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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

11

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