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Politecnico di MilanoDipartimento di Elettronica e Informazione

A.A. 2006-2007

Laboratorio del Corso di Reti RadiomobiliProf. Musumeci

Calcolo del Bilancio di Potenza

Ing. Luca Dell'Annaluca(at)dellanna.com

22Luca Dell’Anna - Politecnico di MilanoLuca Dell’Anna - Politecnico di Milano

Laboratorio di Reti Radiomobili 2005-06Laboratorio di Reti Radiomobili 2005-06 A A 22Luca Dell’Anna - Politecnico di MilanoLuca Dell’Anna - Politecnico di MilanoLaboratorio di Reti Radiomobili 2006-07Laboratorio di Reti Radiomobili 2006-07

SommarioSommario

• Introduzione (1 h)Introduzione (1 h)– Reti radiomobili esistentiReti radiomobili esistenti– Esempi di progetti radioEsempi di progetti radio

• Calcolo del bilancio di potenza (4 h)Calcolo del bilancio di potenza (4 h)– Approssimazioni, misure disponibiliApprossimazioni, misure disponibili– Esempi di apparati di rete (antenne, cavi, BTS, ecc.)Esempi di apparati di rete (antenne, cavi, BTS, ecc.)– EserciziEsercizi

• Dimensionamento con RFSUITE (5 h)Dimensionamento con RFSUITE (5 h)– Dimensionamento inizialeDimensionamento iniziale– Pratica di ottimizzazionePratica di ottimizzazione



Dettagli sul docenteDettagli sul docente

• Ing. Luca Dell’AnnaIng. Luca Dell’Anna

– Laurea Politecnico di Milano nel 1994Laurea Politecnico di Milano nel 1994

– Progetto reti 2G/3G TIM, Vodafone, WINDProgetto reti 2G/3G TIM, Vodafone, WIND

– Tecnologie Ericsson, Nokia, Italtel, Lucent Tecnologie Ericsson, Nokia, Italtel, Lucent

TechnologiesTechnologies

• Ricevimento su appuntamentoRicevimento su appuntamento

• e-mail: luca (at) dellanna (dot) come-mail: luca (at) dellanna (dot) com



Altre informazioniAltre informazioni

• Nel quesito finale, molto probabilmente, ci saranno: un Nel quesito finale, molto probabilmente, ci saranno: un

esercizio sul power budget e un quesito sulle esercizio sul power budget e un quesito sulle

problematiche del dimensionamento e/o ottimizzazione problematiche del dimensionamento e/o ottimizzazione

delle reti radiodelle reti radio

• Disponibilità per elaborati di I livello sull’argomento Disponibilità per elaborati di I livello sull’argomento

Location Based Services (LBS) in ambito GSM/UMTS Location Based Services (LBS) in ambito GSM/UMTS

Necessaria conoscenza programmazione Java (max 3 Necessaria conoscenza programmazione Java (max 3

studenti)studenti)

IntroduzioneIntroduzione



Reti cellulari esistenti – Qualche numeroReti cellulari esistenti – Qualche numero

Alcuni numeri possono essere utili per capire meglio la dimensione delle reti Alcuni numeri possono essere utili per capire meglio la dimensione delle reti attualmente in esercizioattualmente in esercizio

La rete GSM/UMTS di un solo operatore come TIM o VODAFONE è La rete GSM/UMTS di un solo operatore come TIM o VODAFONE è – composta da circa 10’000 siti distribuiti composta da circa 10’000 siti distribuiti - copre più del 90% del territorio italianocopre più del 90% del territorio italiano- impiega circa 12’000 persone (customer care, rete, marketing..)impiega circa 12’000 persone (customer care, rete, marketing..)

La sola rete cellulare di Milano – di un solo operatore- è composta da circaLa sola rete cellulare di Milano – di un solo operatore- è composta da circa– 300 siti macrocellulari (gsm900-1800-umts)300 siti macrocellulari (gsm900-1800-umts)– 100 circa microcelle * 100 circa microcelle *

(*) Le microcelle sono utilizzate per risolvere problemi di copertura e/o “hot-spot” di (*) Le microcelle sono utilizzate per risolvere problemi di copertura e/o “hot-spot” di traffico (es. aeroporto Linate/Malpensa, C.so Buenos Aires, Duomo, Staz. Centrale, traffico (es. aeroporto Linate/Malpensa, C.so Buenos Aires, Duomo, Staz. Centrale, ecc.) ecc.)



Reti cellulari esistenti – Tecnologie d’accesso Reti cellulari esistenti – Tecnologie d’accesso

+EDGE 2.5G

HSDPA (3.5G)

WCDMA(3G)

GSM (2G)TACS (1G)



Reti cellulari esistenti – Numero di siti Reti cellulari esistenti – Numero di siti

Con la diffusione dell’UMTS, pur riutilizzando i siti già Con la diffusione dell’UMTS, pur riutilizzando i siti già

costruiti per il GSM, il numero dei siti cellulari è destinato costruiti per il GSM, il numero dei siti cellulari è destinato

ad aumentare considerevolmente (probabilmente ad aumentare considerevolmente (probabilmente

raddoppiare rispetto a quelli solo GSM)raddoppiare rispetto a quelli solo GSM)

Trovare nuovi siti cellulari è sempre più difficile, per questo Trovare nuovi siti cellulari è sempre più difficile, per questo

si richiede ai progettisti radio di sfruttare al massimo e si richiede ai progettisti radio di sfruttare al massimo e

ottimizzare la copertura con i siti già disponibiliottimizzare la copertura con i siti già disponibili



Reti esistenti – Dist. max di coperturaReti esistenti – Dist. max di copertura

• In base alla tecnologia radio utilizzata, considerando il solo In base alla tecnologia radio utilizzata, considerando il solo obiettivo di copertura, la distanza massima di copertura è obiettivo di copertura, la distanza massima di copertura è approssimativamenteapprossimativamente

• RTM 450RTM 450 -- 30 km30 km• TACS 900TACS 900 -- 15 km15 km• GSM 900GSM 900 -- 2.5 km2.5 km

• GSM 1800GSM 1800 -- 0.8 km0.8 km

• EDGEEDGE -- 0.7 km0.7 km• WCDMAWCDMA -- 0.4 km0.4 km• WCDMA (HSDPA) < 0.4 km (?)WCDMA (HSDPA) < 0.4 km (?)



