Problematiche di MAC in reti ad...

1

ProblematicheProblematichedidi MAC in MAC in retireti ad hocad hoc

� Si usano approcci CSMA-like, e.g. CSMA/CA

� Perche’ non TDMA like?

� Perche’ non CSMA/CD? nodi non ricevono/trasmettono contemporaneamente

� Hidden terminal

� Exposed terminal

I duenodi cheTx nonsi ascoltano

Il nodoPotrebbetrasmettere

2

802.11802.11--Distributed Coordination FunctionDistributed Coordination Function

� Basato sul CSMA/CA� prima di trasmettere un frame una stazione fa il sensing

del canale� Se il canale e’ libero per un intervallo superiore al

Distributed InterFrame Space (DIFS) la stazione trasmette� Altrimenti (canale gia’ occupato) si aspetta la fine della

trasmissione corrente + un intervallo casuale (backofftimer, il backoff e’ esponenziale fino a CWmax slots)

� Come fa la MS trasmettente a sapere che il frame e’ statoricevuto con successo (ad esempio si possono vcerificareproblemi per l’effetto dle terminale nascosto nel caso diinizio di trasmissioni simultanee)? Viene inviato dalricevente un ACK esplicito alla fine della corretta ricezionedel frame, dopo aver atteso per un tempo Short InterFrame Space (SIFS), SIFS < DIFS

3

802.11802.11--Distributed Coordination FunctionDistributed Coordination Function� Per alleviare gli effetti sulle prestazioni del fenomenodel terminale nascosto il DCF puo’ usare un meccanismo divirtual carrier

sensing� prima di trasmettere un frame una stazione fa il sensing del canale, aspetta

un tempo DIFS e se possibile trasmette un pacchetto (corto) di controllodenominato RTS (Request to Send), annunciando che trasmettera’ un frame di una certa lunghezza a quella destinazione

� Il pacchetto RTS contiene un campo NAV (Network Allocation Vector) con la stima esatta del tempo necessario dalla ricezione dell’RTS al completamentodella trasmissione dell’ACK relativo alla conferma della corretta ricezione del frame �� ricevendo l’RTS tutte le stazioni vicine al trasmittentesanno di non poter usare il canale per questo tempo

� Il destinatario risponde se riceve correttamente l’RTS ed il canale e’ liberocon un CTS (Clear to Send), che a sua volta contiene un campo NAV, dicendo‘OK, ricevero’ il tuo messaggio’�� tutti I vicini della destinazione saprannoche il canale e’ occupato, per quanto tempo e si astengono dal tramettere in tale tempo

� Quale il vantaggio del meccanismo RTS/CTS? Che problemi risolve? Cheproblemi (se puo’) crea?

4

Consumo energeticoConsumo energetico

5

Protocolli a basso consumo energeticoProtocolli a basso consumo energetico� I dispositivi portatili hanno bisogno di sorgenti esterne di

energia (batterie, celle solari) per poter operare� Il tempo di vita delle batterie rimane limitato.

� Aumentano le richieste di energia dei dispositivi portatili

� Occorre quindi evitare il piu’ possibile sprechi di energia per massimizzare il tempo in cui i dispositivi possono essere operativi

� Varie componenti del consumo energetico (display, interfaccia radio, CPU...). Tipicamente consumo dovuto all’interfaccia radio una delle componenti piu’significative.

6

Consumo energetico dellConsumo energetico dell’’ interfaccia radiointerfaccia radio

� Il transceiver puo’ essere in uno di questi stati

tx

rx

idle

asleep

Awake and transmitting

Awake and receiving

Awake, neither transmitting nor receiving

Asleep: interfaccia radio non operativa (non si puo’Ne’ trasmettere ne’ ricevere)

Consumo dipende dallo stato e dal transceiver. Valori ‘di riferimento’:E(Rx)<=E(Tx)=2E(Rx); E(idle) un po’ piu’ bassa E(rx);E(asleep) MOLTO piu’ bassa (e.g. 1/100)

7

Protocolli a basso consumo energetico per Protocolli a basso consumo energetico per ll ’’ interfaccia radiointerfaccia radio

� Obiettivo: minimizzare il consumo energetico(cercando di tenere i nodi il piu’ possibile in stati a basso consumo energetico; tenendo anche conto dei costi di passare da uno stato all’altro) MANTENENDO buone prestazioni rispetto alle metriche classiche(troughput, ritardo,...)

