Wykład 5: Systemy komórkowe

1. Wykład 5: Systemy komórkowe

2. Plan dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

3. Rozwiązania klasyczne • Nadajnik o dużej mocy o zasięgu do kilkudziesięciu kilometrów • Wady: • duża emitowana moc wymagająca odpowiedniej infrastruktury • duże rozmiary terminali wynikające z zapotrzebowania na moc potrzebną do połączeń z dużej odległości • szybsze zużywanie źródeł zasilania terminali • wpływ na zdrowie użytkowników • istotne skutki awarii – brak redundantności – całkowity przestój pracy systemu • ograniczone pasmo częstotliwości  nieduża liczba kanałów  mała pojemność systemu • Zapotrzebowanie dużo większe niż kilku użytkowników na terenie miasta korzystających jednocześnie z systemu wymusiło prace nad nowymi rozwiązaniami dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

4. Mechanizm „frequency re-use” • Nie można wykorzystać tych samych częstotliwości w dwóch nadajnikach o (częściowo) nakładającym się zasięgu: • zjawisko interferencji współkanałowych • w efekcie gorsza jakość lub niedostępność usługi • Te same częstotliwości można wykorzystać w nadajnikach o niepokrywającym się zasięgu • nadajniki małej mocy • mniejszy zasięg • większa liczba nadajników • większa liczba obsługiwanych użytkowników • Podział obszaru na mniejsze części zwane komórkami • Problem doboru częstotliwości podobny do problemu kolorowania grafu dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

5. Wady architektury komórkowej • Infrastruktura: • bardzo złożona • kosztowna budowa • kosztowne utrzymanie • Problem z przemieszczającymi się użytkownikami • Skomplikowana aktualizacja położenia użytkowników • Szybko przemieszczający się użytkownicy szczególnie w komórkach o małych rozmiarach (centra dużych miast) – duża liczba przełączeń • Konieczność zapewnienia mechanizmów gwarantujących ciągłość połączenia przy zmianie komórek dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

6. Strefy pokrycia radiowego • Obszar wokół nadajnika radiowego można podzielić na trzy strefy: • dobrej słyszalności • zakłóceń dla innych systemów pracujących na tych samych częstotliwościach • pomijalnego sygnału • Rozmiar i granice poszczególnych stref nie są ściśle zorganizowane i są raczej kwestią umowną • granicą strefy dobrej słyszalności jest graniczna wartość sygnału przy odpowiedniej jakości transmisji • granicę strefy zakłóceń wyznacza się eksperymentalnie badając wpływ zakłóceń na transmisję w sąsiednich komórkach (interferencje współkanałowe) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

7. Rozmieszczenie stacji bazowych Nieprawidłowe Prawidłowe BTS1 BTS2 BTS1 BTS2 dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

8. Rozmieszczenie stacji • Konieczność zachowania ciągłości obszaru komórkowego pomiędzy stacjami pracującymi na tej samej częstotliwości • Należy umieścić pomiędzy nimi co najmniej jeden nadajnik pracujący na innych częstotliwościach • Efekt – uniknięcie interferencji współkanałowych i zapewnienie oczekiwanej jakości transmisji dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

9. Wiązki kanałów częstotliwościowych • Pasmo komórkowe – podzielone na kanały częstotliwościowe (FDMA) • Kanały częstotliwościowe – często dzielone na szczeliny czasowe (TDMA) • Kanały częstotliwościowe łączy się w wiązki: • jedna stacja bazowa może pracować na kilku częstotliwościach • wiązka składa się z częstotliwości położonych odpowiednio daleko od siebie – unikanie interferencji w ramach jednej stacji bazowej • tej samej wiązki można używać w różnych komórkach odpowiednio od siebie oddalonych dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

10. Grupy komórek • Obszar działania systemu podzielony na sześciokątne obszary odpowiadające komórkom • Komórki wykorzystujące te same wiązki kanałów oznaczono tym samym numerem a grupy komórek tym samym kolorem • Parametr N oznaczający liczność grupy komórek • determinuje odległość pomiędzy komórkami korzystającymi z tej samej wiązki kanałów • dla dużej wartości N: • wzrasta odległość między stacjami bazowymi stosującymi tę samą wiązkę przez co maleje prawdopodobieństwo wystąpienia interferencji • maleje liczba kanałów częstotliwościowych przypadających ba jedną komórkę (stały iloczyn N i liczby kanałów) • prawidłowy dobór N jest wynikiem kompromisu i jedną z ważniejszych decyzji na etapie projektowania systemu dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

11. Pojemność systemu • Definicja – sumaryczna liczba kanałów rozmownych przypadających na jednostkę powierzchni • Rosnąca liczba abonentów wymusza ciągłe zwiększanie pojemności systemu • Różne sposoby zwiększania pojemności systemu: • pożyczanie kanałów z sąsiednich komórek • przydział nowych częstotliwości • podział komórek na sektory • inne metody dostępu do medium • zmniejszanie wielkości komórek dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

12. Pożyczanie kanałów • Statyczne – na etapie planowania • Dynamiczne – zmiany następują w zależności od obciążenia poszczególnych elementów systemu dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

13. Zmniejszanie rozmiaru komórek • Najczęściej stosowany sposób • Możliwość wykorzystania tych samych częstotliwości na mniejszym obszarze dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