Reti esistenti – Area max di coperturaReti esistenti – Area max di copertura

Utilizzando le informazioni precedenti, considerando celle Utilizzando le informazioni precedenti, considerando celle omni-direzionali circolari abbiamo un’area coperta per omni-direzionali circolari abbiamo un’area coperta per ciascuna cellaciascuna cella

• RTM 450RTM 450 -- 30 km => 2826 km230 km => 2826 km2• TACS 900TACS 900 -- 15 km => 706 km215 km => 706 km2• GSM 900GSM 900 -- 2.5 km => 19 km22.5 km => 19 km2• GSM 1800GSM 1800 -- 0.8 km => 2 km20.8 km => 2 km2• EDGEEDGE -- 0.7 km => 1.5 km20.7 km => 1.5 km2• WCDMAWCDMA -- 0.4 km => 0.5 km20.4 km => 0.5 km2• WCDMA (HSDPA) - 0.4 km => 0.5 km2WCDMA (HSDPA) - 0.4 km => 0.5 km2



Reti esistenti – Copertura e capacitàReti esistenti – Copertura e capacità

• L’area di copertura della cella WCDMA e’ più piccola di L’area di copertura della cella WCDMA e’ più piccola di quella TACS 900 di circa 1800 voltequella TACS 900 di circa 1800 volte

• Come mai scegliamo quindi tecnologie radio con celle più Come mai scegliamo quindi tecnologie radio con celle più piccole e quindi un maggior numero di siti a parità di area piccole e quindi un maggior numero di siti a parità di area servita?servita?

• La scarsità delle risorse radio rende necessario riusare più La scarsità delle risorse radio rende necessario riusare più volte le stesse frequenze per soddisfare i requisiti di volte le stesse frequenze per soddisfare i requisiti di capacità di trafficocapacità di traffico

• Celle più piccole rendono semplificano il progetto dal punto Celle più piccole rendono semplificano il progetto dal punto di vista di vista interferenzialeinterferenziale



Risultato della pianificazione



Reti esistenti – Realizzazione di un sitoReti esistenti – Realizzazione di un sito

• Un sito cellulare tipo Un sito cellulare tipo

– pesa complessivamente circa 1’000 kgpesa complessivamente circa 1’000 kg

- necessita di trovarsi in cima ad un edificio di 5-6 necessita di trovarsi in cima ad un edificio di 5-6

piani (in centro città e/o aree vincolate)piani (in centro città e/o aree vincolate)

- deve essere accessibile ai soli addettideve essere accessibile ai soli addetti

- deve essere realizzato in osservanza delle norme deve essere realizzato in osservanza delle norme

sull’inquinamento elettromagneticosull’inquinamento elettromagnetico

- costo 250’000 € circa (escluso canone locazione) costo 250’000 € circa (escluso canone locazione)



Sito cellulare a 3 settori per gsm1800 nel centro di Milano

Altezza antenne: 32m ca.

Sito cellulare reale

Palo in acciaioAntenne

Cavi coassiali

BTS



0° N

240°

120°

Dettaglio e azimut antenne

Azimut



Attività dipartimento progetto radio (1) Attività dipartimento progetto radio (1)

Progetto Realizzazione

Esercizio



Attività dipartimento progetto radio (2)Attività dipartimento progetto radio (2)

Problematiche in fase di progetto Problematiche in fase di progetto

- definizione criteri qualitàdefinizione criteri qualità- selezione apparati/fornitoreselezione apparati/fornitore- definizione impianto radio standarddefinizione impianto radio standard- calibratura strumenti automaticicalibratura strumenti automatici- definizione modelli propagazionedefinizione modelli propagazione- reperimento database geografici aggiornati reperimento database geografici aggiornati - tempi di stesura ridottitempi di stesura ridotti- team allargato (marketing, RF, impl., acquisti)team allargato (marketing, RF, impl., acquisti)




Problematiche in fase di realizzazione Problematiche in fase di realizzazione

- elevato numero di sitielevato numero di siti

- ampiezza area geograficaampiezza area geografica

- specificità del progetto di ciascun sitospecificità del progetto di ciascun sito

- permessi costruttivi e compatibilità ambientale permessi costruttivi e compatibilità ambientale

- obiettivi di qualità di reteobiettivi di qualità di rete

- costo iniziale elevatocosto iniziale elevato




Le problematiche in fase di esercizio Le problematiche in fase di esercizio

- elevato numero di siti, elementi di reteelevato numero di siti, elementi di rete- analisi dati statistici su traffico e qualitàanalisi dati statistici su traffico e qualità- interventi senza disserviziointerventi senza disservizio- pianificazione espansioni della rete pianificazione espansioni della rete - formazione personale qualificatoformazione personale qualificato- analisi impatto nuovi servizi/tariffeanalisi impatto nuovi servizi/tariffe



Best ServerBest Server

Consente di definire le aree di servizio o copertura di tutte le celle all’interno dell’area Consente di definire le aree di servizio o copertura di tutte le celle all’interno dell’area considerata. A colore diverso corrisponde una cella diversa. Dall’analisi delle dimensioni considerata. A colore diverso corrisponde una cella diversa. Dall’analisi delle dimensioni delle celle è possibile fare una prima verifica della bontà del progetto (es. celle molto delle celle è possibile fare una prima verifica della bontà del progetto (es. celle molto piccole potrebbero soffrire di una bassa potenza in Tx)piccole potrebbero soffrire di una bassa potenza in Tx)