� Criteri generali:� Evitare di trasmettere/ricevere informazioni

ridondanti/non necessarie o evitare di txquando c’e’ una probabilita’ elevata che il pacchetto vada perso

� Attenzione alla ricezione: costa e non e’predicibile quando dovro’ ricevere

� alternanza stati di awake/alseep� minimizzazione del consumo energetico legato alla Trasmissione di informazione

8

Protocolli a basso consumo energetico per Protocolli a basso consumo energetico per ll ’’ interfaccia radio. Esempi:interfaccia radio. Esempi:

� Evitare di trasmettere/ricevere informazioni ridondanti/non necessarie o evitare di txquando c’e’ una probabilita’ elevata che il pacchetto vada perso

� Esempi: – compressione dell’header– Evitare di ricevere completamente pacchetti di cui non si e’ destinazione (ricordatevi che il mezzo fisicoe’ broadcast!!)

- bloccare le ritrasmissioni di pacchetti persi under heavy fading

9

Protocolli a basso consumo energetico per Protocolli a basso consumo energetico per ll ’’ interfaccia radio. Esempi:interfaccia radio. Esempi:

� minimizzazione del consumo energetico legato alla trasmissione di informazione

� Esempi: – Power control (non trasmetto alla massima potenza

del dispositivo ma con sufficiente potenza affinche’ ilo i vicini mi ricevano)

– Instradamento su piu’ hop ‘corti’ puo’ convenire...

Qualche informazione in piu’ sulle caratteristicheenergetiche dell’interfaccia radio per motivare queste affermazioni...

10

Energy in Radio: the Deeper StoryEnergy in Radio: the Deeper Story……..

� Wireless communication subsystem consists of three components with substantially different characteristics

� Their relative importance depends on the transmission rangeof the radio

Tx: Sender Rx: Receiver

ChannelIncominginformation

Outgoinginformation

TxelecE Rx

elecERFETransmit

electronicsReceive

electronicsPower

amplifier

Da Mobicom 2002 tutorialM. Srivastava, D. Estrin

11

ExamplesExamples

0

2000

4000

6000

8000

� The RF energy increases with transmission range

� The electronics energy for transmit and receive are typically comparable in short range systems, ARE NOT in long range systems

0

100

200

300

0

200

400

600

TxelecE Rx

elecERFE TxelecE Rx

elecERFE TxelecE Rx

elecERFE

nJ/bit nJ/bit nJ/bit

GSM Nokia C021 Wireless LAN

Medusa Sensor Node (UCLA)

~ 1 km ~ 50 m ~ 10 m

Da Mobicom 2002 tutorialM. Srivastava, D. Estrin

12


� Alternanza stati di awake e asleep� Esempio:

� in ricezione: quando sara’ pronto a ricevere ildispositivo ?

� conoscenza di questa informazione fondamentale perche’ coppie di dispositivipossano comunicare efficacemente

� Trade-off: latency/energy. Asleep time lunghi– Basso consumo energetico– Attesa lunga prima di poter comunicare con il nodo

13


� MAC:collisioni = sprechi energetici� Data link: FEC/ARQ ?� Routing: istradamento a basso consumo

energetico� ......� Necessita’ di tener conto del consumo energetico

in tutti gli strati protocollari

14

Allocazione delle frequenze: Allocazione delle frequenze: organizzazione a celleorganizzazione a celle

15

CoverageCoverageforfor a a terrestrialterrestrial zonezone

1 Base StationN=12 channels•(e.g. 1 channel = 1 frequency)

N=12 simultaneous calls

d

Signal OK if Prx > -X dBmPrx = c Ptx d

-4

greater Ptx � greater d

BS

Covering a large geographical area NOT possible

16

CellularCellular system system architecturearchitecture

f4

f5f6

f3

f1f2

f7

f4

f5

f6

f3

f1f2

f7

f4

f5f6

f3

f1f2

f7

f4

f5f6

f3

f1f2

f7

MSC 1MSC 1 MSC 2MSC 2

Wired network� 1 BS per cell

� Cell: Portion of territorycovered by one radio station

� One or more carriers(frequencies; channels) per cell

� Mobile users full-duplex connected withBS

� 1 MSC controls manyBSs

� MSC connected toPSTN

BS = Base StationMSC = Mobile Switching CentrePSTN = Public Switching Telephone Network

17

CellularCellular coveragecoveragetarget: cover the target: cover the samesamearea area withwith a a largerlarger numbernumber of of BSsBSs

19 Base Station12 channels

4 channels/cell

Worst case:4 calls (all users in same cell)

Best case:76 calls (4 users per cell)

Average case >> 12 Low transmit power

Key advantages:

•Increased capacity (freq. reuse)

•Decreased tx power

Importante per diminuire il consumo energetico

18

CellularCellular coveragecoverage((microcellsmicrocells))

many BS

Very low power!!

‘Unlimited’ capacity!!

Usage of same spectrum(12 channels)

(4 chan/cell)

Disadvantage:

mobility management

19

A

B

C

D

A

B

C

D

hexagonalhexagonalcellscells

� Hexagon:� Good approximation for

circle

� Ideal coverage pattern– no “holes”– no cell superposition

A

B

C

D

A

B

C

D

A

B

C

A

A

B

C

D

A

C

D

B

D

B

�Example case:

�Reuse pattern = 4

Cluster di celle

20

CellsCells in in realreal worldworld

Shaped by terrain, shadowing, etcCell border: local threshold, beyond which neighboring BS signal

is received stronger than current oneBigger/smaller cells in different areas depending on user density

21

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà

22

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà� Nelle reti cellulari gli utenti possono muoversi nell’area del

sistema e quindi passare da una cella ad un’altra� Questo ovviamente pone problemi di instradamento

dell’informazione (o più semplicemente delle chiamate nel caso di servizio voce)

� Tutte le procedure che la rete mette in atto per consentire agliutenti mobili di essere raggiunti da una comunicazione e di mantenere la comunicazione attiva anche in presenza di cambiamento di cellavanno sotto il nome di gestione della mobilità

23


� Gli utenti di sistemi cellulari MENTRE SI SPOSTANO possono:� chiamare� essere chiamati � conversare

� E’ necessaria una qualche “intelligenza” che supporti tutto questo (funzionalità di ROAMING).

24


� Nel caso di servizio a circuito le procedure di gestione della mobilità si differenziano a secondo che l’utente che si sposta sia in stato IDLE (nessun circuito attivo) o in stato ACTIVE (in conversazione)� ACTIVE: c’è un circuito attivo che deve

essere reinstradato dopo ogni cambio di cella (Handover)

� IDLE: l’utente deve poter essere localizzato per indirizzargli una chiamata (Location Update, Cell Selection, Cell Reselection)

25

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: : CellCell selectionselection

� Il terminale mobile scandisce le frequenze radio per decodificare il canale di controllo delle stazioni base della zona

� Il terminale seleziona la stazione base da cui riceve il segnale più potente

� Un terminale mobile in idle si “aggancia” ad una cella sulla base del segnale ricevuto dalla stazione base

� Su un opportuno canale di controllo comune la stazione radio base trasmette dell’informazione di sistema che, tra l’altro, specifica il suo identificativo

26

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: Location : Location UpdateUpdate� Location Area: entità topologica gerarchicamente superiore

alla cella (gruppo di più celle)� Un utente IDLE è localizzato dal sistema su base Location

Area (e non su base cella)� L’ultima location area di ogni utente è memorizzata in

opportuni database della rete

LA 1LA 2

Data Base

27

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: Location : Location UpdateUpdate� Se un utente in stato IDLE passa da una LA ad

un’altra scatena una procedura di Location Update� L’informazione sulla LA in cui si trova un utente serve

per indirizzare le chiamate

LA 2

Data Base

LA 1

28

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: : PagingPaging� All’arrivo di una chiamata per l’utente mobile viene

consultato il registro� Una volta nota la LA viene iniziata una procedura di paging� Ogni stazione base della LA invia un messaggio di controllo in

broadcast con l’identificativo dell’utente cercato� Alla risposta del teminale mobile la rete conosce la cella e

instrada la chiamata

Data Base

pagingpaging

reply

29

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: : PagingPagingvs. Location vs. Location UpdateUpdate

� QUESITO:� Quanto grandi conviene fare le Location Area?

– piccole– grandi

� Cosa spinge in un verso, cosa nell’altro?

LA 2

Data Base

LA 1

30

RoamingRoaming..

1. All’arrivo a LA l’utente deve registrarsi con il nu ovo VLR2. Il nuovo VLR informa l’HLR dell’utente della sua nu ova

posizione. L’HLR invia in risposta un ack con informazioni quali il profilo dell’utente

3. Il nuovo VLR informa l’utente della registrazione con successo4. L’HLR invia un messaggio di deregistrazione verso il vecchio VLR

MSCVLR

MSCVLR

HLR PSTN

NYLA 1

2

3

4

HLR: Home locationregister

VLR: Visiting locationregister

31

Set up di chiamate. EsempiSet up di chiamate. Esempi

1. MS��telefono fisso tramite l’VLR dell’MS

1. Telefono fisso��MS:tramite il gateway VLR si contatta l’HLR e tramite questo il VLR corrente.

2. IL VLR restituisce l’info sull’MSC da contattare3. La chiamata viene messa su

MSCVLR

MSCVLR

HLR PSTN

NYLA

3

2

3

GVLR1

112

2

32

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: Tipologie di : Tipologie di HandoverHandover

� Hard Handover (GSM-2G)

� Soft Handover (UMTS-3G)

Presuppone l’abbattimento e l’instaurazione di un nuovo link radio

Sfruttando la macrodiversitàl’utente ècontemporaneamente collegato con più stazioni base

33

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: Handover : Handover � Procedura con cui un terminale mobile in conversazione

cambia la stazione base su cui è attestato� Nel network-controlled handoff e mobile assisted handoff

(NCHO e MAHO) la procedura è sempre iniziata lato rete, sulla base di misurazioni (potenza del segnale ricevuto, qualità, ecc.) effettuate lato rete o lato utente

� Esempi di metriche prese in considerazione: percentuale di errori nella ricezione/trasmissione, RSSI, stime della distanza BS/MS e della qualita’ del canale

� Si richiedono procedure di Handover efficienti e veloci� E’ importante che vengano prese decisioni di handover corrette

(basandosi su misurazioni multiple, evitando se possibile effetti ping-pong) �� diverse tecniche per decidere quando effettuare handoff

� Vedremo nel caso del GSM come le procedure di handover vengono gestite dal punto di vista della segnalazione di rete e del routing del circuito

GSM

34

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: Handover: Handover

� La scelta delle soglie di attivazione della procedura di handover è fattore critico

� Se h è troppo piccolo ∆∆∆∆t è troppo piccolo e si rischia di perdere la connessione

� Se h è grande aumenta il numero di richieste di handover e quindi il traffico di segnalazione in rete

Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?Quando scatenare un Handover?

∆t t

Handover TH

Receiver THh

35


� Esistono diversi metodi1 - metodo del segnale più forte

– l’handover avviene nel punto A


�a causa delle fluttuazioni del segnale sono possibili molti rimbalzi (effetto ping-pong)

36


� Esistono diversi metodi2 - metodo del segnale più forte con soglia

– se il segnale dalla precedente BS è inferiore a una soglia (as. es. T2) e la potenza di un’altra BS è più forte; l’handover avviene nel punto B


37


� Esistono diversi metodi3 - metodo del segnale più forte con isteresi

– se la potenza dell’altra BS è più forte di un valore ≥≥≥≥ h; l’handover avviene nel punto C


38

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: Prestazioni Handover: Prestazioni Handover

� Quando avviene un handover viene rilasciato il canale nella vecchia cella e viene richiesto un canale nella nuova; il canale nella nuova può non essere disponibile

� Definiamo la probabilità di rifiuto di handover ( Pdrop) come la probabilità che una richiesta di handover non possa essere soddisfatta e la probabilità di blocco (Pblock) come la probabilità di rifiutare una nuova chiamata

� Nei sistemi che trattano le richieste di handover come le nuove richieste entranti (call setup) Pdrop=Pblock

� In realtà è meglio bloccare una chiamata entrante che perderne una attiva

� Si può tentare di trattare meglio le richieste di handover

39

Gestione della mobilitGestione della mobilitàà: Prestazioni Handover : Prestazioni Handover Tecnica dei Canali di GuardiaTecnica dei Canali di Guardia

� Canali di guardia (Guard Channels)� Un certo numero di canali viene riservato

per le richieste di handover� Pdrop diventa più bassa ma la capacità del

sistema risulta inferiore� E’ critico il dimensionamento del sistema che

necessita stime accurate sull’andamento temporale del traffico (quanti canali riservo alle richieste di handover?)

40


� Altre possibilita’

� Queuing priority scheme– Handoff area: area all’interno della quale l’MS puo’ ascoltare

entrambe le stazioni base. Se non sono disponibili canali nella nuova BS si continua ad essere interconnessi alla vecchia BS; larichiesta di handover viene bufferizzata alla nuova BS e servitanon appena si libera un canale.

� Subrating scheme– Se non ci sono canali disponibili presso la nuova Base Station un

canale precedentemente allocato per una chiamata viene ‘diviso in due canali a meta’ data rate’, permettendo ad entrambe le chiamate di andare avanti.

