Εργαστήριο 4: Κυψελωτά Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών

Transcript

1 Εργαστήριο 4: Κυψελωτά Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών Τα κυψελωτά συστήματα εξασφαλίζουν ασύρματη κάλυψη σε μια γεωγραφική περιοχή η οποία διαιρείται σε τμήματα τα οποία είναι γνωστά ως κυψέλες (Εικόνα 1). Το διαθέσιμο εύρος ζώνης διαιρείται σε αριθμό καναλιών με μια ομάδα από κανάλια να εκχωρείται σε κάθε κυψέλη. Οι σταθμοί βάσης που δημιουργούν την κάθε κυψέλη αποτελούνται από ένα Modem μέσω του οποίου επικοινωνούν με τον κάθε κινητό χρήστη. Τα κανάλια των συχνοτήτων χρησιμοποιούνται Α. από την πλευρά του σταθμού βάσης και προς τον κινητό χρήστη (forward channel) Β. από την πλευρά του κινητού χρήστη προς τον σταθμό βάσης (reverse channel) Τα δύο αυτά διαφορετικής κατεύθυνσης κανάλια δημιουργούν ένα duplex cellular channel. Εικόνα 1: Βασική αρχιτεκτονική ενός κυψελωτού συστήματος επικοινωνίας 4.1 Τεχνική της επαναχρησιμοποίησης Τα υψηλής χωρητικότητας κυψελωτά συστήματα χρησιμοποιούν την τεχνική της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων μεταξύ των καναλιών. Αυτό προϋποθέτει ότι οι συγκαναλικές κυψέλες είναι σημαντικά μακριά η μία από την άλλη έτσι ώστε να μετριαστεί η συγκαναλική παρεμβολή. Η επαναχρησιμοποίηση των καναλιών εφαρμόζεται με την κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής με συστοιχίες των Ν κυψελών, όπως φαίνεται στην εικόνα, όπου Ν είναι το μέγεθος της συστοιχίας. Το RF φάσμα το οποίο είναι διαθέσιμο στην γεωγραφική περιοχή κάλυψης εκχωρείται στην κάθε συστοιχία, έτσι ώστε οι κυψέλες στην κάθε συστοιχία να μην μοιράζονται το ίδιο κανάλι. Καθώς λοιπόν οι συστοιχίες επαναλαμβάνονται σε όλη την περιοχή, η επαναχρησιμοποίηση των καναλιών οδηγεί συγκαναλικές κυψέλες και αναπόφευκτα σε συγκαναλική παρεμβολή. Μια τέτοια παρεμβολή εμφανίζεται για παράδειγμα όταν ένα κινητός δέκτης λαμβάνει σήμα από τον σταθμό βάσης της κυψέλης στην οποία κινείται, και ταυτόχρονα λαμβάνει σήμα από την συγκαναλική κυψέλη της γειτονικής συστοιχίας. Το επίπεδο της ισχύς της συγκαναλικής παρεμβολής σχετίζεται στενά με την απόσταση που χωρίζει τις συγκαναλικές κυψέλες. Αν θεωρήσουμε εξαγωνικές κυψέλες, η ελάχιστη απόσταση των δύο συγκαναλικών κυψελών, ονομάζεται απόσταση επαναχρησιμοποίησης και ισούται με D N = 3N R MobLab4 Κυψελωτά δίκτυα κινητών επικοινωνιών 1/7

2 όπου είναι η μέγιστη ακτίνα της κυψέλης. Εικόνα : Συστοιχίες κυψελών. Εργαστηριακή άσκηση 4.1 Να επαληθευθεί ο παραπάνω τύπος για την απόσταση επαναχρησιμοποίησης δεδομένης της παρακάτω γεωμετρικής αναπαράστασης. Πηγαίνοντας όμως σε ένα γενικό σύστημα εξαγωνικών κυψελών οι αποστάσεις μπορούν να ορισθούν στο παρακάτω σύστημα συντεταγμένων. Σε αυτή την περίπτωση η απόσταση μεταξύ δύο σημείων ( u 1, v1) και ( u, v) δίνεται ως εξής o ( d ) = ( v v1) + ( u u1) + ( u u1)( v v1) cos(60 ) = 1 = ( v v1) + ( u u1) + ( u u1)( v v1) Από αυτόν τον γενικό τύπο μπορεί να επαληθευθεί και ο παραπάνω τύπος για συγκαναλικές κυψέλες. MobLab4 Κυψελωτά δίκτυα κινητών επικοινωνιών /7

3 4. Συγκαναλική παρεμβολή Είναι ευδιάκριτο από την παραπάνω εικόνα, ότι μικρό μέγεθος συστοιχίας ισοδυναμεί με μικρή απόσταση επαναχρησιμοποίησης, όμως αυξάνεται η παρεμβολή μεταξύ των συγκαναλικών κυψελών (co-channel interference). H συγκαναλική παρεμβολή αποτελεί τον σημαντικότερο παράγοντα σχεδίασης ενός κυψελωτού δικτύου, καθώς συνδέεται τόσο με την χωρητικότητα του συστήματος όσο και με την ποιότητα της σύνδεσης. Για παράδειγμα μπορούμε να αυξήσουμε το εύρος ζώνης του συστήματος με την μείωση του μεγέθους της συστοιχίας Ν, δηλαδή με μείωση την απόστασης επαναχρησιμοποίησης D N. Η ρύθμιση όμως αυτή θα επιφέρει την αύξηση της συγκαναλικής παρεμβολής και έτσι την μείωση της ποιότητας της επικοινωνίας. Η επίδραση της συγκαναλικής παρεμβολής μπορεί να εκτιμηθεί από τον λόγο σήματος προς παρεμβολή (Signal-to-nterference-Ratio) της σύνδεσης, o οποίος ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος του επιθυμητού σήματος S, προς την ισχύ της συνολικής παρεμβολής. Η συγκαναλική παρεμβολή εκφράζεται από τον λόγο σήματος προς παρεμβολή (signalto-interference ratio) και ορίζεται ως ο λόγος της ισχύς του σήματος προς το άθροισμα της ισχύς του θορύβου N (π.χ. προσθετικού Gauss θορύβου) και παρεμβολής Ι = S C C SR = N + N + n n = 1 k = k k 1 k (3) όπου η τελευταία προσέγγιση θεωρεί ότι η ισχύς της παρεμβολής είναι σημαντικά μεγαλύτερη από την ισχύς του θορύβου. Σε μία τέτοια περίπτωση το δίκτυο θεωρείται περιορισμένο από παρεμβολές (interference limited). Στόχος λοιπόν κατά τη σχεδίαση ενός κυψελωτού δικτύου είναι η ελάχιστη απόσταση επαναχρησιμοποίησης D / R να ικανοποιεί το ανώτατο όριο της συγκαναλικής παρεμβολής SRt arg et. Πιο συγκεκριμένα, ο υπολογισμός της αναλογίας σήματος προς παρεμβολές SR αντικαθίσταται από τον τύπο MobLab4 Κυψελωτά δίκτυα κινητών επικοινωνιών 3/7