Composite Signal strengthComposite Signal strength

Consente di valutare qual è il segnale ricevuto all’interno dell’area di progetto. E’ utile per Consente di valutare qual è il segnale ricevuto all’interno dell’area di progetto. E’ utile per verificare che il segnale sia sufficiente a garantire la copertura desiderataverificare che il segnale sia sufficiente a garantire la copertura desiderata

Worst InterferenceWorst Interference

Indica qual è l’interferenza in downlink che i terminali sperimentano. E’ fondamentale per Indica qual è l’interferenza in downlink che i terminali sperimentano. E’ fondamentale per effettuare verificare i risultati dell’algoritmo di frequency planning sceltoeffettuare verificare i risultati dell’algoritmo di frequency planning scelto

Risultato della pianificazione



Best server analysis



Signal strength analysis



Worst interference analysis

Calcolo del bilancio di Calcolo del bilancio di potenzapotenza



Bilancio di potenza (1)Bilancio di potenza (1)

• Punto di partenza di ciascun progetto radioPunto di partenza di ciascun progetto radio

• Considera le caratteristiche diConsidera le caratteristiche di

– apparati apparati

- ambiente di propagazioneambiente di propagazione

- obiettivi di qualità richiesti dall’operatoreobiettivi di qualità richiesti dall’operatore

Consente di calcolare con una buona approssimazioneConsente di calcolare con una buona approssimazione

- la quantità di potenza da trasmettere alla BTSla quantità di potenza da trasmettere alla BTS

- la distanza massima di coperturala distanza massima di copertura

- numero di siti per area => costo stimato retenumero di siti per area => costo stimato rete



Bilancio di potenza (2)Bilancio di potenza (2)L’espressione lineare del bilancio di potenza è

Lp

Ptx

Lft

Gat

Gar

Lfr

Ptx * Gat* Gar

Prx = _____________________ [W]

Lft* Lp* Lfr

Passando alla più utile notazione Passando alla più utile notazione in dBin dB

Prx_dB = Ptx_dB – Lft_dB+ Gat_dB- Lp_dB+ Gar_dB- Lfr_dB [dB]

Prx



Bilancio di potenza (3) - Esempio Bilancio di potenza (3) - Esempio

BTS MSTX power max 45 30 [dBm]Feeder losses 0 0 [dB]Antenna gain 10 1 [dBi]EiRP 55 31 [dBm]RX power min -104 -100 [dBm]

Max allowed path loss downlink 156.0 [dB]Max allowed path loss uplink 145.0 [dB]Path loss imbalance 11.0 [dB]Relevant path loss 145.0 [dB]

Path loss intercept (k1) 145.00 [dB]Path loss slope (k2) 35.00 [dB/log(km)]Max radius *DownLink* 2.06 [km]Max radius *UpLink* 1.00 [km]

Site Area 3 Sect exag (w/ min DL/UL radius) 1.95 [sq km]Site Area Omni exag (w/ min DL/UL radius) 2.60 [sq km]Site Area Omni circ (w/ min DL/UL radius) 3.14 [sq km]



In base ai dati di progetto, si calcola il raggio entro il quale deve trovarsi il ricevitore In base ai dati di progetto, si calcola il raggio entro il quale deve trovarsi il ricevitore perché un connessione sia possibile. Nell'ambito delle reti radiomobilil, l'area così perché un connessione sia possibile. Nell'ambito delle reti radiomobilil, l'area così definita si dice cella di copertura.definita si dice cella di copertura.Gli esercizi che seguono corrispondono ai casi comuni di calcolo di power budget.Gli esercizi che seguono corrispondono ai casi comuni di calcolo di power budget.

Attenzione: Il termine raggio non significa che nella realtà la cella sia sempre circolare!Attenzione: Il termine raggio non significa che nella realtà la cella sia sempre circolare!

rmax r(θ)

max

Cella circolare Cella irregolare

Distanza massima di copertura



In una rete cellulare nominale, l’area di copertura di una cella omni-direzionale In una rete cellulare nominale, l’area di copertura di una cella omni-direzionale corrisponde ad un esagono regolare. Nella realtà, per limitare il numero totale delle corrisponde ad un esagono regolare. Nella realtà, per limitare il numero totale delle installazioni si utilizzano siti con tre settori e antenne direzionali. installazioni si utilizzano siti con tre settori e antenne direzionali. Il significato di raggio di copertura dipende quindi dalla topologia della rete.Il significato di raggio di copertura dipende quindi dalla topologia della rete.

RR

Raggio di cella – Tipologie di celle



Esempio di predizione Esempio di predizione effettuata utilizzando un sito effettuata utilizzando un sito con una sola antenna omni-con una sola antenna omni-direzionale.direzionale.

Il colore indica l’area servita Il colore indica l’area servita dalla cella (best server area)dalla cella (best server area)

Area di copertura (1)



EsempioEsempioPredizione effettuata Predizione effettuata utilizzando un sito con utilizzando un sito con

3 settori3 settoriAntenne direzionali da 65°HAntenne direzionali da 65°HAzimut 0°, 120°, 240°Azimut 0°, 120°, 240°

Il colore indica l’area servita Il colore indica l’area servita da ciascuna cella (best da ciascuna cella (best server area).server area).