41

Codifica della voceCodifica della voce

42

Codifica della voce: Codifica della voce: Caratteristiche tempo/frequenzaCaratteristiche tempo/frequenza

suono vocalizzato : e

Andamento del segnale nel tempo Spettro del segnale (diversecomponenti in frequenza)

Suoni prodotti dalle vibrazioni delle corde vocali caratterizzati da 1) andamento periodico (con periodo detto periodo di pitch)2) ampiezza elevata, 3) variazione lenta del segnale, 4) numero basso (3-4) di frequenze attorno alle quali e’concentrata l’energia ( frequenze formanti) ,5) frequenze formanti distribuite essenzialmente tra le frequenze ‘basse’

43


suono non vocalizzato : f


Esempi sono le consonanti. Tali suoni sono caratterizzati da 1) andamento meno periodico/piu’ casuale 2) minore ampiezza rispetto ai suoni vocalizzati, 3) energia concentrata anche su frequenze piu’ elevate rispetto ai suoni vocalizzati

44


Parola ‘effe’


Si nota come consonanti e vocali abbiano ampiezze diverse e come lecomponenti di frequenza piu’ significative si trovino tra i 300Hz e i 3400HzCon componenti spettrali (piccole) fino a 6 KHz

45

Codifica della voce: Codificatori vocaliCodifica della voce: Codificatori vocali

� Waveform codecs (a forma d’onda)

�� codificatori che realizzano una

descrizione esplicita della forma

d’onda –q.siasi- in ingresso

(campionamento / quantizzazione),

la digitalizzano e tx, la forma d’onda

e’ ricostruibile con precisione al

ricevitore

� Source codecs (vocoders)

� Hybrid codecs

Trasformano la voce in un flusso di bit

46

Codifica della voce: Waveform codecsCodifica della voce: Waveform codecs

� nessuna conoscenza a priori di come il segnale è stato generato

� informazione necessaria: � banda del segnale B (telefonia classica < 4 KHz)� massimo rumore di quantizzazione tollerabile

campionatoreA to Db bits

per campione

00100001

alta qualita’, bassa complessita’, basso ritardo (1 campione),

robustezza agli errori e al rumore di fondo

quantizzazione

47

Codifica della voce: Codifica della voce: Pulse Code Modulation (PCM)Pulse Code Modulation (PCM)

� standardizzato da ITU nel 1960: G.711

� si assume B=4 kHz, e la frequenza di campionamento Bc=8 kHz, 8 bit/campione, 64 kb/s

� due differenti regole di quantizzazione (logaritmica) � per America (µµµµ-law) e � Europa (A-law) � regole di conversione standard

Perche’ nel PCM si campiona il segnale a 8000 bps?

48

Effetto di diversi tipi di quantizzazioneEffetto di diversi tipi di quantizzazione

Quantizzazione uniforme

� L’errore di quantizzazione e’ fisso (<q/2, con q passo di quantizzazione)

� Servono 12 bit per campione per riuscire a ottenere un errore di quantizzazione suff. Basso nel caso di valori piccoli

Quantizzazione non uniforme (o non lineare)

� Valori grandi possono sopportare errori maggiori

� Sono sufficienti 8 bit per campione in questo caso

49

Codifica della voce: Codifica della voce: Differential PCM (DPCM)Differential PCM (DPCM)

� i campioni vocali successivi presentano della correlazione

� è possibile utilizzare metodi di predizione per valutare il campione successivo noti i precedenti

� si trasmette solo la differenza tra valore predetto e valore reale

� a causa della correlazione la varianza della differenza èminore ed è possibile codificarla con un minor numero di bit

predittore

+camp. +-

quant.

50

Codifica della voce: Codifica della voce: Adaptive DPCM (ADPCM)Adaptive DPCM (ADPCM)

� le prestazioni migliorano se predittore e quantizzatore sono adattativi

� standardizzato nel 1980 da ITU ADPCM a 32 kbit/s: G.721

� successivamente ADPCM a 40, 32, 24, 16 kbit/s: G.726e G.727

Predittoreadattativo

+camp. +- quant.

adattativo

Bassa qualità

� Vantaggi: 1) riduzione della velocita’ di emissione a parita’ di qualita’ (da 64Kbps a 32Kbps) 2) consentire una maggiore qualita’ a Parita’ di data rate disponibile per ogni canale vocale

Usato nei sistemiCordless DECT

51

� Si basano su modelli di generazione della voce umana

� i modelli permettono di “togliere la ridondanza”da segmenti vocali fino a un’informazione base sufficiente a riprodurre la voce