14. Pozostałe sposoby • Przydział nowego pasma częstotliwości • bardzo rzadko • kosztowne • czasami niemożliwe • Podział komórek na sektory • zamiast anten dookólnych stosuje się podział na sektory • w danym sektorze można wykorzystać wiązkę kanałów stosowaną w innym sektorze tej komórki • Inne metody dostępu do medium • TDMA • CDMA dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

15. Wielkość komórki • Parametr o elastycznym charakterze • Według normy w systemie GSM zasięg komórki może sięgać 36 km • W zależności od potrzeb stosuje się komórki o różnych rozmiarach: • kilometry – na słabo zaludnionych terenach wiejskich • setki metrów – na terenach podmiejskich • dziesiątki metrów – na gęsto zaludnionych terenach aglomeracji miejskich • Podczas projektowania sieci istotne znaczenia mają pomiary bieżącego ruchu, czy też obserwacje kierunków rozbudowy terenów miejskich dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

16. Zmniejszanie komórek • Zalety • większa pojemność systemu • mniejsza zajętość systemu  pewniejszy dostęp • większa liczba abonentów  teoretycznie możliwe obniżenie kosztów usługi • nadajniki o mniejszej mocy • mniej pojemne źródła zasilania w urządzeniach mobilnych • mniejsze rozmiary urządzeń mobilnych • mniejsza moc fal  mniejszy wpływ na zdrowie dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

17. Zmniejszanie komórek • Wady • większa liczba komórek • potrzeba instalacji nowych BTS-ów • wzrost nakładów na infrastrukturę • wzrost kosztów użytkowania • wzrost częstości aktualizacji położenia • szybkie przemieszczanie pomiędzy komórkami (są małe)  większa liczba komunikatów sygnalizacyjnych w strategii Inform • niezbędna inwestychja w bardziej pojemne łącza dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

18. Systemy o architekturze komórkowej • Najbardziej popularne GSM/UMTS/LTE • setki stacji bazowych • zjawiska roamingu i handoveru • złożone mechanizmy utrzymania i aktualizowania informacji pozycyjnej dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

19. Systemy o architekturze komórkowej - Mobitex • wolna transmisja na odległość do kilkudziesięciu kilometrów • stacje bazowe połączone z centralą • sieć pakietowa (przed wysłaniem informacji do stacji bazowej następuje podział na pakiety) • przesyłanie pomiędzy stacjami bazowymi odbywa się po stałym łączu • algorytm ALOHA • roaming • usługi: • transmisja danych • możliwość tworzenia grup użytkowników • transmisja sygnału alarmowego • usługa „skrzynka pocztowa” dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

20. Systemy o architekturze komórkowej – Wi-Fi • Punkty dostępowe Wi-Fi tworzą komórki • Komórki mogą mieć rozmiar od kilku metrów do kilkunastu kilometrów • Klient ma możliwość migracji • Roaming dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

21. Systemy o architekturze komórkowej – Bluetooth • Punkty dostępowe BT tworzą komórki • Komórki mogą mieć rozmiar od 10 (pikokomórki obsługujące do 8 urządzeń) do 100 metrów • Klient ma możliwość migracji • Roaming dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

22. Systemy o architekturze komórkowej – Iridium • 66 satelitów na niskich orbitach • Satelity wyposażone w anteny wielowiązkowe (48 wiązek) – stanowią stacje bazowe komórek • Pełne pokrycie na całej Ziemi do wysokości 160 km (możliwa łączność z samolotami) • Problemy takie jak w innych systemach komórkowych • Rozwój GSM zahamował rozwój systemu Iridium dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

23. Roaming • Roaming polega na przechodzeniu terminala pomiędzy punktami dostępowymi lub stacjami bazowymi znajdującymi się na jego trasie ruchu • W skrócie można powiedzieć, że terminal przerywa współpracę ze stacja, której sygnał słabnie i nawiązuje ze stacją o silniejszym sygnale • Roaming krajowy polega na płynnej zmianie sieci operatora w tym samym kraju, pozwalający abonentom sieci A na używanie infrastruktury sieci B, tam gdzie jego operator nie może mu zapewnić dostępu do usług • Roaming międzynarodowy polega na korzystaniu z infrastruktury operatora w innym kraju, z którym nasz macierzysty operator ma podpisaną umowę roamingowa. dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

24. Handover • Przełączenie terminala użytkownika z jednej stacji bazowej do innej w czasie trwania polaczenia • Wyróżnia się kilka rodzajów takiego przełączenia: • pomiędzy stacjami bazowymi – przy zmianie komórki (nawiązanie współpracy z nowa stacja bazowa) • pomiędzy sektorami w ramach jednej stacji bazowej – jest to związane ze zmiana kanału częstotliwościowego przy zmianie sektora • w ramach jednej stacji bazowej – przełączenie na inny kanał rozmówny, w celu polepszenia warunków transmisji. Warunki propagacji na różnych kanałach mogą się na tyle różnić, że następuje próba przełączenia dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

25. Mapa BTS-ów w okolicy Leszna dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

26. Mapa BTS-ów LTE w okolicy Leszna dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

27. Dziękuję za uwagę dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie