Dipartimento di Elettronica Informatica e Sistemistica Università di Bologna. Sistemi radiomobili cellulari

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1 Dpartmento d Elettronca Unverstà d Bologna Sstem radomobl cellular

2 Le comuncazon radomobl Satellte Zona 4: Globale Zona 3: Suburbana Zona 2: Urbana Zona 1: In-Buldng Macro-Cell Mcro-Cell Pco-Cell Telefono cellulare Notepad PC portatle Altr servz Integrazone con la rete fssa

3 Sstem d area d - Ruso delle rsorse (1/2) I sstem d area s prefggono d realzzare collegament tra termnal d cu (almeno) uno poszonato arbtraramente all nterno dell area d servzo. In generale l altro termnale è fsso e connesso ad una rete. A causa dell attenuazone, ad una certa dstanza fra le antenne l rapporto segnale/rumore scende al d sotto della sogla mnma per un accettable qualtà d collegamento (sensbltà del rcevtore). L area d servzo deve pertanto essere dvsa n celle per cascuna delle qual s deve prevedere una stazone rado base fssa che utlzza opportune frequenze/rsorse per comuncare con suo mobl. Il passaggo da una cella all altra d un moble e detto handover.

4 Sstem d area d - Ruso delle rsorse (2/2)( Area d perturbazone Interferenza accettable D D u : dstanza utle R p D u Collegament dfferent che utlzzano contemporaneamente la stessa frequenza/ rsorsa nterferscono fra loro, a dscapto della qualtà del collegamento; Per evtare che l rapporto C/I scenda al d sotto della sogla mnma d qualtà occorre operare n modo che celle che utlzzano le stesse rsorse sano opportunamente dstanzate (dstanza d ruso D); Le rsorse spettral a dsposzone devono essere dstrbute sul terrtoro n manera opportuna, n modo da realzzare un sstema ad nterferenza controllata. L nseme delle celle fra le qual vene suddvsa la totaltà delle rsorse dsponbl prende l nome d cluster.

5 Esempo: m = 7 ( m : cluster-sze) sze) Ogn cella utlzza un subset d rsorse CLUSTER All aumentare del cluster-sze, dmnuscono le rsorse a dsposzone d ogn sngola cella, ma s allontanano gl nterferent (rspetto al segnale utle)

6 Esempo: cluster-sze sze = Il cluster sze m, affnchè s abba un rcoprmento contnuo, deve rspettare questa regola: m= 2 +j 2 +j;,j=0,1,2, non entramb null

7 Obettv d progetto Il progetto ottmo d un sstema d area deve persegure smultaneamente seguent obettv: 1. Potenza rcevuta utle maggore della sensbltà del rcevtore n ogn punto dell area coperta (o d una prefssata percentuale d tale area); 2. Rapporto C/I (Potenza Utle su Potenza Interferente) maggore d una prefssata sogla per ogn comuncazone attva (maggore della sogla secondo un assegnata probabltà ); 3. Dmensonare l numero d rsorse per cella al traffco atteso 4. Mnmzzare l numero d celle;

8 1. Potenza rcevuta e sensbltà del rcevtore Stablte le dmenson (raggo) della cella da coprre, not I guadagn delle antenne e valutata la legge d attenuazone con la dstanza (fltraggo spazale) è possble calbrare la potenza P rr rradata dalla BS affnché all nterno della cella sa P RX P SENS A causa d shadowng e fast fadng l andamento della potenza rcevuta non può essere faclmente valutato n manera accurata e precsa essendo nota la statstca delle oscllazon (lente e veloc) n pratca s calbra la potenza P rr n modo che sa P RX P SENS con una certa prefssata probabltà (n una prefssata percentuale dell area)

9 2. C/I SIR th Il SIR (Sgnal to Interference Rato threshold) rappresenta l rapporto mnmo fra la potenza del segnale utle e la potenza nterferente necessaro per garantre una suffcente qualtà d servzo (caso numerco: una certa BER). Il suo valore dpende dal tpo d sstema Per garantre C/I SIR th occorre progettare l sstema n modo che l segnale utle sa opportunamente protetto da segnal nterferent l valore del cluster-sze m è evdentemente un parametro utle n tal senso

