Il Sistema Radiomobile Cellulare: Concetti Generali e GSM

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. PSTN/ISDN Switch Sistema Cellulare Semplice

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. S5 S4 S3 S2 S1 Tx Rx Dimensione di una cella radio 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. 2 1 5 2 4 5 1 3 7 4 6 7 3 6 Riuso delle frequenze con cluster N = 7

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. Segnale indesiderato Interferenza co-canale Segnale desiderato Dal concetto di “Riuso delle Frequenze” arriva il termine “Interferenza Co-canale” Concetto di riuso delle frequenze 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 17.32 km

22. 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 R D

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 22.91 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