Area di copertura (2)



La dipendenza di Lp (Path Loss) dai vari fattori fisici che intervengono nella propagazione La dipendenza di Lp (Path Loss) dai vari fattori fisici che intervengono nella propagazione di un'onda radio quali di un'onda radio quali

– distanzadistanza– frequenza di lavorofrequenza di lavoro– morfologia del territoriomorfologia del territorio– agenti atmosfericiagenti atmosferici– altezza delle antennealtezza delle antenne– curvatura terrestre curvatura terrestre – ecc.ecc.

ha prodotto una lunga serie di modelli di propagazione (Okumura-Hata, Cost231, Walfish-ha prodotto una lunga serie di modelli di propagazione (Okumura-Hata, Cost231, Walfish-Ikegami, Bertoni, ecc.) raggruppabili in tre categorie principaliIkegami, Bertoni, ecc.) raggruppabili in tre categorie principali

– empiriciempirici– statisticistatistici– deterministicideterministici

Path loss (1)



La differenza tra le tre categorie dipende principalmente dall'importanza che La differenza tra le tre categorie dipende principalmente dall'importanza che viene data aviene data a

– misure dirette dell'attenuazione sulla singola trattamisure dirette dell'attenuazione sulla singola tratta– utilizzo di modelli analitici (dalle eq. di Maxwell in poi….)utilizzo di modelli analitici (dalle eq. di Maxwell in poi….)– analisi statistiche di una grande quantità di misureanalisi statistiche di una grande quantità di misure

Una componente essenziale della fase di calcolo è costituita dalle basi dati Una componente essenziale della fase di calcolo è costituita dalle basi dati geografiche (mappe digitalizzate) contenenti informazioni su altezza degli geografiche (mappe digitalizzate) contenenti informazioni su altezza degli edifici, larghezza delle strade, intensità della vegetazione, ecc. Tanto più edifici, larghezza delle strade, intensità della vegetazione, ecc. Tanto più dettagliata è l'informazione sulla morfologia dell'area da pianificare tanto dettagliata è l'informazione sulla morfologia dell'area da pianificare tanto meno la predizione sarà affetta da errori. meno la predizione sarà affetta da errori. La risoluzione di tali mappe è variabile; nella pianificazione cellulare si va da La risoluzione di tali mappe è variabile; nella pianificazione cellulare si va da pixel bidimensionali di 100x100m a pixel 3d da 2x2m. Il costo di queste pixel bidimensionali di 100x100m a pixel 3d da 2x2m. Il costo di queste mappe è generalmente per byte. mappe è generalmente per byte. Si deve sempre raggiungere un compromesso tra precisione accettabile della Si deve sempre raggiungere un compromesso tra precisione accettabile della stima e costo dell'elaborazione.stima e costo dell'elaborazione.

Path loss (2)



Nella pianificazione delle reti radiomobili, principalmente a causa diNella pianificazione delle reti radiomobili, principalmente a causa di– ridotta altezza delle antenneridotta altezza delle antenne -->> diffrazione diffrazione– gran numero di cammini multipligran numero di cammini multipli -->> effetto Rice/Rayleigh effetto Rice/Rayleigh – diffrazione da ostacoli naturali o artificialidiffrazione da ostacoli naturali o artificiali -->> effetto shadowing effetto shadowing– movimento del terminalemovimento del terminale -->> media spaziale media spaziale

si utilizzano quasi sempre modelli di tipo statistico per di più semplificati o specializzati su si utilizzano quasi sempre modelli di tipo statistico per di più semplificati o specializzati su determinate aree morfologiche, frequenze, ecc.determinate aree morfologiche, frequenze, ecc.Una volta fissata la frequenza di lavoro, l'altezza del trasmettitore e del ricevitore e il tipo di Una volta fissata la frequenza di lavoro, l'altezza del trasmettitore e del ricevitore e il tipo di ambiente di propagazione (es. rurale, urbanizzato) tali modelli si possono ricondurre quasi ambiente di propagazione (es. rurale, urbanizzato) tali modelli si possono ricondurre quasi sempre alla formasempre alla forma

LLpp(d) = A + B Log d(d) = A + B Log ddove Ldove L

pp, A e B sono espresse in dB e d in km., A e B sono espresse in dB e d in km.

Molto utilizzata è la formula inversa: dato un path loss massimo serve a determinare il raggio o Molto utilizzata è la formula inversa: dato un path loss massimo serve a determinare il raggio o la distanza massima cui corrisponde.la distanza massima cui corrisponde.

Path loss (3)



Uno dei modelli statistici più utilizzati è quello detto di Okumura-HataUno dei modelli statistici più utilizzati è quello detto di Okumura-Hata

Lp=Lp=69.55+26.16 log(f) -13.82 log(h69.55+26.16 log(f) -13.82 log(htt) -a(h) -a(hmm) +[44.9 - 6.55 log(h) +[44.9 - 6.55 log(hbb)] log(d) )] log(d) [dB][dB]

DoveDove– f = frequenza di lavoro in MHzf = frequenza di lavoro in MHz– sottrarre 6 dB in area suburbana sottrarre 6 dB in area suburbana – sottrarre 12 dB in area ruralesottrarre 12 dB in area rurale

– hhbb = altezza della stazione base [m]= altezza della stazione base [m]

– dd = distanza dal trasmettitore [km]= distanza dal trasmettitore [km]

– hhmm = altezza dell'antenna della stazione mobile [m]= altezza dell'antenna della stazione mobile [m]

– a(ha(hmm) = 3.2 ) = 3.2 · Log (11.75·h· Log (11.75·h

mm))22 - 4.97 - 4.97

Path loss (4) – Modello Okumura Hata



LLpp(d) = A + B Log d(d) = A + B Log d

Come detto prima A e B si ricavano per ciascuna banda di frequenza e area morfologicamente Come detto prima A e B si ricavano per ciascuna banda di frequenza e area morfologicamente omogenea (es. urbana, suburbana e rurale). Ecco quale potrebbe essere una tabella ottenuta omogenea (es. urbana, suburbana e rurale). Ecco quale potrebbe essere una tabella ottenuta da misure effettuate sul campo.da misure effettuate sul campo.

Path loss (5) – Parametri tipici

28115Milano – 1800 MHz - Rural

45130Roma – 900 MHz – Dense Urban

25110Lombardia – 900 MHz - Rural

39115Milano – 900 MHz - SubUrban

44140Milano – 900 MHz - Dense Urban

BAArea



LLpp(d) = A + B Log d(d) = A + B Log d

Considerando l’espressione semplificata del PL, dove Lp, A e B sono Considerando l’espressione semplificata del PL, dove Lp, A e B sono

espresse in dB e d in km, è molto comodo, introducendo una minimo carico espresse in dB e d in km, è molto comodo, introducendo una minimo carico

computazionale, considerare una seconda coppia (A,B) che tenga conto computazionale, considerare una seconda coppia (A,B) che tenga conto

della possibile diversa propagazione in un raggio ristretto attorno della possibile diversa propagazione in un raggio ristretto attorno

all’antenna. Ad esempioall’antenna. Ad esempio

– Lp(d) = K1 + K2 Log (d)Lp(d) = K1 + K2 Log (d) per d < Dper d < D

– Lp(d) = K3 + K4 Log (d)Lp(d) = K3 + K4 Log (d) per d >= Dper d >= D

Path loss (6) – Dual slope



AttenzioneAttenzione1) non è possibile avere una discontinuità in d=D1) non è possibile avere una discontinuità in d=D

2) nel file di configurazione di RFSUITE, K5 (equivalente al 2) nel file di configurazione di RFSUITE, K5 (equivalente al valore di D) è espresso in metrivalore di D) è espresso in metri

3) verificare che 3) verificare che

K1 + K2 Log (D) = K3 + K4 Log (D)K1 + K2 Log (D) = K3 + K4 Log (D)

Log(d)

Lp[dB]

Log(D)

Path loss (7) – Dual Slope



EsempioEsempio

Calcolo del segnale ricevuto per una Calcolo del segnale ricevuto per una sito con 1 cella con antenna omni-sito con 1 cella con antenna omni-direzionale.direzionale.

Le aree corrispondono a Le aree corrispondono a

SS > -65 dBmSS > -65 dBm

-70 dBm < SS < -65 dBm-70 dBm < SS < -65 dBm

-85 dBm < SS < -70 dBm-85 dBm < SS < -70 dBm

SS < -85 dBmSS < -85 dBm

Esempi di predizioni (1)



EsempioEsempioCalcolo del segnale ricevuto per una Calcolo del segnale ricevuto per una sito con 3 celle con antenna sito con 3 celle con antenna direzionale.direzionale.

Le aree corrispondono a Le aree corrispondono a SS > -65 dBmSS > -65 dBm-70 dBm < SS < -65 dBm-70 dBm < SS < -65 dBm

-85 dBm < SS < -70 dBm-85 dBm < SS < -70 dBmSS < -85 dBmSS < -85 dBm

Esempi di predizioni (2)



Misure sul canale radio reali (1)



• Con un semplice strumento di misura è possibile estrarre le Con un semplice strumento di misura è possibile estrarre le

informazioni che il terminale gsm rileva nell’ambiente circostante informazioni che il terminale gsm rileva nell’ambiente circostante

e che invia alla rete attraverso la BTS.e che invia alla rete attraverso la BTS.

• Le misure riportate riguardano un terminale posto in un ambiente Le misure riportate riguardano un terminale posto in un ambiente

chiuso, praticamente fermo eppure l’andamento del segnale chiuso, praticamente fermo eppure l’andamento del segnale

relativo alla migliore cella servente non e’ costante, come mai?relativo alla migliore cella servente non e’ costante, come mai?

• Purtroppo (?) il segnale radio non dipende esclusivamente dalla Purtroppo (?) il segnale radio non dipende esclusivamente dalla

distanza ma anche da fattori quali numero e tipologia di ostacoli distanza ma anche da fattori quali numero e tipologia di ostacoli

lungo il cammino, riflessioni, ecc.lungo il cammino, riflessioni, ecc.




Abbiamo tutti gli elementi per calcolare un Power Budget?Abbiamo tutti gli elementi per calcolare un Power Budget?

Lp

Ptx

Lft

Gat

Gar

Lfr

Prx

Prx = Ptx – Lft+ Gat- Lp+ Gar- Lfr

Esercizi sul bilancio di potenza



Indicando le grandezze relative a MS e BTSIndicando le grandezze relative a MS e BTS

Lf_ms

Ptx_bts

Prx_bts

Ga_bts

Prx_bts = Ptx_ms – Lf_ms+ Ga_ms- Lp+ Ga_bts- Lf_bts [ms->bts]

Ptx_ms

Prx_ms

Ga_ms

Lf_bts

Lp

Prx_ms = Ptx_bts – Lf_bts+ Ga_bts- Lp+ Ga_ms- Lf_ms [bts->ms]

BTS MS

Promemoria



Date le caratteristiche di una BTS, di un MS e il path-loss Date le caratteristiche di una BTS, di un MS e il path-loss

misurato tra le loro antenne, calcolare il segnale ricevuto dal misurato tra le loro antenne, calcolare il segnale ricevuto dal

mobile (verso downlink).mobile (verso downlink).

PPtx_btstx_bts=45 [dBm]=45 [dBm]

LLf_btsf_bts=L=Lf_msf_ms=1 [dB]=1 [dB]

GGa_btsa_bts=G=Ga_msa_ms=18 [dBi]=18 [dBi]

LLpp=125 [dB]=125 [dB]

PPrx_msrx_ms = ? = ?

Esercizio 1



Applicando l’espressione generale del bilancio di potenza per il downlink [bts->ms]

Prx_ms = Ptx_bts – Lf_bts+ Ga_bts- Lp+ Ga_ms- Lf_ms

Prx_ms = 45 dBm – 1 dB + 18 dBi – 125 dB + 18 dBi – 1 dB = - 46 dBm

Proviamo a trasformare il Watt la potenza trasmessa e quella ricevuta:

Ptx_bts = 10 ^ (45/10) = 31’622 mW = 32 W circa

Prx_ms = 10 ^ (-46/10) = 2.51 x 10^-5 mW = 2.51 x 10^-8 W

Esercizio 1 - Soluzione



Calcolare qual è il segnale ricevuto dal mobile ad una distanza specificata e al suo doppio, conoscendo l’espressione del path-loss (dove la distanza è espressa in km)

Ptx_bts=45 [dBm]

Lf=Lf=0 [dB]

Ga_bts=18 [dBi]

Ga_ms= 1 [dBi]

Lp = 130 + 30 Log (d) [dB]

d1=3.5 [km]

d2 = 2 * d1

Prx_ms_1 = ?

Prx_ms_2 = ?

Esercizio 2



Prx_ms = Ptx_bts – Lf_bts+ Ga_bts- Lp+ Ga_ms- Lf_ms [bts->ms]

Sostituendo tranne che in Lp

Prx_ms = 45 dBm – 0 dB + 18 dBi – Lp + 1 dBi – 0 dBPrx_ms = 64 dBm - Lp

Lp1 = 130 + 30 Log (3.5) = 146.32 dB

Lp2 = 130 + 30 Log (3.5 * 2) = 155.35 dB

Quindi

Prx_ms_1 = 64 dbm – 146.32 dB = - 82.32 [dBm]

Prx_ms_2 = 64 dbm – 155.35 dB = - 91.35 [dBm]

La differenza tra i due segnali e’ di circa 9 dB…

Esercizio 2 - Soluzione



Calcolare qual è il raggio di copertura di una BTS conoscendo la sensitività del ricevitore e la legge del path-loss. Ricalcolare il raggio max raddoppiando la potenza in trasmissione.

Ptx_bts=45 dbm;

Lf_bts=Lf_ms=0 dB;

Ga_ms= 1 dBi

Ga_bts=18 dBi;

Lp=130+35Log(d);

Prx_ms ≥ -85 dBm

r max = ?

r’ max = ?

r

Esercizio 3



Prx_ms >= Ptx_bts – Lf_bts+ Ga_bts- Lp+ Ga_ms- Lf_ms [bts->ms]

Quindi

-85 dBm >= 45 dBm – 0 dB + 18 dBi – Lp(r_max) + 1 dBi – 0 dB

-85 dBm >= 64 dBm – Lp(r_max)

Lp(r_max) <= 149 dB

130 + 35 Log (Rmax) <= 149 dB

R_max <= 10 ^ ((149-130)/35) = 3.48 km

Esercizio 3 – Soluzione (1)



Se Ptx_bts raddoppia

P’tx_bts = Ptx_bts + 3 dB (cfr. “dB notevoli”)

Lp(r’_max) <= 149 + 3 [dB]

R’_max <= 10 ^ ((152-130)/35) = 4.25 km




Date le caratteristiche d'impiantoDate le caratteristiche d'impiantoBTS: PBTS: P

tx_btstx_bts=45 dBm, P=45 dBm, Prx_btsrx_bts >= -100 dBm, >= -100 dBm, GGa_btsa_bts=18 dBi, L=18 dBi, L

f_btsf_bts= 2 dB= 2 dB

MS: PMS: Ptx_mstx_ms=30 dBm, P=30 dBm, P

rx msrx ms >= -103 dBm, >= -103 dBm, GGa_msa_ms= 1 dBi, L= 1 dBi, Lf_msf_ms= 1 dB= 1 dB

La legge del path loss e’: La legge del path loss e’: LLp p =130 + 35 Log ( d [km] ) [dB]=130 + 35 Log ( d [km] ) [dB]

1- Calcolare il massimo raggio di copertura nei versi downlink (BTS->MS) ed uplink 1- Calcolare il massimo raggio di copertura nei versi downlink (BTS->MS) ed uplink (MS->BTS)(MS->BTS)

2- Quale sarebbe il comportamento della rete dal punto di vista di un utente se si 2- Quale sarebbe il comportamento della rete dal punto di vista di un utente se si andasse in campo con questa configurazione?andasse in campo con questa configurazione?

Esercizio 4



Il calcolo del raggio massimo puo’ essere calcolato come negli esercizi, precedenti, riportiamo qui solo il risultatoR_max_dl = 9.36 kmR_max_ul = 2.87 km

In questo caso abbiamo quindi due celle concentriche ma di dimensione differente.Nell’area in cui le celle si sovrappongono il funzionamento e’ quello regolare, mentre nell’area in cui esiste solo la copertura in downlink, l’utente riceve un segnale sufficiente a decodificare i canali comuni in downlink ma non e’ in grado di fare un accesso alla cella in quanto la bts non riesce a riceverlo con un livello sufficiente.Per risolvere questo inconveniente ….


DL

UL



Per ovviare a questo inconveniente siamo obbligati a decrementare la potenza in uscita Per ovviare a questo inconveniente siamo obbligati a decrementare la potenza in uscita dalla bts.dalla bts.Ricalcolando quindi il link budget in downlink imponendo un raggio di cella uguale a Ricalcolando quindi il link budget in downlink imponendo un raggio di cella uguale a quello dell’uplink abbiamoquello dell’uplink abbiamo

PPrx_msrx_ms = P = Ptx_btstx_bts – L – L

f_btsf_bts+ G+ Ga_btsa_bts- L- L

p p (2.87 km) + G(2.87 km) + Ga_msa_ms- L- L

f_ms f_ms [bts->ms][bts->ms]

OtteniamoOtteniamo

-103 dBm = P-103 dBm = Ptx_btstx_bts – 2 + 18 – 146 + 1 – 1 – 2 + 18 – 146 + 1 – 1

PPtx_btstx_bts = 27 dBm = 27 dBm




Considerando una cella omnidirezionale circolare il cui raggio di Considerando una cella omnidirezionale circolare il cui raggio di

copertura massimo sia di 2.7 km e la capacità max di 32 Erl - copertura massimo sia di 2.7 km e la capacità max di 32 Erl -

trascurando la probabilità di blocco -trascurando la probabilità di blocco -

a) calcolare la massima densità di traffico smaltita dalla cellaa) calcolare la massima densità di traffico smaltita dalla cella

b) il numero di utenti serviti se ciascuno di questi genera un traffico di b) il numero di utenti serviti se ciascuno di questi genera un traffico di

15 mErl 15 mErl

Esercizio 5



a) L’area della cella èa) L’area della cella è

Ac = R_max^2 * PIAc = R_max^2 * PI

Quindi Ac = 2.7 ^2 * 3.14 = 22.9 [km2]Quindi Ac = 2.7 ^2 * 3.14 = 22.9 [km2]La densità di traffico smaltibile della cella e’La densità di traffico smaltibile della cella e’

