Συστηματα Προσωπικων Επικοινωνιων Αποστολος Τραγανίτης Ενοτητα 4 HY 532 Συστηματα Προσωπικων Επικοινωνιων Αποστολος Τραγανίτης Ενοτητα 4 E-mail: tragani@csd.uoc.gr Τηλ. : 0810 393553 Σημειώσεις στο: www.csd.uoc.gr/~hy532  

Περιληψη Περιεχομενα Σκοπος αυτης της ενοτητας ειναι η παρουσιαση των βασικων στοιχειων της εννοιας της κυψελοειδους καλυψης μιας περιοχης και η αναπτυξη των σχεσεων που καθοριζουν την κατανομη των καναλιων στις κυψελες του κυψελοειδους συστηματος Περιεχομενα Η κυψελοειδης καλυψη Χωρητικοτητα (capacity) και μεταπομπη (handoff) Συγκαναλωση (trunking)

Βασικες εννοιες Τα πρωτα συστηματα κινητης τηλεφωνιας δεν ηταν κυψελοειδη. Για την καλυψη μιας μεγαλης περιοχης χρειαζοταν ενας ισχυρος πομπος και μια κεραια σε υψηλο μερος. Δεν γινοταν επεναχρησιμοποιηση συχνοτητων. Αυτο ειχε σαν αποτελεσμα πολυ μικρη χωρητικοτητα Η ιδεα του κυψελοειδους συστηματος προεκυψε απο την αναγκη επεκτασης του ραδιοτηλεφωνικου συστηματος για την καλυψη της αυξημενης ζητησης, η οποια δεν μπορουσε να ικανοποιηθει απλα παρα μονο με με την χρησιμοποιηση προσθετου φασματος συχνοτητων Κυψελοειδης καλυψη: Αντικατασταση των μεγαλων πομπων με πολλους μικροτερους. Γειτονικοι σταθμοι βασης λειτουργουν με διαφορετικες ομαδες καναλιων (συχνοτητων). Η χωρητικοτητα μπορει να αυξηθει με επιπροσθετο διαμερισμο του φασματος και της περιοχης.

Low cost base-stations covering a small area System 1 System 2 d d Low cost base-stations covering a small area High cost base-stations covering a large area

H Βασικη ιδεα Συνδεση στο ενσυρματο δικτυο με μια μονο ασυρματη ζευξη (Single hop) Ο χωρος διαιρειται σε κελια – κύτταρα (cells) Ενας σταθμος βασης (base station) αναλαμβανει την ασυρματη επικοινωνια με τους χρηστες μεσα σε ενα κελι (cell) Οι κινουμενοι χρηστες μπορουν να αλλαζουν κελια ενω επικοινωνουν Μεταπομπη (Hand-off) λαμβανει χωρα οταν ενας κινουμενος χρηστης αρχιζει να επικοινωνει μεσω ενος νεου σταθμου βασης Παραγοντες που ρυθμιζουν το μεγεθος των κελιων Αριθμος χρηστων που πρεπει να υποστηριχθουν Τεχνολογιες πολυπλεξιας και εκπομπης (διαμορφωση, κωδικοποιηση κ.λ.π) …

Η κυψελοειδης καλυψη Περιορισμενο ευρος φασματος => περιορισμενος αριθμος καναλιων Μεμονωμενος σταθμος βασης μεγαλης ισχυος => περιορισμενος αριθμος χρηστων Μικροτερα κελια => δυνατοτητα επαχρησιμοποιησης συχνοτητων => μεγαλυτερος αριθμος χρηστων Οι σταθμοι βασης (BS): επιτυγχανουν πολυπλεξια με «διαιρεση χωρου» Καθε BS καλυπτει μια συγκεκριμενη γεωγραφικη περιοχη (cell) Καθε BS χρησιμοποιει ενα μερος του συνολικου αριθμου των διαθεσιμων καναλιων Συσταδα (Cluster): ομαδα γειτονικων BSs που ολοι μαζι χρησιμοποιουν ολα τα διαθεσιμα καναλια Οι κινουμενοι χρηστες επικοινωνουν μονο μεσω του BS FDMA, TDMA, CDMA μπορει να χρησιμοποποιηθει μεσα σε ενα κελι Καθως αυξανει η ζητηση (δηλαδη χρειαζονται περισσοτερα καναλια) Το μεγεθος των κελιων μικραινει Ο αριθμος των σταθμων βασης για την καλυψη ορισμένης περιοχης αυξανει Η ισχυς εκπομπης ελαττωνεται καταλληλα ωστε να αποφευγονται οι παρεμβολες

Η κυψελοειδης καλυψη Κυτταρο ή κυψελη ή κελι (Cell) – μια γεωγραφικη περιοχη που καλυπτεται απο ενα B.S. Επαναχρησιμοποιηση συχνοτητας (frequency reuse) – το σχεδιο κατανομης των συχνοτητων των καναλιων στους Β.S Για λογους ευκολιας, τα κυτταρα απεικονιζονται με εξαγωνικο σχημα. Το εξαγωνο ειναι ενα απο τα απλουστερα σχηματα με το οποιο μπορουμε να ψηφιο- θετησουμε μια επιφανεια. Στην πραξη, τα κυτταρα δεν ειναι εξαγωνα και οι σταθμοι βασης δεν τοποθετουνται παντοτε στο κεντρο των κυτταρων. Θεωρητικο διαγραμμα καλυψης Πραγματικο διαγραμμα καλυψης Κυψελοειδες πλεγμα κυτταρων

Η κυψελοειδης καλυψη Μεγεθος κελιου: Μορφη κελιου: 100 m στις πολεις και εως 35 km στην υπαιθρο (GSM) Ακομα μικροτερα στις υψηλοτερες συχνοτητες Κελι – ομπρελλα (Umbrella cell): μεγαλο κελι που καλυπτει πολλα μικροτερα Αποφυγη συχνων μεταπομπων (handoffs) για γρηγορα κινουμενους χρηστες Μορφη κελιου: Το εξαγωνικο ειναι χρησιμο για θεωρητικες αναλυσεις Στην πραξη η περιοχη καλυψης (footprint) εχει ακανονιστη μορφη Τοποθετηση των σταθμων βασης: Κοντα στο κεντρο του κελιου Χρησιμοποιουνται πανκατευθυντικες κεραιες (omnidirectional) Σταθμοι βασης στις τρεις απο τις εξη κορυφες του εξαγωνου Κεραιες τομεακης καλυψης (sectored directional antennas)

Κελι – ομπρελλα

Η κυψελοειδης καλυψη Πλεονεκτηματα: Προβληματα: Σημαντικα ζητηματα: Μεγαλυτερη χωρητικοτητα, μεγαλυτερος αριθμος χρηστων Μικροτερη ισχυς εκπομπης Μεγαλυτερη ευρωστια του συστηματος λογω αποκεντρωσης Ο σταθμος βασης αντιμετωπιζει τις παρεμβολες και τα προβληματα της περιοχης του τοπικα Προβληματα: Χρειαζεται σταθερο δικτυο για την διασυνδεση των σταθμων βασης Απαραιτητη η μεταπομπη (handoff) Αλληλοπαρεμβολες μεταξυ των κελιων: συγκαναλικη, γειτονικου καναλιου Σημαντικα ζητηματα: Το μεγεθος των κελιων Το σχεδιο επαναχρησιμοποιησης των συχνοτητων Οι στρατηγικες κατανομης των καναλιων Τελικος στοχος: Προσπαθεια για την μεγιστοποιηση της διαθεσιμοτητας καναλιων σε μια περιοχη

Αρχιτεκτονικη κυψελοειδων συστηματων Καθε κελι εξυπηρετειται απο εναν σταθμο βασης (BS) Καθε BS συνδεεται σε ενα κινητο κεντρο μεταγωγης (mobile switching center - MSC) μεσω σταθερου δικτυου Καθε MSC συνδεεται με αλλα MSCs και με το PSTN MSC HLR VLR To other MSCs PSTN

Αρχιτεκτονικη κυψελοειδων συστηματων Καθε MSC ειναι ενας τοπικος μεταγωγεας κλησεων ο οποιος Μεταγει εναν κινουμενο χρηστη απο εναν σταθμο βασης σε εναν αλλο Εντοπιζει το τρεχον κελι στο οποιο ειναι ενας χρηστης Home Location Register (HLR): βαση δεδομενων οπου καταγραφεται το τρεχον κελι του καθε χρηστη που ανηκει στο MSC Visitor Location Register (VLR): βαση δεδομενων οπου καταγραφεται το κελι των επισκεπτων – χρηστων στην «επικρατεια» του MSC Συνδεεται με αλλους MSCs Συνδεεται με το PSTN (traditional telephone network- κοινο τηλεφωνικο δικτυο) Ενα καναλι τουλαχιστον σε καθε κελι χρησιμοποιειται για μεταδοση πληροφοριων σηματοδοσιας μεταξυ BS και χρηστων Mobile-to-BS: Θεση, εναρξη εξερχομενης κλησης, απαντηση σε εισερχομενη BS-to-Mobile: ταυτοτητα κελιου, ειδοποιηση για εισερχομενη κληση, ανανεωση θασης

Υπολογισμος χωρητικοτητας Υποθετουμε οτι υπαρχουν Ν κυτταρα, και σε καθε κυτταρο εχουμε διαθεσει k καναλια (συχνοτητες) απο τα S διαθεσιμα. Αυτα τα Ν κυτταρα λεμε οτι αποτελουν μια συσταδα (cluster). Ο συνολικος αριθμος καναλιων ανα συσταδα ειναι S = kN Η συνολικη χωρητικοτητα που παρεχουν Μ συσταδες ειναι: C = MkN = MS Μια συσταδα μπορει να αντιγραφεί περισσοτερες φορες σε μια περιοχη αν τα κυτταρα γινουν μικροτερα (σημειωστε οτι στην περιπτωση αυτη η ισχυς εκπομπης θα πρεπει να μειωθει καταλληλα). Ετσι επιτυγχανουμε μεγαλυτερη χωρητικοτητα. Ο συντελεστης επαναχρησιμοποιησης συχνοτητας (frequency reuse factor) ειναι ο αριθμος Ν των κυτταρων σε μια συσταδα. Ν=7

Παραδειγματα συσταδων Κυτταρα ανα συσταδα =Ν Ακτινα κυτταρου = R Αποσταση συσταδων = D (=αποσταση επαναχρησιμοποιησης) Συντελεστης επαναχρησιμοποιησης = 4 / 12 4 κυτταρα ανα συσταδα, Ν =4 3 τομεις ανα κυτταρο 12 ομαδες συχνοτητων 7 κυτταρα ανα συσταδα, Ν =7 21 ομαδες συχνοτητων = 7 / 21

Παραδειγματα συσταδων N

Παραδειγμα Ο αριθμος καναλιων του συστηματος ειναι: Ενα φασμα συνολικου ευρους 33 MHz διατιθεται σε ενα συστημα το οποιο χρησιμοποιει 2x25 kHz για πληρως αμφιδρομη (full duplex) επικοινωνια (δηλ., καθε καναλι επικοινωνιας εχει ευρος 50 kHz). Ποιος ειναι ο αριθμος των καναλιων ανα κυτταρο?? Ο αριθμος καναλιων του συστηματος ειναι: 33.000 KHz / 50 kHz = 660 καναλια Α. Για επαναχρησιμοποιηση με Ν=4 εχουμε 660/4 =165 καναλια / κυτταρο Β. Για επαναχρησιμοποιηση με Ν=7 εχουμε: 660/7 = 95 καναλια / κυτταρο Υποθεστε τωρα οτι 1 MHz φασματος απο τα 33 MHz διατιθεται για καναλια ελεγχου. Καθε καναλι ελεγχου εχει ευρος επισης 50 kHz. Ο αριθμος καναλιων φωνης ειναι 32.000 kHz/ 50 kHz = 640 καναλια Α. Για Ν=4 εχουμε 640/4 =160 καναλια φωνης + 5 καναλια ελεγχου / κυτταρο Β. Για Ν=7 εχουμε: 640/7 = 91 καναλια φωνης + 3 καναλια ελεγχου / κυτταρο

Γεωμετρια Κυψελοειδων Συστηματων Το πλαγιο συστημα συντεταγμενων της κυψελοειδους γεωμετριας Ειναι ενα βολικο συστημα συντεταγμενων (u,v): Μοναδα αποστασης κατα μηκος των αξονων = οπου R η ακτινα του καθε κυτταρου. Το κεντρο καθε κυτταρου εχει συντεταγμενες ενα ζευγος ακεραιων αριθμων. Η αποσταση των κεντρων γειτονικων κυτταρων ειναι 1 μοναδα= h= R(√3/2) 2R h

Αποσταση μεταξυ σημειων Θεωρημα: Στο πλαγιο συστημα συντεταγμενων (u,v) η αποσταση μεταξυ δυο σημειων (u1,v1) και (u2,v2) διδεται απο τον τυπο: Αποδειξη: στο επομενο slide Εφαρμογη: αν (u1,v1) = (0,0) και (u2,v2) = (i, j) τοτε η αποσταση τους ειναι: d12 =

Αριθμος κυττάρων σε μια συσταδα Υποθετουμε οτι εχουμε ενα κυτταρο στην θεση (0, 0) και ενα κυτταρο με το ιδιο συνολο καναλιων (ομοιοκαναλικο) στην θεση (i,j). Τοτε η αποσταση D (αποσταση επαναχρησιμοποιησης) μεταξυ των ομοιοκαναλικων κυτταρων ειναι: Μια συσταδα μπορει να παρασταθει με ενα εξαγωνο ακτινας RC. Η αποσταση μεταξυ των κεντρων των συσταδων ειναι: Η ακτινα Rc μιας συσταδας ειναι R R D RC RC D/2 Στο σχημα, με Ν=7, ειναι i=2 και j=1 οποτε D2 = 22+ 2 + 1= 7 D=(units)7= = (R3)7 D = R  3x7 D/2=RC 3/2

H επιφανεια ενος εξαγωνου ακτινας R ευρισκεται ως εξης: Επιφανεια του τριγωνου = Επιφανεια του εξαγωνου = Ο αριθμος των κυτταρων σε μια συσταδα Κατα συνεπεια οι δυνατες τιμες του Ν ειναι 3, 4, 7, 9, 12 κ.λ.π. για αποσταση ομοιοκαναλικων κυτταρων (i,j) = (1,1), (0,2) (1,2), (0,3), (1,3)

Επομενως ο λογος q της αποστασης των ομοιοκαναλικων κυτταρων ως προς την ακτινα του κυτταρου ειναι

Συγκαναλικη παρεμβολη και παρεμβολη γειτονικου καναλιου Συγκαναλικη παρεμβολη (co-channel interference – CCI) ειναι η παρεμβολη απο χρηστες και τον Β.S. ενος κυτταρου με τις ιδιες συχνοτητες. Παρεμβολη γειτονικου καναλιου (adjacent channel interference - ACI) ειναι η παρεμβολη απο κυτταρο που χρησιμοποιει συχνοτητα γειτονικη (στο φασμα) με εκεινη που χρησιμοποιουμε. Η παρεμβολη γειτονικου καναλιου εξαρταται απο την αποσταση των δυο πομπο- δεκτων και την ποιοτητα των φιλτρων απορριψης συχνοτητων. Η συγκαναλικη παρεμβολη εξαρταται κυριως απο τον συντελεστη επαναχρησιμο- ποιησης Ν

Συγκαναλικη παρεμβολη (co-channel interference) και χωρητικοτητα συστηματος Η σηματοθορυβικη σχεση (= o λογος σηματος προς θορυβο και παρεμβολες - SNR) μιας ζευξης μπορει να βελτιωθει αν αυξηθει η ισχυς εκπομπης. Ωστοσο, αν αυξηθει η ισχυς εκπομπης ολων των χρηστων ο λογος σηματος προς παρεμβολη (signal-to-interference ratio - SIR) δεν μπορει να βελτιωθει. Για να βελτιωθει ο SIR, πρεπει να αυξηθει η αποσταση μεταξυ συγκαναλικων κελιων δηλαδη ο λογος q = D/R =3Ν και επομενως ο αριθμος των κυτταρων σε μια συσταδα (ο συντελεστης επαναχρησιμοποιησης Ν) Για εξαγωνικη γεωμετρια Μικρο q = D/R σημαινει μεγαλη χωρητικοτητα ανα κυτταρο (μικρος αριθμος κυτταρων N ανα συσταδα).

Ν=19, (i=3, j=2) j i

Υπολογισμος λογου σηματος προς παρεμβολη για συγκαναλικη παρεμβολη Λογος σηματος προς παρεμβολη (Signal-to-interference ratio – SIR) S ειναι η ισχυς του επιθυμητου σηματος και Ik ειναι η ισχυς μιας παρεμβολης. Ειδαμε οτι η ισχυς του σηματος S σε αποσταση d απο μια πηγη ειναι: οπου n = εκθετης απωλειων διαδοσης καναλιου (n=3 ή n=4) κινητο Σταθμος Βασης ή κινητο D

οπου ο παρονομαστης αναφερεται στους χρηστες σε Ετσι μπορουμε να εκφρασουμε την SIR στον σταθμο βασης του κεντρικου κυτταρου συναρτησει των αποστασεων οπου ο παρονομαστης αναφερεται στους χρηστες σε κυτταρα γειτονικων συσταδων που χρησιμοποιουν το ιδιο καναλι. Αν Dk=D ειναι η αποσταση μεταξυ των κεντρων των κυτταρων, τοτε Παρατηρουμε οτι ο C/I βελτιωνεται με την αυξηση του N. Το AMPS απαιτει C/I ~ 18dB (= 101.8= 63 φορες) Για n = 4, ο συντελεστης reuse του AMPS ειναι N = 7. Ας θεωρησουμε τωρα την πιο δυσμενη περιπτωση για μια συσταδα μεγεθους N= 7. Το κινητο ειναι στην περιφερεια του κυτταρου οπου εξυπηρετειται. Θα υπολογισουμε τον λογο C/I σαν συναρτηση των πραγματικων αποστασεων. D Carrier to interference =