� elevata complessità

� ritardi mediamente elevati

� sensibili a errori, rumore di fondo e suoni non umani

Codifica della voce: Codifica della voce: Source codecs (vocoders)Source codecs (vocoders)

52

Codifica della voce: Codifica della voce: Vocoder lineari (LPC)Vocoder lineari (LPC)

� in decodifica un sintetizzatore utilizza i parametri ricevuti per riprodurre il segnale

� ritardi elevati: segmentazione, analisi, sintesi

� qualità: intelligibile ma non naturale (limiti modello + problemi con rumori di fondo)

� bit rate basso: < 2.4 kbit/s

53

G.711 PCM

G.726 ADPCM

G.728 LD-CELP

G.729 CS-ACELP

G.723.1 MP-MLQ

G.723.1 ACELP

64

32

16

8

6.3

5.3

0.125

1

0.625

10

30

30

CompressioneBit rate

(kbit/s)

Framesize (ms)

0

0

0

5

7.5

5

Lookahead (ms)

1972

1990

1992-94

1995

1995

1996

Year

RPE-LTP (GSM) 13 20 01987

Codifica della voce: Principali CodificheCodifica della voce: Principali Codifiche

G.722 Subband ADPCM 48-64 0.125 1.51988

ibrido

54

�FINE LEZIONE DI GIOVEDI’ 21

PART 2PART 2Cellular Coverage ConceptsCellular Coverage Concepts

((piupiu’’ in in dettaglio sulldettaglio sull’’ organizzazioneorganizzazionedi di un un sistema cellularesistema cellulare))

Lecture 2.2Clusters and CCI

56

Reuse patternsReuse patterns� Reuse distance:

� Key concept� In the real world depends

on– Territorial patterns (hills,

etc)– Transmitted power

– and other propagation issues such as antenna directivity, height of transmission antenna, etc

� Simplified hexagonal cells model:� reuse distance depends on

reuse pattern (cluster size)� Possible clusters:

– 3,4,7,9,12,13,16,19,…

13

4

5

6

7

21

3

4

5

6

7

2

D R

Cluster: K = 7

12

3

4

12

3

4

12

3

4

D

K = 4

12

3

4

57

Reuse distanceReuse distance

� General formula

� Valid for hexagonal geometry

� D = reuse distance

� R = cell radius

� q = D/R =frequency reuse factor

3KRD =

K q=D/R3 3,004 3,467 4,589 5,2012 6,0013 6,24

58

ProofProof� Distance between two cell centers:

� (u1,v1) �� (u2,v2)

� Simplifies to:

� Distance of cell (i,j) from (0,0):

� Cluster: possible to see that

� hence:

[ ] [ ]21212

2

12 30sin)()(30cos)( oo uuvvuuD −+−+−=

30°

v

u

(1,1)

(3,2)

))(()()( 12122

122

12 vvuuvvuuD −−+−+−=

RijjiD 322 ++=

ijjiDK R ++== 222

KRD 3=

ijjiDR ++= 22

59K=7(i=2,j=1)

K=4 (i=2,j=0)

ClustersClustersClusters:• Number of BSs comprised in

a circle of diameter D

• Number of BSs whose inter-

distance is lower than D

60

PossiblePossibleclustersclustersallall integerinteger i,j i,j valuesvalues

i j K=ii+jj+ij q=D/R1 0 1 1,731 1 3 3,002 0 4 3,462 1 7 4,582 2 12 6,003 0 9 5,203 1 13 6,243 2 19 7,553 3 27 9,004 0 16 6,934 1 21 7,944 2 28 9,174 3 37 10,544 4 48 12,005 0 25 8,665 1 31 9,64

61

CoCo--ChannelChannel InterferenceInterference

� Frequency reuse implies thatremote cells interfere withtagged one

� Co-Channel Interference (CCI)� sum of interference from

remote cellsCB

AD

E

CB

AD

EF

G

C

AD

EF

AE

FG A

EF

G

CB

A

FG

CB

AD

small N as

(I)power signal ginterferin

(S)power signal

(I)power signal ginterferin )(Npower noise

(S)power signal

S

S

I

S

N

S

I

S

N

S

≈

=

+=

62

CCI CCI ComputationComputation -- assumptionsassumptions

� Assumptions

� NI=6 interfering cells – NI=6: first ring interferers

only

– we neglect second-ring interferers

� Negligible Noise NS

– S/N ~ S/I

� d−−−−ηηηη propagation law� ηηηη=4 (in general)

� Same parameters for all BSs– Same Ptx, antenna gains, etc

� Key simplification� Signal for MS at distance

R� Signal from BS

interferers at distance D

RR

DPower

Po

PowerPo

Dint

Dint ~ D

63

CCI CCI computationcomputation

ηηη

η

η

qNR

D

ND

R

N

D

R

I

S

N

S

III

N

k

I

111

cost

cost

1

=

=

=

=⋅

⋅=≈

−

=−

−

∑Results depend

on ratio q=D/R

(q=frequency reuse factor)

KRD 3=

By using the assumptions of

same cost and same D:

Alternative expression: recalling that

( ) ( )6

33

1

3

1 22

ηη

ηK

KNKR

R

NI

S

N

S

II

==

=≈−

USAGE: Given an S/I target, cluster size K is obtained

NI=6,η=4 �( ) 2

2

2

3

6

3K

K

I

S ==

64

ExamplesExamples

� target conditions: � S/I=9 dB

� ηηηη=4� Solution:

� target conditions: � S/I= 18dB

� ηηηη=4.2� Solution:

( )

33.2

3

2

6

3

894.710

4

2

9.0

=⇒≥

⋅=⇒=

≈==

=

KK

I

SK

K

I

S

I

S

η

η

[ ] ( )

( )

763.53

10

23.121

78.7183log

6log103log5

23.1

=⇒=≥

=+=

−=

KK

K

KdBI

S η

65

S/I S/I computationcomputationassumingassuming6 6 interferersinterferers onlyonly (first ring)(first ring)

K q=D/R S/I S/I dB3 3,00 13,5 11,34 3,46 24,0 13,87 4,58 73,5 18,79 5,20 121,5 20,812 6,00 216,0 23,313 6,24 253,5 24,016 6,93 384,0 25,819 7,55 541,5 27,321 7,94 661,5 28,225 8,66 937,5 29,7

66

AdditionalAdditional interferersinterferers

� case K=4� note that for each

cluster there are always NI=6 first-ring interferers

AB

CD

AB

CD

AB

CD

AB

CD

AB

CD

AB

C

AB

C

AB

CD

B

CD

AB

CD

AB

CD

B

CD

AB

CD

AB

CD

BD

BD

B

AB

AB

In CCI computation, contribute of additional interferers is marginal

67

Special case of Special case of coco--channelchannel intereferenceintereference

dr

D

d1

d2d3

d4

d5 d6

� stesse antenne e stessa potenza

∑

∑

=−

−

=−

−

=

=⋅⋅

⋅⋅=

6

1

6

1

i i

i it

t

d

d

dGP

dGPSIR

η

η

η

η

� caso peggiore d = r

� approssimazione di = D-R

SIR =R−−−−ηηηη

6(D-R) −−−−ηηηη

68

Multiple Multiple tierstiers of of interferersinterferers� Primo livello di

interferenti a distanza D, secondo a distanza 2D, terzo a distanza 3D etc.

� Spesso gli interferenti oltre il primo livello hanno impatto non significativo

� Formula generale

SIR = R−−−−ηηηη

NI1(D) −−−−η η η η + + + + NI2(2D) −−−−η η η η + + + + NI3(3D) −−−−η η η η

ABC

DA

BC

DA

BC

DA

BC

DA

BC

DA

BC

ABC

ABC

DBC

DA

BC

DA

BC

D

BC

DA

BC

DA

BC

DB

D

BD

B

AB

AB

NIi = numero di celle interferenti a livello i

70

sectorizationsectorization

� Directional antennas

� Cell divided into sectors

� Each sector uses differentfrequencies� To avoid interference at

sector borders

� PROS:� CCI reduction

� CONS:� Less effective “trunking”

leads to performnceimpairments

Sector 1

Laa ff ,1, L

Sector 2

LaLa ff 2,1, L+

Sector 3

LaLa ff 3,12, L+

CELL a

71

CCI CCI reductionreduction via via sectorizationsectorizationthreethree sectorssectorscasecase

CB D

E

CB D

EF

G

CD

EF

EF

G AE

FG

CB

A

FG

CB

AD

FG

� Inferference from 2 cells, only� Instead of 6 cells

A

A

A

A

77.4

32

120

120

+

=

⋅==

−

−

dBI

SdB

I

S

I

S

D

R

I

S

omni

omni

o

oη

η

With usual approxs(specifically, Dint ~ D)

Conclusion: 3 sectors = 4.77 dB improvement

72

6 6 sectorssectors

� 60o Directional antennas

� CCI reduction:� 1 interfereer only� 6 x S/I in the omni case� Improvement: 7.78 dB

73

Pianificazione di sistemi cellulariPianificazione di sistemi cellulari

74

BlockingBlocking probabilityprobability : : ErlangErlang--BB� Fundamental formula for

telephone networks planning� Ao=offered traffic in Erlangs

( )oCC

j

jo

Co

block AE

j

AC

A

,1

0 !

! ==Π∑

=

( ) ( )( )oCo

oCooC AEAC

AEAAE

1,1

1,1,1

−

−

+=

0,01%

0,10%

1,00%

10,00%

100,00%

0 1 2 3 4 5offered load (erlangs)

bloc

king

pro

bab

ilit

y

C=1,2,3,4,5,6,7

� Efficient recursive computation

available

75

CapacityCapacity planningplanning

� Target: support users with a given Grade Of Service(GOS)� GOS expressed in terms of upper-bound for the

blocking probability– GOS example: subscribers should find a line available in

the 99% of the cases, i.e. they should be blocked in no more than 1% of the attempts

� Given:– C channels– Offered load Ao

– Target GOS Btarget

� C obtained from numerical inversion of

( )oC AEB ,1target=

76

ChannelChannel usageusageefficiencyefficiency

oA C channels ( )BAA oc −= 1

Offered load (erl) Carried load (erl)

BAo

Blocked traffic

( )( )blocking small if

1:efficiency ,1

C

A

C

AEA

C

A ooCoc ≈−

==η

Fundamental property: for same GOS, efficiency increases as C grows!!

77

exampleexample

0,1%

1,0%

10,0%

100,0%

0 20 40 60 80 100 120capacity C

blo

ckin

g p

rob

abili

tyA = 40 erlA = 60 erlA = 80 erlA = 100 erl

GOS = 1% maximum blocking.

Resulting system dimensioning

and efficiency:

40 erl C >= 5360 erl C >= 7580 erl C >= 96

100 erl C >= 117

ηηηη = 74.9%ηηηη = 79.3%ηηηη = 82.6%ηηηη = 84.6%

78

ErlangErlang B B calculationcalculation -- tablestables

79

ApplicationApplication toto cellularcellular networksnetworksCellCell sizesize((radiusradius R) R) maymay bebe determineddeterminedon the on the basisbasisof of traffictraffic considerationsconsiderations

� First step:� Given num channels and GOS

– C=50 available channels in a cell– Blocking probability<=2%

� Evaluate maximum cell (offered) load

– From Erlang-B inversion(tables) A=40.25 erl

� Second step� Given traffic generated by each

user– Each user: 4 calls/busy-hour– Each call: 2 min on average– A i=4x2/60=0.1333 erl/user

� Evaluate max num of users in cell– M=40.25/0.1333 ~ 302

� Third step:

� Given density of users

�δ=500 users/km2

� Evaluate cell radius

� R~438m

πδπδ M

RR

M =⇒=2

Given a provider with 50 channels available, how many users can be supportedIf each user makes an average of 4 calls/hour, each call lasting on average 2 minutes?

Second question: if the user densityIs 500 users/km2 how should we

Set the cell radius?

80

OtherOther exampleexample� Three service providers are planning to provide cellular service for an urban

area. The target GOS is 2% blocking. Users make 3 calls/busy-hour, eachlasting 3 minutes in average (Ai=3/20=0.15)

� Question: how many users can support each provider?� Provider A configuration: 20 cells, each with 40 channels

� Provider B configuration: 30 cells, each with 30 channels

� Provider C configuration: 40 cells, each with 20 channels

� Provider A:

� 40 channels/cell

� at 2%: Ao=30.99 erl/cell

� 619.8 erl-total (20 cells)

� M=4132 overall users

� Provider C:





� Provider B:





Compare case A with C! The reason is the lower efficiency of 20 channels versus 40

81

SectorizationSectorizationand and traffictraffic

� Assume cluster K=7� Omnidirectional antennas: CCI=18.7 dB� 120o sectors: CCI=23.4 dB� 60o sectors: CCI=26.4 dB

� Sectorization yields to better CCI� BUT: the price to pay is a much lower trunking efficiency!

� With 60 channels/cell, GOS=1%, � Omni: 60 channels Ao=1x46.95= 46.95 erl ηηηη=77.5%� 120o: 60/3=20 channels Ao=3x12.03= 36.09erl

ηηηη=59.5%� 60o: 60/6=10 channels Ao=6x4.46= 26.76erl

ηηηη=44.1%

Problematiche di MAC in reti ad...

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