Td = Cmax / AcTd = Cmax / Ac

Quindi Td = 32 Erl / 22.9 km2 = 1.397 Erl / km2Quindi Td = 32 Erl / 22.9 km2 = 1.397 Erl / km2

b) Il numero di utenti servito è facilmente calcolabile -in questo caso- b) Il numero di utenti servito è facilmente calcolabile -in questo caso- come rapporto tra la capacità max della cella e il traffico di ciascun come rapporto tra la capacità max della cella e il traffico di ciascun utente quindiutente quindi

Nu = Cmax / TuNu = Cmax / Tu

Nu = 32 Erl / 0.015 Erl/utente = 2’133 utentiNu = 32 Erl / 0.015 Erl/utente = 2’133 utenti

Esercizio 5 – Soluzione



Data una densità di utenti di 10’000 per 10 km2 generanti ciascuno un Data una densità di utenti di 10’000 per 10 km2 generanti ciascuno un

traffico di 35 mErl, calcolare il raggio di copertura massimo di una cella traffico di 35 mErl, calcolare il raggio di copertura massimo di una cella

omnidirezionale circolare con una capacità massima di 28 Erl - trascurando la omnidirezionale circolare con una capacità massima di 28 Erl - trascurando la

probabilità di blocco.probabilità di blocco.

Esercizio 6



Per soddisfare il vincolo di capacità, la densità di traffico smaltita Per soddisfare il vincolo di capacità, la densità di traffico smaltita dalla cella deve essere maggiore o uguale a quella offerta:dalla cella deve essere maggiore o uguale a quella offerta:

DDcc >= D >= Doo (1)(1)

Dove Dc = Nc / Ac e l’area della cella è Ac = R_max^2 * PIDove Dc = Nc / Ac e l’area della cella è Ac = R_max^2 * PILa densità di traffico offerta è data dal traffico generato dagli utenti La densità di traffico offerta è data dal traffico generato dagli utenti sull’area totale in kmsull’area totale in km22

DDoo = T = Tuu * N * Nuu / A / Atottot = 0.035 Erl * 10’000 / 10 km = 0.035 Erl * 10’000 / 10 km22 = 35 Erl/km = 35 Erl/km22

Imponendo la (1)Imponendo la (1)Nc / (R_max ^2 * PI ) >= 35 Erl/kmNc / (R_max ^2 * PI ) >= 35 Erl/km22

RR22 <= 28 / (35 * PI) <= 28 / (35 * PI)

R_max <= 0.5 kmR_max <= 0.5 km

Esercizio 6 – Soluzione



Si vuole offrire un servizio GSM a 120’000 utenti con un traffico di 25mErl Si vuole offrire un servizio GSM a 120’000 utenti con un traffico di 25mErl ciascuno in un’area omogenea ampia 100 kmciascuno in un’area omogenea ampia 100 km22 utilizzando siti tri-settoriali utilizzando siti tri-settoriali le cui celle hanno le seguenti caratteristiche:le cui celle hanno le seguenti caratteristiche:

PPtx(BTS) tx(BTS) = 45 dBm; GA= 45 dBm; GA(BTS) (BTS) = 15 dBi;= 15 dBi;

LLp p = 145 + 35 Log (d);= 145 + 35 Log (d);

GAGA(MS) (MS) = 0 dBi; = 0 dBi; PPrxrx(MS)(MS) ≥≥ -90 dBm -90 dBm

numero massimo di canali voce per cella = 16.numero massimo di canali voce per cella = 16.

Indicare il numero di siti necessario per soddisfare il vincolo diIndicare il numero di siti necessario per soddisfare il vincolo di

a) copertura radio (utilizzando una maglia esagonale regolare e a) copertura radio (utilizzando una maglia esagonale regolare e trascurando l’effetto ai bordi dell’area)trascurando l’effetto ai bordi dell’area)

b) capacità (senza considerare la probabilità di blocco per cella e/o per b) capacità (senza considerare la probabilità di blocco per cella e/o per sito)sito)

Esercizio 7



dmax

1) 1) Il numero di siti necessario a garantire la copertura radio èIl numero di siti necessario a garantire la copertura radio è

NNsitisiti = A = Atottot / A / Asitosito

Con riferimento alla sito in figura, calcoliamo il raggio max di una Con riferimento alla sito in figura, calcoliamo il raggio max di una cellacella

45 + 15 – L45 + 15 – Lp p > -90 dBm;Lp < 150 dB;145 + 35 Log d < 150;> -90 dBm;Lp < 150 dB;145 + 35 Log d < 150;

d < 10 d < 10 1/7 1/7

ddmaxmax = 1.38 km = 1.38 km

L’area coperta da ciascuna sito èL’area coperta da ciascuna sito è

AAsitosito = 9/8 * sqrt (3) * d = 9/8 * sqrt (3) * dmaxmax2 2 = = 3.76 km3.76 km22

Quindi Quindi NNsitisiti = A = Atottot / A / Asitosito = 100 / 3.76 = = 100 / 3.76 = 27 circa27 circa

è il # siti sufficiente a garantire la sola copertura radio.è il # siti sufficiente a garantire la sola copertura radio.




