1 - introduzione alle reti radiomobili [modalità...
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Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI
Reti cellulari
Introduzione, storia e principi generali
Sistemi di Telecomunicazione A.A. 2011-12
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Cenni Storici
La propagazione nello spazio libero è utilizzata da quasi 100 anni per le telecomunicazioni100 anni per le telecomunicazioni
I primi rudimentali sistemi di telecomunicazione non diffusiva con mezzi mobili appaiono durante le seconda
di lguerra mondiale
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Cenni Storici’ fL’idea del sistema cellulare risale infatti in base
all’osservazione dei sistemi radio utilizzati dai servizi dipolizia degli USA.polizia degli USA.
Si era capito che restringendo l’area di copertura dellep g pstazioni radio e utilizzando più slot di frequenze erapossibile garantire più comunicazioni contemporanee.
Nel 1940 si propose un sistema funzionante mediante radioAMAM.
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Cenni Storici
Mancava però la capacità elaborativa:I computer dell’epoca erano lenti e costosi perciò i sistemi di tlcI computer dell’epoca erano lenti e costosi, perciò i sistemi di tlcmobile vennero adottati solo dalle strutture militari
Inoltre l’Authority responsabile della concessione delleInoltre l Authority responsabile della concessione dellefrequenze fu miope e concesse una banda che permettevasoltanto 23 chiamate contemporanee.
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Cenni Storici
Nei primi anni ’80 vengono installate le prime reti cellulari nel senso “moderno” del termine (1983 Chicago 1980/2nel senso moderno del termine (1983 Chicago, 1980/2 prototipazione in Giappone)
reti specializzate (es. private di una organizzazione)piuttosto costosebassa capacità e versatilitàterminali di dimensioni e peso elevatiterminali di dimensioni e peso elevati
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Cenni Storici
Nella seconda metà degli anni ’80 vengono installate le retianalogiche “avanzate” (AMPS NMT TACS) con immediatoanalogiche avanzate (AMPS, NMT, TACS) con immediatoed enorme successo commerciale
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Cenni StoriciAMPS:Advanced Mobile Phone Service
è uno standard U.S.A. (EIA-553); lavora nella banda intorno agli 800 MHzdiffusione: Stati Uniti, Canada, Messico, Australia, Nuova Zelanda , , , ,Taiwan, Corea del Sud, Singapore, Hong Kong, Thailandia, Brasile, ...
TACS: Total Access Communication Systemyè uno standard sviluppato nel Regno Unito; lavora nella banda intorno ai 900 MHz, di fatto è un adattamento dello standard AMPSdiffusione: U.K., Italia, Irlanda, Spagna, Austria, Penisola Arabica, ..., , , p g , , ,
NMT:Northern Mobile Telephone Systemuno standard scandinavo, sviluppato indipendentemente da AMPS e TACS; lavora nelle bande intorno ai 450 e ai 900 MHz, ci sonoTACS; lavora nelle bande intorno ai 450 e ai 900 MHz, ci sono notevoli differenze nel funzionamento tra le due bandediffusione: Scandinavia, BeNeLux, Austria, Francia, Ungheria, Spagna, Svizzera, ...
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p g
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Cenni Storici
Alla fine degli anni ’80 è diventato chiaro che le reti cellulari esistenti non erano in grado di sopportare la domanda diesistenti non erano in grado di sopportare la domanda di traffico e qualità a meno di:
risolvere i problemi di bassa capacità a causa dell’indisponibilità d ll ttdello spettromigliorare in modo significativo la qualità del servizio e la gamma dei servizi disponibilidiminuire drasticamente i costi delle apparecchiaturerisolvere i problemi di interoperabilità tra sistemi diversi
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Cenni Storici
I quattro problemi da risolvere hanno spinto verso soluzioniI quattro problemi da risolvere hanno spinto verso soluzioni di tipo concentrato (standard internazionali) con tecnologia numerica (GSM, D-AMPS, IS-95)
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Cenni Storici
Il sistema GSM è stato introdotto in Europa nel 1992 ed ha subito ottenuto un successo enorme ed inaspettatosubito ottenuto un successo enorme ed inaspettatoD-AMPS e IS-95 (CDMA) sono introdotte in U.S.A. nella metà degli anni ’90 anch’esse con grande successo ma non paragonabile al GSMAlla fine degli anni ’90 si è standardizzata le reti con accesso a pacchetto GPRS EDGE I MODE etcaccesso a pacchetto, GPRS, EDGE, I-MODE etc.Nel 2000 si è partiti con la terza generazione, utilizzando CDMA e UMTSAttualmente si studia la quarta generazione (convergenza con wi-fi, wi-max e Bluetooth)
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Distinzioni
RETE WIRELESSÈ ( tt ) t i i l’ d t i lÈ una (sotto)rete in cui l’accesso da un terminale
avviene attraverso un canale senza filo
RETE CELLULAREÈ una rete la cui copertura geografica è ottenuta con una p g gtassellatura 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
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Rete Wireless con punto di accesso fisso
Terminale
Stazione R di B Terminale
verso altre reti
Radio Base
(Gateway o Router)
Terminale
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Rete Cellulare
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Rete Cellulare
I primi sistemi radiomobili per la telefonia avevano come principio l’utilizzo di tecniche di tipo FM:principio l utilizzo di tecniche di tipo FM:
Un’unica stazione ad alta potenza per coprire l’intera area di interesseSuddivisione dei canali mediante frequenze diverse, assegnate staticamente agli utenti
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Rete cellulare
La scarsa disponibilità perciò di canali di comunicazione ha dettato il cambio di filosofiadettato il cambio di filosofia
Molte stazioni a bassa potenzaRiutilizzo delle frequenze in celle diverse assegnate dinamicamenteRiutilizzo delle frequenze in celle diverse assegnate dinamicamente
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Rete cellulare
L’utilizzo di frequenze allocate dinamicamente, e l’esistenza di più celle attraverso le quali si muove l’utente sollevano ilpiù celle attraverso le quali si muove l utente sollevano il problema del mantenimento della comunicazione durante la transizione da una cella a quella adiacente:
HANDOVER
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Funzioni chiave per la mobilità
• Registrazione:collegamento del terminale alla retecollegamento del terminale alla reteidentificazione, autenticazione
• Localizzazione:posizione e reperimento del terminalepaging
Handover:• Handover:(ri)localizzazione + (ri)registrazione +trasferimento della chiamata in corso
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Architettura di rete
MSC
MSC = commutatoreBS = stazione radio baseMT = terminale mobile Base datiMSC
BS
MT = terminale mobile
BS MSC
BSMSC
S iVerso altre S
Rete fissa radio o di accesso
Sezione utente Rete fissa
(core network)
reti
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Identificazione dei link
Viene indicato come “forward” link (o canale) ilcollegamento BTS Mobilecollegamento BTS – Mobile
FC
Il collegamento Mobile-BTS prende il nome di “reverse” linkIl collegamento Mobile BTS prende il nome di reverse link (o canale):
RC
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Registrazione
Procedura da eseguire:all’accensione del terminaleall accensione del terminaletutte le volte che si desidera accedere ad un nuovo servizio (es. fare una nuova chiamata) con fini di ( )autenticazioneserve ad associare MT alla retecoinvolge l’intera rete
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Registrazione
richiesta canaleMT BS MSC
richiesta registrazione
assegnazione canale
Aggiornamento
richiesta autenticazione
conferma autenticazioneAggiornamento
base datiRegistrazione + autenticazione OK
rilascio canale
ACK rilascio canale
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Localizzazione
Procedura da eseguire:all’accensione del terminaleall accensione del terminaletutte le volte che si cambia zona di localizzazione o Location Area (LA), in generale un gruppo di celle ( ), g g ppcorrelate tra loroserve ad associare un terminale ad una specifica zona d ll tdella retecoinvolge l’intera rete
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Localizzazione
richiesta canaleMT BS MSC
aggiornamento localizzazioneassegnazione canale
Aggiornamento
richiesta autenticazioneconferma autenticazione
Aggiornamento base dati
Nuova localizzazione
rilascio canale
ACK rilascio canale
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Paging
Procedura di localizzazione “fine”Viene eseguita in caso di chiamata verso MT per stabilireViene eseguita in caso di chiamata verso MT per stabilire esattamente in quale cella MT si troviViene trasmesso in broadcast su tutte le celle un messaggio con l’id. di MTSe la Local Area è composta da una sola cella non è
inecessario
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Handover
È la procedura che consente il trasferimento di una chiamata da una cella alla successiva mentre il terminalechiamata da una cella alla successiva, mentre il terminale mobile si sposta all’interno della reteDi fatto è l’elemento distintivo tra le reti cellulari ed ogni altro tipo di rete di telecomunicazioneÈ un’operazione complessa che pone alla rete notevoli requisiti in termini di architettura di rete di protocolli e direquisiti in termini di architettura di rete, di protocolli e disegnalazione per la gestione delle procedure connesse agli handover
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Handover
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Classificazione handover
Soft Hard:indica se durante l’handover sono attivi entrambi i canaliindica 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 di destinazione (forward)
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Classificazione handover
MT BT initiated:indica se il primo messaggio di segnalazione per l’inizioindica se il primo messaggio di segnalazione per l inizio dell’handover viene inviato dal terminale utente come richiesta (MT initiated) oppure dalla stazione base come comando (BS initiated)
inoltre bisogna stabilire chi e come effettua le misure necessarie per stabilire il momento opportuno per effettuarenecessarie per stabilire il momento opportuno per effettuare un handover
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Ping Pong Effect
Se il terminale si trova in condizione di ricevere i segnali di due BTS con qualità di link simile può verificarsi che sidue BTS con qualità di link simile può verificarsi che si effettui un continuo handover tra le due: ping-pong effect
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Isteresi
Per evitare il ping pong effect viene utilizzato un ciclo di isteresiL’handover non avviene se la potenza della cella non serventeL handover non avviene se la potenza della cella non servente non ha un margine di potenza superiore ad un ∆dB prefissato
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Soft Forward Handover
richiesta canaleMT BS1 MSCBS2
conferma autenticazionerichiesta autenticazione
assegnazione canalerichiesta handover
Aggiornamento base dati
conferma autenticazione
esegui handoverCommutazione
flussiCommutazione
canale radiohandover eseguito
handover confermatorilascio canale
ACK rilascio canale
handover confermato
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Efficienza delle reti
Il segnale generato da un rice-trasmettitore in una cella non rimane confinato a quella cella ma si propaga anche alle celle adiacentiQuesto significa che è necessario prevedere un piano di attribuzione delle frequenze che preveda la possibilità di riusare una frequenza in una cella sufficientemente distanteriusare una frequenza in una cella sufficientemente distante per evitare l’interferenza tra due comunicazioni diverse
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Efficienza delle reti cellulari
Viene misurata essenzialmente in base al ri-uso dei canali radio disponibili in celle adiacenti: la banda è una risorsa moltoradio disponibili in celle adiacenti: la banda è una risorsa molto preziosa (sul canale radio) e va usata al meglioSe si potessero usare tutti i canali in ciascuna cella si avrebbe ffi i 1efficienza 1
Le celle vengono organizzate in “cluster” di N celle: all’interno di un cluster, ciascuna cella utilizza un sottoinsieme unico didi un cluster, ciascuna cella utilizza un sottoinsieme unico di canaliLa dimensione del cluster è una misura dell’efficienza del i t iù i i l t ffi i t è il i tsistema: più sono grossi i cluster meno efficiente è il sistema
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C t ll l l tCopertura cellulare con cluster di 7 celle
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Copertura modellizata esagonale
Generalmente la copertura viene modelizzata come esagonaleesagonalel’esagono è scelto come figura geometrica più vicina al cerchio in grado al contempo di ricoprire il piano concerchio in grado al contempo di ricoprire il piano con completezzaGrazie alla regolarità introdotta dagli esagoni, il riuso puòGrazie alla regolarità introdotta dagli esagoni, il riuso può essere rappresentato secondo una chiara topologia
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Copertura modellizata esagonale
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Dimensione del cluster
La densità di canali radio disponibili (l’efficienza) per Km2 èLa densità di canali radio disponibili (l efficienza) per Km è tanto maggiore quanto minore è la dimensione del cluster D’altronde, (a parità di tutte le caratteristiche radio) cluster di grandi dimensioni implicano una miglior qualità in quanto si riduce il livello di interferenza tra celle
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Dimensione del cluster
Sistemi analogici con accesso FDMA (AMPS, TACS, NMT):cluster di 19 o 21 celleNMT):cluster di 19 o 21 celle
Sistemi numerici con accesso di tipo TDMA o misto pFDMA/TDMA (GSM, D-AMPS, JCD):cluster di 7 o 9 celle
Sistemi numerici con accesso di tipo CDMA (IS-95): cluster di una cella (almeno in linea di principio)
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Tecniche di copertura cellulareLe celle non sono necessariamente cerchi (o esagoni) regolari delle stesse dimensioniL’ ff tti di i d ll ll è d t i t d llL’effettiva dimensione della cella è determinata dalla potenza degli apparati, dai ritardi di propagazione e dalla densità di trafficoÈ possibile utilizzare antenne direzionali per avere celle di forma e dimensione particolariCelle di dimensione (e forma) diversaCelle “stratificate” (celle a ombrello)S ll t di t i h tt ll “ tif i” hSono allo studio tecniche per ottenere celle “puntiformi” che “inseguono il terminale mobile”
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Dimensione delle celle
Data la dimensione di cluster Cs, la capacità del sistema ( di li di K ) t d il i(numero di canali radio per Km2) aumenta quando il raggio di cella diminuisceTuttavia ridurre il raggio significa ridurre la potenza diTuttavia ridurre il raggio, significa ridurre la potenza di emissione delle antenne ed aumentarne il numero, ossia il costo della copertura aumenta
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Dimensioni della cella
La dimensione del cluster è sempre la stessa, quindi non cambia la topologia del riuso frequenzialecambia la topologia del riuso frequenzialeIn b tuttavia si ha una capacità superiore, per Km2
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Micro e macrocelle
Zone a basso traffico
Zone ad alto traffico
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C ll l ifiCopertura cellulare stratificata
micro-celle
Celleadad
“ombrello”
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Copertura cellulare di tipo autostradale
via di grande Celle per la copertura comunicazioneCelle per la copertura stradale
altre celle
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Posizionamento delle antenne
Le antenne possono essere piazzate al centro della cella (a), oppure nel centro congiungente più celle, utilizzando antenne
tt i li (b)settoriali (b)
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Cluster a 9 celle e antenne settoriali a 120°
Sta ione6
7
Stazioneradio base
3
241
5
Settori8
9
Se o
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Copertura reale
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Calcolo interferenza cocanale
Ipotesi:1. Cluster di 7 celle esagonali (N=7), con antenna situata nel
centro dell’esagonocentro dell esagono2. Si considera trascurabile l’interferenza di celle molto lontane
rispetto a quelle vicine: in pratica si tiene conto del solo gruppo di 6 celle appartenenti alla prima cerchia (detto primo “tier”)di 6 celle appartenenti alla prima cerchia (detto primo tier )
3. Modello di propagazione deterministico:β−dhP
con:– PR Potenza ricevuta
d di t
β⋅= dhPR
– d distanza– h fattore dipendente dalla potenza trasmessa, guadagni d’antenna e
freq.– β coefficiente di attenuazione
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β coefficiente di attenuazione
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Interferenza cocanale
D R
Primo tier
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Interferenza cocanale
Vogliamo confrontare la potenza utile C che una stazione base riceve da un terminale utile con la potenza interferente I che la stazione base riceve da altri terminali mobili sullo stesso canaleI ti i id il t h tCIn pratica si considera il rapporto che rappresenta un fattore di qualità della trasmissionePer scopi didattici si considerano h e β fissati e uguali per
IC
Per scopi didattici si considerano h e β fissati e uguali per tutte le tratte mobile-base
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Interferenza cocanale
Consideriamo il caso peggiore, ossia che il terminale mobile (utile) sia sul bordo della cella servente, e siano presenti altri 6 terminali che trasmettono sullo stesso canale in celle limitrofeP iòPerciò
β
β
−
−
⋅=
⋅=
DhIRhC
= DhIi
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Interferenza cocanale
Considerando i segnali ricevuti non correlati, si può considerare il valore complessivo dell’interferenza come:considerare il valore complessivo dell interferenza come:
ii III ⋅==∑ 6
Per cui il rapporto tra potenza utile e interferenza cocanale è:
i
è: β
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
RD
IC
61
⎠⎝
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Fattore di riuso
Il rapporto prende il nome di fattore di riusoRD
Si osservi come il rapporto non dipende da D o da Rseparatamente ma dal loro rapporto:
IC
In linea di principio si può cambiare il fattore di scala dell’intera griglia di celle senza osservare variazioni del
rapporto C/I misurato dai ricevitori
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Interferenza cocanale
Geometricamente si dimostra che, per celle esagonali vale:
NRD
⋅= 3
Per cui si ottiene:
R
( ) 231 βNC ( ) 23
6N
I⋅=
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Dimensione minima cluster
Dalla formula precedente perciò, fissato un desiderato per la comunicazione è possibile ricavare il numero N
f
IC
minimo che permette il rispetto delle specifiche imposte.
Dalle proprietà geometriche della copertura esagonale si osserva che i valori di N sono: 1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 2121, …
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Efficienza spettrale
Ci sono varie definizioni riguardo l’efficienza spettrale delle reti radiomobili le principali sono:reti radiomobili, le principali sono:
Efficienza di riuso dei canali: indica quanto vengono riusati i canali della banda in termini di Km2
Traffico smaltito: indica la capacità del sistema di tradurre la banda allocata in traffico per unità di area
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Efficienza spettrale (1)
Considerata Bt la banda complessiva del sistema, Bc la banda effettiva del singolo canale Nc il numero dei canali in modo che:
E nc il numero di canali assegnati ad una cella di area A del cluster:
cct NBB ⋅=
c g
NNn c
c =
L’efficienza spettrale E (numero di canali per unità di banda e di area) può essere definita:
n 1 ⎤⎡ABNAB
nEct
c
⋅⋅=
⋅=
1⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅MHzKmcanali
2
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Efficienza spettrale (2)
Il traffico smaltito si misura in Erlang/Km2
Indicando con Ec il traffico smaltito nella cella, si ricava l’efficienza spettrale Et in termini di traffico smaltito per unità di area A e banda Bt del sistema cellulare come:
ABNnE
ABEE
c
cc
t
ct ⋅⋅
=⋅
= ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅MHzKmErlang
2 ⎦⎣
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Gestione del traffico
Il parametro indicativo del grado di servizio è rappresentato dalla probabilità di blocco Pdalla probabilità di blocco PB
La probabilità di blocco è la probabilità che un cliente nonLa probabilità di blocco è la probabilità che un cliente non possa utilizzare il servizio per mancanza di canali liberi
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Probabilità di blocco