10 3. Rsorse per cella e traffco atteso Le rsorse assegnate ad ogn cella devono essere suffcent a soddsfare le rcheste d connessone degl utent che s trovano all nterno della cella (n termn quanttatv, la probabltà che una rchesta d accesso alla rete sa respnta Probabltà d Blocco - deve essere mnore d un valore prefssato) E evdente che la probabltà d blocco aumenta al crescere del cluster-sze m (dmnuscono le rsorse dsponbl per ogn cella); aumenta al crescere delle dmenson della cella (aumenta l numero d utent per cella)

11 4. Mnmzzare l numero delle celle Il costo d ogn mpanto (progettazone, realzzazone, gestone e manutenzone) è d svarate mglaa d euro (~ euro) mnmzzare l numero d celle sgnfca lmtare cost della rete Poché l area d servzo deve essere coperta, lmtare l numero d celle sgnfca (ovvamente) aumentarne le dmenson (aumentando P rr e/o l altezza delle BS) Aumentare le dmenson della cella sgnfca aumentare la probabltà d blocco necessaro compromesso fra la mnmzzazone del numero d mpant e contenmento della probabltà d blocco entro l valore rchesto

12 Obettv d progetto (2/2) Ret rado-televsve (Broadcast Systems) Comuncazone monodrezonale (punto-multpunto); Poch canal smultaneamente attv; Non esstono real problem d allocazone/gestone delle rsorse obettvo della progettazone é ottenere la copertura pù ampa possble. Ret d telefona cellulare (pù n generale, Pont-to-Pont Networks) Comuncazone bdrezonale (punto-punto); Molt canal smultaneamente attv (traffco elevato, anche su aree lmtate); Celle d dmensone rdotte (dmnuendo PT e/o aumentando fltraggo spazale), perché l numero d rsorse per cella deve essere adeguato al traffco offerto; s avvcnano così gl nterferent ed aumenta l numero d st necessar obettvo della progettazone é trovare l compromesso ottmo fra copertura e traffco

13 Metod d Canalzzazone (1/2) All nterno d ogn cluster vengono utlzzate tutte le rsorse assegnate al servzo, opportunamente suddvse fra le celle. Tal rsorse possono n generale essere descrtte come un set [ψ 1 (t), ψ 2 (t),, ψ Nc (t)] d funzon ortonormal: ψ + () t, ψ () t = ψ () t ψ () t j * j dt 1 = 0 se se = j (auto - correlazone) j (cross - correlazone) Ogn volta s attva un canale d comuncazone, n fra le Nc funzon ortonormal vengono assegnate n manera esclusva alla comuncazone. Le forme d onda trasmesse dall -mo trasmetttore sono qund del tpo s n () t = c ψ () t j= 0 dove l nformazone vene trasmessa al varare de smbol c.(es. c = ±1) j j

14 Metod d Canalzzazone (2/2) Poché l canale rado é per sua natura condvso, l rcevtore -mo rceve tutt segnal trasmess; per recuperare l nformazone desderata ( smbol c j ) esegue qund la correlazone del segnale complessvo rcevuto con tutte le funzon ortonormal assegnate al canale utle r () t s k ( t) { } = k * ψ Fltro -mo RX c * sncronzzazone!

15 Frequency Dvson Multple Access (FDMA) P F ψ () t 2πB = K sn ω0 + t Nc T B 0 t T Funzon ortogonal n frequenza, ovvero d lunghezza temporale par all ntero perodo T e bande pratcamente dsgunte; la separazone de canal può essere qund ottenuta medante fltr passa-banda Necessare bande d guarda per lmtare l nterferenza da canale adacente; Esempo: AMPS (Advanced Moble Phone System): N C =790 canal, cascuno avente banda par a 30 KHz.

