altre funzioni: la registrazione

• E’ la funzione di • collegamento del terminale alla rete• identificazione, autenticazione

• Procedura da eseguire:– all’accensione del terminale– tutte le volte che si desidera accedere ad un

nuovo servizio (es. fare una nuova chiamata)– serve ad associare il terminale alla rete


Evoluzione della telefonia cellulare


Evoluzione della telefonia cellulare

1970 1980 1990 2000 2010

10k

100k

1000k

bps

1G

TACSe altri

2G

GSM

3G

UMTS

GPRS

sistemi sperimentali


Miniaturizzazione

1984 1987 1990 1993 1996

Nokia10 kg

Nokia900 gr

Ericsson2 kg

Motorola285 gr

Motorola110 gr


Reti commerciali di prima generazione

• Tecnologia analogica

• Tecnica di accesso FDMA

• Solo servizio di telefonia

• Copertura del territorio con celle di grandi dimensioni

• Bassa qualità del servizio offerto

• Bassa efficienza nel riuso delle frequenze, e bassa capacità complessiva della rete


Reti commerciali di prima generazione

•TACS:

•Opera a 900 MHz

•Banda di canale pari a 25 kHz

•Totale di 1320 canali bidirezionali, con distanza tra up- e down-link di 45 MHz

•Uplink: 872 – 905 MHz

•Downlink: 917 – 950 MHz

•Una parte dei canali non usati per la presenza del GSM

• In Italia, servizio sospeso (TIM) il 31/12/05


Reti commerciali di seconda generazione

Differenza fondamentale è il passaggio da trasmissione analogica a digitale. Vantaggi:

•Integrazione di servizi diversi

•Crittografia sul canale radio (riservatezza)

•Dimensione tempo per sfruttare risorse radio

•Tecniche di codifica vocale per ridurre banda richiesta

•Tecniche di segnalazione per servizi avanzati



•Trasmissione digitale

•Tecnica di accesso FDMA/TDMA

•Tre bande di frequenza (900, 1800, 1900 MHz)

•Celle di dimensioni più contenute (raggio delle celle da alcune centinaia di metri ad alcune decine di km)

•Efficienza complessiva abbastanza buona, riuso delle frequenze da buono ad accettabile

•Alto grado di riservatezza e di sicurezza (PIN, trasmissione criptata)



• Per la trasmissione dati velocità molto basse (9600 bps per GSM)

•Invio e ricezione di SMS (Short Message Service) di max 160 caratteri (dal 1992)

•Il servizio inizia nel 1991; ora è adottato da più di 160 Paesi

•Reti in esercizio: D-AMPS (o ADC) e IS-95 in USA, GSM in Europa, PDC in Giappone

•In Italia le licenze sono state assegnate a 4 operatori: TIM, Omnitel, Wind, (Blu)


Reti di seconda generazione “estese”

•Sfruttano la stessa architettura e la stessa tecnologia delle attuali reti di seconda generazione

•Sono una prima fase commerciale: GPRS in Europa, IS-95B in USA

•Servizi dati

•A pacchetto

•A velocità elevata (fino a 170 kbps in GPRS)

•Tariffazione in base al volume di traffico


Reti di seconda generazione “estese”

•L’architettura e` di tipo “multirete”, cioè la rete è formata da diverse sottoreti specializzate (es. DECT e DCS in ambiente urbano, GSM in ambiente rurale, etc.)

•È previsto l’uso di terminali “multistandard” in grado di collegarsi alla rete più opportuna in funzione del servizio richiesto

•Non sempre è possibile mantenere la comunicazione se è necessario cambiare sottorete (es. DCS->GSM SI, GSM->DECT NO)


Terminali GPRS: esempi


Convergenza PDA / cellulare

Accoppiamento PDA - cellulare


Reti di terza generazione

•Progettate per fornire servizi “multimediali”•Tecnica di accesso CDMA, W-CDMA o A-

TDMA (Advanced-TDMA, una evoluzione della tecnica FDMA/TDMA del GSM)

•Copertura cellulare “stratificata”, con celle di piccole dimensioni per avere elevata capacità e celle a ombrello sovrapposte per consentire elevata mobilità

•Uso della diversità spaziale (comunicazione contemporanea con più stazioni fisse) per maggiore qualità/affidabilità

•Elevata velocità (fino a 2Mbps)


Reti di terza generazione

•Elevata integrazione di molte sottoreti specializzate per fornire migliore qualità di servizio

•Richiede grandi investimenti

•Possibilità di handover tra sottoreti differenti

•Reti “previste”:•UMTS (Universal Mobile Telecommunication

System) - ETSI in Europa e Giappone

•CDMA2000 (IS-95C) in USA


Reti di quarta generazione

•Ancora da standardizzare

•Obiettivi

•Impiego di frequenze elevate (40 o 60 GHz)

•Velocità fino a 150 Mbps

•Interazione di reti eterogenee anche nell’interfaccia radio

•Terminali e reti autoconfiguranti

•Garantisce livelli di QoS

•Basata su IP

Copyright Gruppo Reti di Telecomunicazioni – Politecnico di Torino Principi generali RETI...

Documents

Transcript of Copyright Gruppo Reti di Telecomunicazioni – Politecnico di Torino Principi generali RETI...