Definendo con E0 il traffico offerto in una cella, laprobabilità di blocco è ottenuta mediante la formula diprobabilità di blocco è ottenuta mediante la formula diErlang:
( ) == ccB
nEEnBP 00
!,( )∑=
cn
k
kcB
kE0
0
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Sistemi di Telecomunicazione A.A. 2011-12
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CAGLIARI
Traffico smaltito
Pertanto il traffico smaltito per cella risulta:
( )Bc PEE −= 10
Da cui si può ricavare l’efficienza spettrale
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Esempio
Sistema composto da 32 celle di raggio r=1.6 Kmr 1.6 Km336 frequenze totali disponibiliCluster N = 7
Area coperta =Numero max di chiamate per ogni cella = 336/7 = 48
22 km21335.132 =× r
Max chiamate contemporanee nell’area = 48×32 =1536
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Esercizio
128 celler = 0.8km
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Pianificazione della copertura
Allocazione fissa dei canali (FCA)essenzialmente basata sul concetto di cluster o sue evoluzioni peressenzialmente basata sul concetto di cluster o sue evoluzioni peravere cluster di dimensioni variabili e celle cui vengono allocate undiverso numero di risorse
Allocazione dinamica dei canali (DCA)le risorse vengono assegnate alle celle “on-demand”
Schemi ibridi (HCS)
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Reti commerciali di prima generazione
Trasmissione analogica, solo servizio di telefoniaT i d’ FDMATecnica d’accesso FDMACopertura del territorio con celle di grandi dimensioniB lità d l i i ff tBassa qualità del servizio offertoBassa efficienza nel riuso delle frequenze, e bassa capacità complessi a della retecomplessiva della reteReti in esercizio (in fase di dismissione): AMPS, NMT (il TACS è stato dimesso nel 2004)TACS è stato dimesso nel 2004)
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Reti commerciali di seconda generazione
Trasmissione numericaT i d’ FDMA/TDMA CDMATecnica d’accesso FDMA/TDMA oppure CDMACelle di dimensioni più contenute (raggio delle celle da alcune centinaia di metri ad alcune decine di Km)alcune centinaia di metri ad alcune decine di Km)Bassa velocità di cifraEfficien a complessi a abbastan a b ona ri so delleEfficienza complessiva abbastanza buona, riuso delle frequenze da buono ad accettabileReti in esercizio: D AMPS (o ADC) GSM DCS1800Reti in esercizio: D-AMPS (o ADC), GSM, DCS1800, DECT1900, JDC
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Reti di seconda generazione “estese”
Sono una prima fase commerciale (Es. GSM2/2+)Sf tt l t hit tt l t t l i diSfruttano la stessa architettura e la stessa tecnologia di seconda generazioneServizi a velocità più elevata o ad accesso a pacchettoServizi a velocità più elevata o ad accesso a pacchetto (Es. GPRS), ma soprattutto mirano ad accrescere la capacità complessiva della retecapacità complessiva della rete
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Reti di seconda generazione “estese”
L’architettura è di tipo “multirete”, cioè la rete è formata da diverse sottoreti specializzate (Es. DECT e DCS in p (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 serviziocollegarsi alla rete più opportuna in funzione del servizio richiestoNon sempre è possibile mantenere la comunicazione se è necessario cambiare sottoretenecessario cambiare sottorete
(Es. DCS ⇒GSM SI, GSM ⇒DECT NO)
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Reti di terza generazione
Trasmissione numerica, servizi “multimediali”, elevata velocità di cifra accesso a pacchettovelocità di cifra, accesso a pacchettoTecnica d’accesso CDMA, W-CDMA o A-TDMA (Advanced-TDMA, un’evoluzione della tecnica FDMA/TDMA del GSM)Copertura cellulare “stratificata”, con celle di piccole dimensioni per avere elevata capacità e celle ad ombrello sovrapposte per consentire elevata mobilitàsovrapposte per consentire elevata mobilitàUso della diversità spaziale (comunicazione contemporanea con più stazioni fisse) per maggiore p p ) p ggqualità/affidabilità
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Reti di terza generazione
Elevata integrazione di numerose sottoreti specializzate per fornire una miglior qualità di serviziog qPossibilità di handover tra sottoreti differentiReti “previste”:
UMTS (U i l M bil T l i ti S t )UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)ETSIFPLMTS (Future Public Land MTS) o IMT200-ITU...
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Mobile generations
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