4 SR a P d own = n a P k = d 1 k Σε αυτή την περίπτωση θεωρείται ότι όλοι οι σταθμοί βάσης (κάθε κυψέλης) εκπέμπουν με την ίδια ισχύ P και οι αποστάσεις μεταξύ της «κεντρικής» κυψέλης και των υπολοίπων εκφράζεται από τον όρο d. Η απόσταση d own εκφράζει την απόσταση που ανήκει στην κυψέλη του ενδιαφέροντος μας στην προκειμένη περίπτωση και είναι ουσιαστικά η ακτίνα της κυψέλης. Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας στην παραπάνω σχέση είναι η εξασθένιση α (attenuation) η οποία εκφράζει την εκθετική απώλεια της διαδρομής (path loss exponent). Η τιμή της α κυμαίνεται από, 4 και 6 ποσοστιαίες μονάδες με στην περίπτωση ελεύθερης μετάδοσης (free space propagation), 4 στην περίπτωση που το περιβάλλον δημιουργεί σχετικά απώλειες, θεωρώντας ωστόσο ένα μοντέλο επίπεδης γης, ενώ σε περιβάλλοντα εμποδίων όπως σε κατοικημένες περιοχές κτιρίων, σε στάδια ή και σε εσωτερικούς χώρους, η εξασθένιση θεωρείται ίση με 6. Αν θεωρήσουμε λοιπόν τις αποστάσεις d k από το σταθμό βάσης σε ένα σύστημα κυψελωτό ίσες όπως φαίνεται παρακάτω και την διάδοση σε ένα περιβάλλον που δημιουργεί πολλαπλές διαδρομές (και ίδια ισχύ από όλους τους σταθμούς βάσης) τότε η παραπάνω σχέση ισούται με a R SR = 6 a D όπου R / d αποτελεί τον παράγοντα επαναχρησιμοποίησης. Εργαστηριακή άσκηση 4. Θεωρείστε κυψελωτή δομή ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας με Ν=4 ως αριθμό κυψελών της συστοιχίας του δικτύου. Να υπολογίζεται την παρεμβολή που εμφανίζεται για τους χρήστες που εμφανίζονται στην άκρη της κυψέλης όταν η εκθετική κατανομή των απωλειών της διαδρομής είναι 1, 5 και 6. Οι περιοχές των κυψελών να διατηρηθούν ίσες σε κάθε περίπτωση. Δεδομένων των παραπάνω να υπολογίσεται στο Matlab τον λόγο σήματος προς παρεμβολές SR για τιμές εξασθένισης α από με βήμα 0.5. Δημιουργείστε το ίδιο για μέγεθος συστοιχίας του δικτύου σας Ν=7. Ποιά είναι τα συμπεράσματα σας όταν ο λόγος SR χρειάζεται να διατηρείται σε ένα όριο 18dB και πάνω; MobLab4 Κυψελωτά δίκτυα κινητών επικοινωνιών 4/7

5 4.3 Τμηματοποίηση των περιοχών μιας κυψέλης Τα κυψελωτά συστήματα επικοινωνίας συχνά χρησιμοποιούν sectorized κεραίες στους σταθμούς βάσης, έτσι ώστε να μειώσουν την συγκαναλική παρεμβολή. Έτσι κάθε κεραία ακτινοβολεί προς ένα τομέα με αποτέλεσμα η συγκαναλική παρεμβολή να δημιουργείτε μόνο προς εκείνη την κατεύθυνση όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. o Θεωρώντας το πλάτος του λοβού της κεραίας εκπομπής ίσο με BW = 10 και το μέγεθος της συστοιχίας N=7 Θεωρώντας πρώτα το forward link, ο αριθμός των παρεμβαλλόμενων σταθμών βάσης μειώνεται από 6 σε (κυψέλες 5 και 6). Στο reverse link, o αριθμός των συγκαναλικών κινητών στον πρώτο τομέα παρεμβάλλεται από τον σταθμό βάσης στο κέντρο της συστοιχίας. Συνεπώς είναι φανερό ότι το sectoring είναι μια αποτελεσματική τεχνική για να μειωθεί η συγκαναλική παρεμβολή Επίδραση της τμηματοποίησης MobLab4 Κυψελωτά δίκτυα κινητών επικοινωνιών 5/7