Υπολογισμος δυσμενεστερης περιπτωσης Ο λογος φεροντος–προς-παρεμβολη για την χειροτερη περιπτωση ειναι Εστω n = 4 και D/R = q, Με reuse N = 7, εχουμε Υπολογιζουμε το C/I και εχουμε C/I = 17.3 dB (~50 φορες) Για ενα συστημα AMPS με κεραια κυκλικης καλυψης (omni-directional), το N =7 δεν ειναι ικανοποιητικο. Χρειαζομαστε Ν=9 (η αμεσως μεγαλυτερη συσταδα). Τοτε q = 5.2 και C/I = 19.8 dB

Σχεση του C/I και του συντελεστη επαναχρησιμοποιησης Ν n=3.5 Κλασσικη καλυψη 4/12 D/R = √3N

Προβλημα: Αν C/Imin = 15 dB, ποιος ειναι ο συντελεστης επαναχρησιμοποιησης για n = 4 και n = 3 (a) n = 4, N = 7 Αρα το N =7 μπορει να χρησιμοποιηθει (b) n = 3, N = 7

Μεθοδοι κατανομης καναλιων Υπαρχουν δυο τεχνικες κατανομης των καναλιων: Η στατικη και η δυναμικη. Η μεθοδος κατανομης επηρεάζει την μεταπομπη 1. Στατικη (Fixed) – καθε κυτταρο εχει τα δικα του καναλια. Mπορει να χρησιμοποιησει μονο τα καναλια που του ανηκουν. 2. Στατικη με επιτρεψη δανεισμου καναλιων– υπο την εποπτεια ενος κεντρου ελεγχου (mobile switching center MSC). 3. Εντελως δυναμικη– προσφερει μεγιστη ευελιξια στον χειρισμο των καναλιων. Τα καναλια δεν κατανεμονται επι μονιμου βασεως. Κατανεμονται απο το MSC συμφωνα με τις αιτησεις εξυπηρετησης. Ενα καναλι ειναι διαθεσιμο μονο αν δεν χρησιμοποιειται σε μια συσταδα μεταπομπης.

Μεταπομπη (Handoff) Μεταπομπη (HANDOFF): η διαδικασια μεταφορας μιας κλησης απο την δικαιοδοσια ενος σταθμου βασης σε ενος αλλου. Η μεταπομπη δινει προτεραιοτητα στις εν εξελιξει κλησεις. Η μεταπομπη πρεπει να εκτελειται οσο το δυνατον πιο σπανια. Η μεταπομπη ξεκινα οταν η ισχυς του λαμβανομενου σηματος πλησιασει σε μια προκαθορισμένη τιμη πανω απο το ελαχιστο εκμεταλλευσιμο σημα ληψης. Ισχυς μεταπομπης = ισχυς εκμεταλλευσιμη +Δ Οπου «ισχυς εκμεταλλευσιμη» ~ -90 to -100 dBm. Αν το Δ ειναι πολυ μεγαλο => κινδυνος μη απαραιτητης μεταπομπης Αν το Δ ειναι πολυ μικρο => κινδυνος απωλειας της κλησης Κατωφλι μεταπομπης Ελαχιστο χρησιμο σημα Ισχυς λαμβανομένου σηματος Δ Κινηση κινητου

Πρεπει να εξασφαλισθει οτι η πτωση της ισχυος του σηματος δεν οφειλεται σε διαλείψεις. Αυτο συνεπαγεται την αναγκη διαρκους παρακολουθησης της ισχυος. Στα συστηματα 1ης γενιας, καθε BS παρακολουθουσε την ισχυ ολων των κινητων( MS). Ισχυς = Ενδειξη εντασης ραδιο σηματος (radio signal strength indication - RSSI) Εκτος απο την παρακολουθηση της RSSI μιας κλησεως εν εξελιξει, δεκτες εντοπισμου στα γειτονικα κυτταρα παρακολουθουσαν την ενταση του σηματος. Ολη αυτη η πληροφορια διοχετευοταν στο MSC, το οποιο αποφασιζε για το ποτε θα γινει το handoff. Στα συστηματα 2ης γενιας εχουμε μεταπομπη υποβοηθουμενη απο το κινητο (mobile assisted handoff - MAHO). Το κινητο μετρα και αυτο την ισχυ του BS. Η μεταπομπη γινεται οταν ενας γειτονικος BS ειναι ισχυροτερος. Αυτη η κατανεμημενη λειτουργια βοηθα στην απλοποιηση της δομης του MSC.

Μεταπομπη μεταξυ συστηματων (intersystem handoff) – το κινητο κινειται μεταξυ κυψελοειδων συστηματων – ανακυπτουν θεματα περιαγωγης (roaming) and συμβατοτητας (compatibility). Για εξασφαλιση διαθεσιμων καναλιων: Καναλια ασφαλειας (Guard channels) – εφεδρικα μονο για μεταπομπες. Ουρα αναμονης (Queuing) – Το περιθωριο σχεδιασης Δ ειναι αρκετα μεγαλο ετσι ωστε να υπαρχει αρκετος χρονος μετα την αιτηση μεταπομπης πριν χαθει το σημα. Μεταπομπη 1ης γενιας ~ 10 seconds, Δ ~ 6 – 10 dB. Η μεταπομπη 2ης γενιας (GSM) υποβοηθουμενη απο το κινητο ειναι ταχυτερη ~ 1 – 2 seconds, Δ ~ 6 dB. Σε ολα τα πιο πανω παραδειγματα εχουμε «σκληρη μεταπομπη» (hard handoff) με διαφορετικα καναλια. Η «μαλακη μεταπομπη» (soft handoff) ειναι μια ιδιαιτεροτητα του CDMA. Επιτρεπει στον ισχυροτερο BS να χειρισθει μια κληση. Ολοι οι ΒS χρησιμοποιουν τις ιδιες συχνοτητες, απλα εχουν διαφορετικους κωδικες.

Συγκαναλωση - Trunking H συγκαναλωση ειναι μια μεθοδος παροχης προσβασης σε χρηστες, μετα απο αιτηση τους, απο μια δεξαμενη διαθεσιμων καναλιων (που ειναι ομως πολυ λιγότερα απο τους πιθανους χρηστες) Με την συγκαναλωση, ενας μικρος αριθμος καναλιων μπορει να εξυπηρετησει ενα μεγαλο πληθος χρηστων. Οι τηλεφωνικες εταιρειες χρησιμοποιουν την θεωρια της συγκαναλωσης για να καθορισουν τον αριθμο των κυκλωματων που πρεπει να φτάνουν σε ενα κτήριο. Η θεωρια της συγκαναλωσης διερευνα πως ενας περιορισμενος αριθμος κυκλωματων μπορει να εξυπηρετησει εναν μεγαλο αριθμο χρηστων.

Ορισμοί Η ενταση της κινησης (Traffic intensity) μετριεται με Erlangs: (π.χ. Μια ωρα κλησης / ωρα, 1 λεπτο κλησης/λεπτο) 0.5 Erlang, κινηση ενος καναλιου κατειλημμένου για 30 λεπτα μεσα σε μια ωρα. Βαθμος εξυπηρετησης (Grade of Service - GOS): εξαρταται απο την πιθανοτητα να μπλοκαριστει μια κληση. Χρονος εγκαταστασης (Set-Up Time): ο χρονος μεχρι την διαθεση ενος καναλιου. Φραγμενη κληση (Blocked Call): κληση που απορριπτεται Χρονος Συγκρατησης (Holding Time): (H) μεση διαρκεια μιας τυπικης κλησης. (ωρες /κληση ή secs/κληση) Φορτιο (Load): Ενταση κινησης σε ολο το συστημα. Ρυθμος αφιξης κλησεων (Request Rate): () μεσος αριθμος κλησεων ανα μοναδα χρονου. (κλησεις/ ωρα ή κλησεις/sec)

Χαρακτηριστικα της κινησης της κινητης τηλεφωνιας Οι χρηστες της κινητης τηλεφωνιας δημιουργουν μεση κινηση 25-35 mE κατα την διαρκεια των ωρων αιχμης Οι ωρες αιχμης ηταν παραδοσιακα απο 10πμ εως 12πμ και απο 1μμ εως 3μμ Ομως οι συνηθειες των χρηστων αλλαζουν – Οι παραδοσιακοι συνδρομητες δεν ειναι πλεον μονο υπαλληλοι εν κινησει που κανουν τηλεφωνηματα κατα τις ωρες εργασιας – Τα κινητα γινονται πλεον πολυ δημοφιλη για προσωπικη χρηση – Οι ωρες αιχμης μετατοπίστηκαν στις ωρες μετακινησης απο την δουλεια στο σπιτι (4-7μμ). – Μερικες εταιρειες παρατηρουν μια αλλη μετατοπιση των ωρων αιχμης, που οφειλεται στις μειωμενες τιμες τις βραδυνες ωρες και τα σαββατο-κυριακα. – Τα Erlangs ανα συνδρομητη εχουν αυξηθη αρκετα

Γιατι χρειαζεται να ξερουμε την κινηση?? Η γνωση της συνολικης κινησης κατα τις ωρες αιχμης μας επιτρεπει να σχεδιασουμε το wireless συστημα για ορισμενο βαθμο εξυπηρετησης (grade of service – GOS) Αν το συστημα δεν εχει τις καταλληλες διαστασεις για να υποστηριξει την κινηση, οι κλησεις πολλων συνδρομητων θα απορριφθούν Ο βαθμος εξυπηρετησης (GOS) ειναι η πιθανοτητα απορριψης μιας κλησης κατα τις ωρες αιχμης Σε ενα wireless συστημα, ο σχεδιαστικος στοχος ειναι συνηθως GOS ~2% (0.02), ή λιγότερο. Ειναι 1% ή λιγότερο εάν το ασύρματο σύστημα προσπαθεί να ανταγωνισθεί ενα ενσυρματο συστημα. Οι πινακες κινησης μας επιτρεπουν να βρουμε ποσα καναλια χρειαζονται για εναν ελαχιστο GOS

Παραγόμενη κινηση Καθε χρηστης παραγει κινηση. Η κινηση ανα χρηστη ειναι A = H οπου μ ειναι ο ρυθμος αφιξης κλησεων και H ειναι ο χρονος συγκρατησης. Για U χρηστες το φορτιο ειναι A= UA Αν το φορτιο υφισταται συγκαναλωση σε C καναλια, τοτε η ενταση της κινησης ανα καναλι ειναι Ac= UA /C Παραδειγμα: θεωρουμε 100 χρηστες με τις εξης συνηθειες Οι 100 χρηστες παραγουν κινηση 3.5 E => 35 mE ανα χρηστη

Πινακες κινησης Στα κυψελοειδη συστηματα μπορουν να χρησιμοποιηθούν 3 τυποι πινακων κινησης Οι πινακες προερχονται απο πιθανο-θεωρητικες σχεσεις οπως η πιο κατω για τον πινακα ERLANG B C = συνολικος αριθμος καναλιων Α = συνολικη ενταση κινησης PB = πιθανότητα απόρριψης κλήσης

Ο πινακας ERLANG B O πινακας Erlang B χρησιμοποιειται κατα κυριο λογο στα ασυρματα τηλεφωνικα συστηματα Τα περισσοτερα συστηματα δεν θετουν σε αναμονη τις κλησεις οταν δεν μπορουν να τις εξυπηρετησουν (blocked calls), και αν εξαιρεσουμε μερικους χρηστες που κανουν επανειλημμένες αποπειρες να «πιασουν γραμμη», η κινηση προσεγγιζεται καλυτερα με τον τυπο Erlang B Παραδειγμα: Ποσα καναλια απαι- τουνται για την εξυπηρετηση 100 συνδρομητων με GOS= .01 (1%) αν η μεση κινηση ανα χρηστη ειναι 30 mE? Χρηση πινακα: 100x30mE = 3 Erlangs 3 Erlangs @ 1% GOS => 8 channels On-line πινακες Erlang B : http://www.owenduffy.com.au/electronics/erlangb.htm#modelcalculator http://mmc.et.tudelft.nl/~frits/Erlang.htm

Παραδειγμα 1 Θελουμε GOS = 0.5%. Ποσοι χρηστες μπορουν να εξυπηρετηθουν σε ενα συστημα που «καθαριζει» τις μπλοκαρισμενες κλησεις και εχει C =5 καναλια? Καθε χρηστης παραγει κινηση 0.1 Erlangs. Απο τον χαρτη, με GOS=0.005 και με καναλια C = 5 προκυπτει: A (χωρητικοτητα σε Erlangs) = 1.13 => U = A/A = 1.13/0.1 ~ 11 χρηστες

Παραδειγμα 2 Μια αστικη περιοχη εχει U =2 εκατ. κατοικους. Τρια ανταγωνιστικα συστηματα κυψελοειδους τηλεφωνιας εξυπηρετουν την περιοχη: Το συστημα A εχει 394 κυτταρα x 19 καναλια. (7486 καναλια) Το συστημα B εχει 98 κυτταρα x 57 καναλια. (5586 καναλια) Το συστημα C εχει 49 κυτταρα x 100 καναλια. (4900 καναλια) Για καθε χρηστη  = 2 κλησεις/hr, H = 3min, GOS = 2% απορριψη. Να βρεθει ο αριθμος των συνδρομητων που μπορει να εξυπηρετησει καθε συστημα. Συστημα A: Κινηση ανα χρηστη: A= H = 2 x 3/60 = 0.1 Erlangs. Απο την καμπυλη για GOS = 0.02 και C = 19 => A = 12 Erlangs Ανα κυτταρο εξυπηρετουνται U = A/A = 12/0.1 = 120 χρηστες 120 χρηστες/κυτταρο x 394 κυτταρα = 47280 εξυπηρετουμενοι χρηστες. Εμπορικη διείσδυση = 2.36%. Χρηστες/καναλι = 47280/7486= 6.13

Παραδειγμα 2 (συνεχεια) Συστημα B: Πιθανοτητα μπλοκαρισματος = 2% = 0.02 C =57, A= H = 2 x 3/60 = 0.1 Erlangs. Απο τον χαρτη, A = 45 Erlangs Ανα κυτταρο U = A/A = 45/0.1 = 450 χρηστες 450 χρηστες/κυτταρο x 98 κυτταρα = 44100. Εμπορικη διεισδυση = 2.205%. Χρηστες/καναλι= 44100/5586 = 7.9 Συστημα C: Πιθανοτητα μπλοκαρισματος = 2% = 0.02 C =100, A= H = 2 x 3/60 = 0.1 Erlangs. Απο τον χαρτη, A = 88 Erlangs. Ανα κυτταρο U = A/A = 88/0.1 =880 χρηστες 880 χρηστες/κυτταρο x 49 κυτταρα = 43120. Εμπορικη διεισδυση = 2.156%. Χρηστες/καναλι= 43120/4900 = 8.8

Παραδειγμα 2 (συνεχεια) Συνολικος αριθμος εξυπηρετουμενων χρηστων = 47280 + 44100 + 43120 = 134500 users. Συνολο καναλιων = 7486+5586+4900 = 17976 Συνολικη εμπορικη διεισδυση και για τα 3 συστηματα= 6.725%

Μοντελο Erlang C- Ουρα αναμονης για τις μπλοκαρισμενες κλησεις Ενας αλλος τυπος συγκαναλωμενου συστηματος βαζει σε ουρα αναμονης τις μπλοκαρισμενες κλησεις (Blocked Calls Delayed). Το συστημα αυτο περιγραφεται με το μοντελο ERLANG C. Διαδικασια υπολογισμου: Καθοριζουμε απο τον χαρτη την Pr[ > 0] = Πιθανοτητα καθυστερησης. 2) Pr[ > t |  > 0 ] = Πιθανοτητα οτι η καθυστερηση ειναι μεγαλυτερη απο t, δοθεντος οτι υπαρχει καθυστερηση Pr[ > t |  > 0 ] =exp[-(C-A)t /H ] 3) Ανευ ορων πιθανοτητα του  > t : Pr[ > t ] = Pr[ > 0] Pr[ > t |  > 0 ] 4) Μεσος χρονος καθυστέρησης D = Pr[> 0] H / (C-A) Ο χαρτης κατασκευαζεται με την βοηθεια της σχεσης

Erlang C Model

Παραδειγμα 3- Erlang C Ενα εξαγωνικο κυτταρο ενος συστηματος με 4 κυτταρα εχει ακτινα = 1.387 km. Ο συνολικος αριθμος καναλιων στο συστημα = 60. Φορτιο ανα χρηστη (A) = 0.029 Erlangs,  = 1 κληση/ωρα. Το συστημα ειναι Erlang C με GOS (πιθανοτητα καθυστερησης) = 5%. Η επιφανεια του κυτταρου ειναι = (3/2) √3 x 1.3872 = 5 sq km. Αριθμος κυτταρων/συσταδα = 4. Αριθμος καναλιων = 60. => αριθμος καναλιων/κυτταρο = 60/4 = 15 καναλια. a) Απο τον χαρτη Erlang C , GOS =0.05, C = 15 => A =8.8 Erlangs. Αριθμος χρηστων = συνολικη κινηση/ κινηση ενος χρηστη => U= A / A =8.8/0.029=303 χρηστες. Χρηστες ανα km2 = 303/5 = 60 users/sq km.

Παραδειγμα 3- Erlang C (συνεχεια) b) H = A /  = 0.029 hour = 104.4 seconds. Pr (delay > 10 sec | delay>τ) = exp[-(C-A)t /H ] = exp(-(15-8.8)10/104.4) = = 0.5522 = 52.22% c) Pr (delay > 10) = Pr (delay > 0) Pr (delay > 10 | delay>τ) = 0.05 x 0.5522 = 2.76 %.

Επιδραση του τροπου ομαδοποιησης των καναλιων Ο τροπος ομαδοποιησης των καναλιων επηρρεαζει τον αριθμο των χρηστων που μπορουν να εξυπηρετηθουν απο το συστημα. Για παραδειγμα (Erlang B): Για GOS = 0.01 και C = 10 => A = 4.46 Erlangs. Εστωσαν 2 ομαδες με C = 5 => A = 1.36 x 2 = 2.72 Erlangs. Ο τροπος κατανομης καναλιων ειναι επομενως κρισιμος για τις επιδοσεις του συστηματος. O ιδιος αριθμος καναλιων εξυπηρετει λιγοτερους χρηστες αν χωρισθει σε ομαδες (τοσο λιγοτερους οσο περισσοτερες ειναι οι ομαδες)

Βελτιωση της χωρητικοτητας κυψελοειδους συστηματος Το κοστος ενος κυψελοειδους συστηματος ειναι αναλογο του αριθμου των σταθμων βασης (BSs). Τα εσοδα ειναι αναλογα του αριθμου συνδρομητων. Τροποι αυξησης χωρητικοτητας: Νεο φασμα – ακριβη λυση. Οι ζωνες συχνοτητων για κινητη τηλεφωνια εχουν πουληθει (στις ΗΠΑ για $20B). Αρχιτεκτονικες προσεγγισεις: διαιρεση κυτταρων, τομεο- ποιηση κυτταρων, διαμεριση επαναχρησιμοποιησης (reuse partitioning), ζωνες μικροκυτταρων. Δυναμικος καταμερισμος καναλιων συμφωνα με το φορτιο σε καθε κυτταρο (μη-ομοιομορφη κατανομη συχνοτητων) Βελτιωση των τεχνολογιων προσβασης.

Επιδραση του μεγεθους των κελιων Cell Sizes Decrease with Growth of System · Macro-cellular 1 - 30 km · Micro-cellular 200 - 2000 m · Pico-cellular 4 - 200 meter The effect of decreasing cell size · Increased user capacity · Increased number of handovers per call · Increased complexity in locating the subscriber · Lower power consumption in mobile terminal: · Longer talk time, · Safer operation · Different propagation environment, shorter delay spreads · Different cell layout, · lower path loss exponent, more interference · cells follow street pattern · more difficult to predict and plan · more flexible, self-organizing system needed (cf. DECT vs. GSM)

1 m 10 m 100 m 1 Km 10 Km 100 Km 1,000 Km Satellite Links SW Radio MW FM Radio Mobile Telephony, WLL WLANs Blueooth IR

Διαιρεση κυτταρων Η χωρητικοτητα μπορει να αυξηθει με διαιρεση των κυτταρων ή με βελτιωση του συντελεστη επαναχρησιμοποιησης. Διαιρεση κυτταρων (Cell splitting) – ειναι η υποδιαιρεση του κυτταρου σε μικροτερα κυτταρα. Αυτο αυξανει τον αριθμο των φορων που επαναχρησιμοποιουνται τα καναλια. Για παραδειγμα, μειωση της ακτινας στο ½ αυξανει τον αριθμο των κυτταρων 4 φορες (υποδιαιρεση σε 4 κυτταρα). Για να μην διαταραχθεί η ισορροπία του συστηματος και για να διατηρηθει η τιμη του λογου σηματος προς παρεμβολη C/I, πρεπει να ελαττωθεί η ισχυς εκπομπης. Ισχυς [ στο συνορο του παλαιου κυτταρου ]  Pt1R-n Ισχυς [στο συνορο του νεου κυτταρου ]  Pt2(R/2)-n Η ισχυς ληψεως πρεπει να ειναι ιση για να εχουμε τις ιδιες επιδοσεις => Pt2= Pt1/2n. Για n=4, => Pt2= Pt1 / 16.

Υποδιαιρεση κυττάρων

Παραδειγμα διαιρεσης κυτταρων Στο πιο κατω σχημα οι BS ειναι στις τρεις γωνιες καθε κυτταρου (τομεοποιηση). Ο BS Α εχει πολυ μεγαλη κινηση και γι΄αυτο πλαισιωνεται απο 6 νεους BSs, στους οποιους διανεμονται τα καναλια με το τροπο που φαινεται στο σχημα. Ετσι ο νεος BS με το συμβολο G τοποθετειται ακριβως στο μεσον των δυο παλαιων BS με το ιδιο ονομα και εχει το ιδιο set συχνοτητων.

Επικαλυψη («δευτερο χερι») κυτταρων cell overlay Καναλια που χρησιμοποιουνται απο το a – αυτα χρησιμοποιουνται στο Α για χρηστες σε αποσταση εως R/2 απο το κεντρο (BS). Καναλια που δεν χρησιμοποιουνται απο το a– δεν υπαρχουν περιορισμοι στην χρηση τους στο Α

Επαναχρησιμοποιηση συχνοτητων και τομεοποιηση (sectorization) Με την επαναχρησιμοποιηση συχνοτητων (ή κωδίκων για το CDMA) αυξανουμε την χωρητικοτητα χωρις να χρειαζομαστε καινουργιο φασμα συχνοτητων. Με την διαιρεση των κυτταρων σε τομεις (sectors – sectorization) μπορουμε να αυξησουμε ακομα περισσοτερο την χωρητικοτητα Καθε χρωμα παριστανει ενα διαφορετικο set συχνοτητων Κυτταρα με 3 τομεις ειναι πολυ συνηθισμενα (καθε τομεας ειναι 1200). Μερικοι ονομαζουν τους τομεις κυτταρα. Κυτταρα με 2 τομεις συνηθιζονται για την καλυψη επαρχιακων αυτο- κινητοδρομων. Τα περισσοτερα κυτταρα προσανα- τολιζονται ετσι ωστε ο ενας τομεας να ειναι βορεινος

Μορφες κελιων Αρχικα, τα κυτταρα ειχαν εξαγωνικο σχημα και η καλυψη του σταθμου βασης ηταν πανκατευθυντικη (omni-directional) (Α) Με την εφαρμογή της τμηματοποιησης, τα κυτταρα παιρνουν σχημα ρομβου (Β) Πολλοι σχεδιαστες, ομως, προτιμουν να δουλευουν με κυτταρα εξαγωνικου σχηματος (C). Κλασσικο εξαγωνικο κυτταρο Τομεις σχηματος ρομβου Τομεις σχηματος εξαγωνου

Παραδειγμα κατανομης συχνοτητων Συχνοτητων με συντελεστη Επαναχρησιμοποιησης 7 / 21

Επιδραση της τομεοποιησης Από τα 6 συγκαναλικα cells μονο τα 2 εχουν επιδραση 5 7 6 1 4 2 3 5

Τομεοποιηση κυτταρων Τομεοποιηση κυτταρων (sectoring) – Ειναι τροπος μειωσης της παρεμβολης απο ομοιοκαναλικα κυτταρα. Η τομεοποιηση αναφερεται στην χρηση κατευθυντικων κεραιων αντι ισοτροπικων. Τρεις (3) τομεις των 1200 φαινονται στο παραδειγμα Αναλυση: Το κινητο στο κεντρικο κυτταρο θα υποστει παρεμβολη απο δυο μονο κυτταρα (και οχι απο 6). Αυτο βελτιωνει τον λογο C/I κατα 5dB περιπου. Αυτο μας επιτρεπει την ελαττωση του συντελεστη επαναχρησιμοποιησης (= μειωση των BS). Η τομεοποιηση ομως συνεπαγεται μειωμενη αποδοση της συγκαναλωσης. D

Παράδειγμα Με ισοτροπικες κεραιες Εδω υποθεσαμε οτι ο εκθετης αποσβεσης ειναι n = 4. Για N = 4, εχουμε SIR = C/I = 24 =13.8 dB. Με τρεις τομεις ανα κυτταρο (τομεοποιηση) Για Ν= 4, εχουμε SIR = C/I = 72 = 18.6 dB: D

Εξελιγμενες τεχνικες επαναχρησιμοποίησης Με δυνατοτητες οπως αναπηδηση συχνοτητας, ελεγχο ισχυος, και διακοπτομενη εκπομπη, το συστημα GSM /EDGE μπορει να χρησιμοποιησει πιο απαιτητικες αλλα αποδοτικες τεχνικες επαναχρησιμοποιησης, οπως οι πιο κατω. 1/3 και 1/1 Μεγαλο κυτταρο με 1/3 reuse ► Μικρο κυτταρο με 1/1 reuse ◄ 3/9 reuse 3 κυτταρα 3 τομεις/κυτταρο

Παραδειγμα Διδεται: H = 2 min (διαρκεια κλησης), GOS = 1%, N = 7, C = 395 καναλια/συσταδα. Αυτο σημαινει 395/7 = 57 καναλια /κυτταρο. Μπλοκαρισμα κλησεων κατα το μοντελο Erlang B. Για ενα συστημα χωρις τομεοποιηση με GOS = 0.01 και 57 καναλια => A ~ 45 Erlang. A = H => Με τομεοποιηση 1200, 57/3 = 19 καναλια ανα τομεα ανα κυτταρο. Απο τον χαρτη Erlang B με GOS = 0.01 και 19 καναλια εχουμε => A ~ 11 Erlang, και για τους 3 τομεις, 33 Erlangs ανα κυτταρο.  = 33 x 30 = 990 κλησεις/hr. Ετσι επιτυγχανουμε βελτιωση του SIR = C/I αλλα εις βαρος της αποδοσης της συγκαναλωσης

Τεχνικες κατανομης καναλιων Για να ειναι ευχαριστημενος ενας χρηστης, πρεπει να του διδεται ενα καναλι μολις το ζητησει. Μια αποδεκτη πιθανοτητα μη αποδοχης κλησης (call blocking, grade of service - GOS) ειναι 2%. Η GOS μεταβάλλεται με τον χρονο και την τοποθεσια. Ο στοχος ειναι να διατηρηθει ομοιομορφη GOS σε ολο το συστημα. Υπαρχουν τρεις τυποι αλγοριθμων για διαθεση καναλιων: Fixed channel allocation (FCA)- Στατικη διαθεση καναλιων Dynamic channel allocation (DCA) – δυναμικη διαθεση καναλιων Channel borrowing – δανεισμος καναλιων

Στατικη κατανομη καναλιων Το διαθεσιμο φασμα ειναι W Hz και καθε καναλι καταλαμβανει B Hz. Ο συνολικος αριθμος των καναλιων ειναι: Nc = W/B Για συσταδα μεγεθους N, ο αριθμος των καναλιων ανα κυτταρο ειναι: Cc = Nc /N Για ελαχιστοποιηση της παρεμβολης (ACI- adjacent channel interference), γειτονικα καναλια διατιθενται σε διαφορετικα κυτταρα.

Στατικη κατανομη καναλιων (FCA) Μια μη ομοιομορφη FCA στρατηγικη, ειναι ακομα πιο αποτελεσματικη αν ειναι δυνατον να διαπιστωθει ο βαθμος εξυπηρετησης (GOS) σε πραγματικο χρονο και να ρυθμισθει η διαθεση των καναλιων συμφωνα μ’ αυτον. Αυτο απαιτει την χρησιμοποποιηση πολυπλοκου αλγοριθμου κατανoμης καναλιων.

Δανεισμος καναλιων Γινεται δανεισμος συχνοτητων απο κυτταρα μικρης κυκλοφοριας σε κυτταρα με μεγαλη κυκλοφορια. Προσωρινος δανεισμος καναλιων: Το καναλι επιστρεφει μολις περατωθει η σχετικη κληση. Αν το κυτταρο Α δανεισθεί καναλια απο το κυτταρο D, τα γειτονικα κυτταρα D δεν μπορουν να χρησιμοποιησουν αυτα τα καναλια

Δυναμικη κατανομη καναλιων Ολα τα καναλια μπαινουν σε μια κοινη δεξαμενη, και διατιθενται στις νεες κλησεις συμφωνα με ενα σχεδιο επαναχρησιμοποιησης. Το καναλι επιστρεφει στην δεξαμενη μολις περατωθει η κληση. Το θεματα τα σχετικα με την διαθεση των καναλιων αποτελουν ακομα αντικειμενο ερευνας