2) Per possibile soddisfare il vincolo di capacità, la densità di traffico smaltita 2) Per possibile soddisfare il vincolo di capacità, la densità di traffico smaltita dal sito deve essere maggiore o uguale a quella offerta:dal sito deve essere maggiore o uguale a quella offerta:

DDss >= D >= Doo (1)(1)

Calcoliamo la densità di traffico offertaCalcoliamo la densità di traffico offerta

DDoo = N = Nuu * T * Tuu / A / Atot tot = = 120’000 * 0.025 / 100 = 120’000 * 0.025 / 100 = 30 Erl/km30 Erl/km22

La capacità di un sito con 3 celle da 16 canali ciascuna è CLa capacità di un sito con 3 celle da 16 canali ciascuna è Csitosito = 3 * 16 = 3 * 16

la densità di traffico smaltita per sito che deve soddisfare quella offerta èla densità di traffico smaltita per sito che deve soddisfare quella offerta è

DDss = N = Ncc / A / As s = 3 * 16 / As= 3 * 16 / As

Imponendo la (1) ricavo che As <= 3*16 / 30 = 1.6 kmImponendo la (1) ricavo che As <= 3*16 / 30 = 1.6 km22

(da quest’ultimo risultato per il sito in questione R =< 0.90 km)(da quest’ultimo risultato per il sito in questione R =< 0.90 km)




Il numero di siti necessario a soddisfare il criterio di capacità sarà quindi Il numero di siti necessario a soddisfare il criterio di capacità sarà quindi

NNsitisiti = A = Atottot / A / Asiti siti = = 100 / 1.6 = 63 siti circa 100 / 1.6 = 63 siti circa

Notiamo cheNotiamo che

il raggio ottenuto rispettando il vincolo di capacità (R = 0.9 km) è compatibile il raggio ottenuto rispettando il vincolo di capacità (R = 0.9 km) è compatibile

con il limite dato dal vincolo di copertura considerato precedentemente con il limite dato dal vincolo di copertura considerato precedentemente

(=<1.8 km)(=<1.8 km)




AppendiceAppendice



Il decibel (dB)

Il decibel (dB) e’ una unità logaritmica introdotta per la misura tra rapporti di Il decibel (dB) e’ una unità logaritmica introdotta per la misura tra rapporti di

potenze elettriche ed utilizzata anche per la misura di tensioni o densità di potenze elettriche ed utilizzata anche per la misura di tensioni o densità di

potenza in acustica.potenza in acustica.

Nel nostro caso, quello delle potenze elettriche, indicando con PNel nostro caso, quello delle potenze elettriche, indicando con P11 e P e P22 due livelli di due livelli di

potenza, la misura in decibel del loro rapporto e’ dato dapotenza, la misura in decibel del loro rapporto e’ dato da

10 log10 log1010 (P (P11 / P / P22))

La potenza P2 viene presa come riferimento (1 mW, 1W, ecc.)La potenza P2 viene presa come riferimento (1 mW, 1W, ecc.)



Operatore dB

• Operatore dBOperatore dB

x|x|dB dB = 10·Log(x) = 10·Log(x)

– es: 345 |es: 345 |dBdB = 10 Log(345) = 25.378 dB= 10 Log(345) = 25.378 dB

– es: 0.023 |es: 0.023 |dBdB= 10 Log (0.023) = -16.3827 dB= 10 Log (0.023) = -16.3827 dB

L'argomento del Log deve essere un numero puro!L'argomento del Log deve essere un numero puro!

Infatti le grandezze che utilizziamo, dBm e dBW, esprimono il rapporto Infatti le grandezze che utilizziamo, dBm e dBW, esprimono il rapporto

tra la potenza in questione e una opportuna di riferimento.tra la potenza in questione e una opportuna di riferimento.



dB “notevoli”

2 2 -> -> 3 dB (3.0103) 3 dB (3.0103)

½½ -> - 3 dB-> - 3 dB

1 1 -> 0 dB-> 0 dB

1010 -> 10 dB -> 10 dB 0.1 0.1 -> -10 dB -> -10 dB

100100 -> 20 dB-> 20 dB 0.010.01 -> -20 dB-> -20 dB

10001000 -> 30 dB-> 30 dB

200 = 2 * 100 -> 3 dB + 20 dB = 23 dB200 = 2 * 100 -> 3 dB + 20 dB = 23 dB

0.005 = ½ * 1/100 = -3 dB – 20 dB = -23 dB 0.005 = ½ * 1/100 = -3 dB – 20 dB = -23 dB



dBW, dBm

dBWdBWCon riferimento ad 1 W utilizziamo il dBW (si legge “dB Watt”) Con riferimento ad 1 W utilizziamo il dBW (si legge “dB Watt”)

– x|x|dBWdBW = 10Log(x[W]/1 W) = 10Log(x[W]/1 W)

– es: 345 Watt = 25.378 dBWes: 345 Watt = 25.378 dBW– es: 0 dBW = 1 Wes: 0 dBW = 1 W

dBmdBmCon riferimento ad 1 mW utilizziamo il dBm (si legge anche “dB milliWatt”) Con riferimento ad 1 mW utilizziamo il dBm (si legge anche “dB milliWatt”)

– xx||dBmdBm = 10Log(x [mW]/1 mW) = 10Log(x [mW]/1 mW)

– es: 345 W = 345'000 mW = 55.378 dBmes: 345 W = 345'000 mW = 55.378 dBm– es: 0 dBm = 1 mW = 0.001 Wes: 0 dBm = 1 mW = 0.001 W– es: 30 dBm = 1000 mW = 1 Wes: 30 dBm = 1000 mW = 1 W



dBd, dBi, dBc, dBa

dBd, dBidBd, dBi

Il guadagno di un'antenna è espresso come il rapporto tra la potenza Il guadagno di un'antenna è espresso come il rapporto tra la potenza

che questa irradia in una determinata direzione e quella che verrebbe che questa irradia in una determinata direzione e quella che verrebbe

irradiata sempre nella stessa direzione da un dipolo irradiata sempre nella stessa direzione da un dipolo λ/2 o un'antenna λ/2 o un'antenna

isotropa, i valori così ottenuti si indicano in dBd e dBi rispettivamente.isotropa, i valori così ottenuti si indicano in dBd e dBi rispettivamente.

dBc, dBadBc, dBa

Nel calcolo dell’interferenza si impiegano per indicare che il segnale Nel calcolo dell’interferenza si impiegano per indicare che il segnale

interferente è x dB superiore allo stesso canale dBc o ad uno interferente è x dB superiore allo stesso canale dBc o ad uno

adiacente dBa.adiacente dBa.

presentazione di powerpoint - intranet...

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