6 Επειδή ξέρουμε να υπολογίσουμε την συνολική συγκαναλική παρεμβολή, ας αναλύσουμε περισσότερο την επίδραση της τμηματοποίησης των κεραιών στην χωρητικότητα και την ποιότητα της σύνδεσης ενός κυψελωτού συστήματος. Θεωρούμε ένα Advanced Mobile Cellular Phone System χρησιμοποιώντας μέγεθος συστοιχίας ίσο με Ν=4. Επίσης, θεωρούμε ότι υπάρχουν διαθέσιμα 395 ζευγάρια από forward και reverse κανάλια. Σε αυτή την εργαστηριακή άσκηση θα εκτιμηθούν η μέγιστη κίνηση που διατηρείται ανά κυψέλη και η συγκαναλική παρεμβολή. Δύο διαφορετικές παραμετροποιήσεις θα θεωρηθούν: (1) πανκατευθυντικές κεραίες στους σταθμούς βάσης () κεραίες με τμηματοποιημένη εκπομπή στους σταθμούς βάσης και στις δύο περιπτώσεις μόνο η forward σύνδεση θα θεωρηθεί. 1. Για πανκατευθυντικές κεραίες θα θεωρήσουμε την κυρίως συστοιχία, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Μπορούμε λοιπόν να υπολογίσουμε τον μέσο SR στην περιοχή όπου ο κινητός δέκτης βρίσκεται στα όρια της κυψέλης. Αυτή είναι η χειρότερη περίπτωση και δίνεται από τον τύπο SR = m m db mean όπου m S είναι η μέση ισχύ της περιοχής για το επιθυμητό σήμα και m είναι μέση ισχύ της περιοχής για τη συνολική παρεμβολή. Για να υπολογίσουμε τα m S και m θα θεωρήσουμε για την μέση ισχύς λήψης σε μία συγκεκριμένη περιοχή το μοντέλο του link budget χωρίς να δώσουμε έμφαση στις απώλειες. Έτσι έχουμε ότι m = P + G 10Kγ log d S T tot 10 Αν θεωρήσουμε ότι τα κέρδη των κεραιών είναι ίσα με 0dB, K=1, και ότι οι κεραίες εκπομπής εκπέμπουν το ίδιο επίπεδο ισχύος ίσο με 0dB τότε έχουμε m S = 10γ log 10 R Επίσης η συνολική συγκαναλική παρεμβολή προέρχεται από το παρακάτω άθροισμα S MobLab4 Κυψελωτά δίκτυα κινητών επικοινωνιών 6/7

7 = k i i= 1 από το οποίο μπορούμε να υπολογίσουμε τον όρο m = 10 log 10 ( 6 i= 1 10 m όπως παρακάτω ( 10γ log10 di ) /10 όπου γ είναι ο εκθέτης των απωλειών, και d i είναι οι αποστάσεις του κινητού από τους υπόλοιπους σταθμούς βάσης. Χρησιμοποιώντας αποτελέσματα γεωμετρικής ανάλυσης για την παρακάτω τοπολογία έχουμε d = d = d d = d = d 3 6 = = 4358,.90 Να υπολογίσετε τον μέσο τον μέσο SR για την παραπάνω περίπτωση σε db.. Η περίπτωση της τμηματοποιημένης εκπομπής των κεραιών σε 10 ο εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα ) omni SR mean Όπως διακρίνεται από την εικόνα η εκπομπή των κεραιών θεωρείται προς την κατεύθυνση των 10 ο και έτσι δημιουργεί συγκαναλική παρεμβολή με σταθμούς βάσης. Επομένως τα κανάλια που παρεμβάλλονται είναι πλέον και όχι 6 όπως στην παραπάνω περίπτωση. Συνεπώς, έχουμε ότι ( 10γ log d ) /10 ( 10 log d ) /10 m 10 log10 ( γ 10 6 = + 10 ) = dBW Να υπολογίσετε τον μέσο τον μέσο SR για την παραπάνω περίπτωση σε db. Ποια είναι η βελτίωση της ποιότητας σύνδεσης; t SR sec mean MobLab4 Κυψελωτά δίκτυα κινητών επικοινωνιών 7/7