16 Tme Dvson Multple Access F (TDMA) P ' ( t) = K sn( t) ψ ω 0 T ( -1) T N C t T N C Funzon ortogonal n tempo, ovvero non nulle su ntervall temporal dsgunt ed avent banda par a tutta la banda dsponble; la separazone de canal può essere qund ottenuta medante porte temporal; Necessar temp d guarda per lmtare l nterferenza da canale adacente;

17 Esempo: GSM (Global( System for Moble Communcaton) P F T Ibrdo TDMA-FDMA: 248 canal d 200 KHz cascuno multplat n frequenza, ognuno de qual supporta 8 canal multplat nel tempo (0.577 ms per slot temporale)

18 Code Dvson Multple Access (CDMA( CDMA) ψ ( ) ( j) t = b D( t jt ) j C D(t) +1 ψ (t) T C t ψ (t) : codce o (parola d codce); es: b (j) = ±1; T C : tempo d chp +1-1 T b t Ogn utente ha assegnato un codce, coè una Ψ Il codce può essere utlzzato per costrure l segnale s (t) n 2 mod dvers: 1. CDMA-DS (Drect Sequence): l codce va a moltplcare l segnale nformatvo (sequenza de smbol c ); 2. CDMA-FH (Frequency Hoppng): l codce determna salt n frequenza della portante d modulazone;

19 Dgressone: Cenn sulla trasmssone Spread Spectrum Salvo rare eccezon, tutt sstem CDMA rentrano nella pù ampa categora de cosddett sstem Spread Spectrum. CDMA Spread-spectrum I sstem a spettro espanso hanno trovato applcazone applcazone: n campo mltare Funzone ant-jammng n campo cvle Sstem cellular amercan (IS-95) Sstem d terza generazone cellulare (ITU-IMT200: UMTS) Ret local va rado (wreless LANs) Sstem d poszonamento (GPS)

20 Trasmssone SS: lo Spreadng In un sstema SS l segnale dat a(t) vene moltplcato n trasmssone per una sequenza p(t) nota ed a frequenza d chp molto pù elevata d quella d bt (T C << T b ). T b bt sequenza dat a(t) a(t) s(t)=a(t) p(t) chp T C codce p(t) p(t) s(t)=a(t) p(t) È possble mostrare che l segnale s(t)=a(t)p(t) occupa una banda molto maggore d quella del segnale dat a(t). Il fattore d allargamento della banda è detto Guadagno d Processo (Process Gan) e vale Tb Gp = ( usualmente >> 1) T c

21 Rcezone SS: l Despreadng In rcezone l segnale dat può essere rportato nella sua banda orgnale moltplcando l segnale rcevuto per una replca locale della sequenza p(t) sncronzzata con quella rcevuta. Sncronz a(t) p(t) a(t) p(t) Fltro Despread. a(t) p (t) p (t) ~ p(t) Sncronz. a(t)

22 Esempo: jammer ntenzonale Banda B -1/ 1/T b 1/T b f spreadng -1/ 1/T c f o 1/T c f Banda B =G p B Banda B despreadng Dsturbatore (jammer) -1/T 1/T f Banda B Banda B =G p B La potenza P trasmessa dal jammer rsulta effettvamente nterferente solo nella quanttà P / G p

23 Esempo: sstem radomobl segnale utle Banda B generco nterferente -1/ 1/T b 1/T b f -1/ 1/T b 1/T b f spreadng Banda B =G p B f f -1/ 1/T c f o 1/T c -1/ 1/T c f o 1/T c canale d propagazone Banda B =G p B f despreadng -1/ 1/T b 1/T b f o La potenza P trasmessa dal generco nterferente rsulta effettvamente nterferente solo nella quanttà P / G p

24 La Sncronzzazone In un sstema Spread Spectrum è essenzale che la sequenza generata localmente al rcevtore sa sncronzzata a quella rcevuta. Solo quando la sequenza locale è sncronzzata a quella rcevuta è nfatt possble rcompattare l segnale nella sua banda orgnale Ogn sstema spread spectrum ha un crcuto d sncronzzazone della sequenza pseudocasuale. a(t) s(t)=a(t) p(t) s(t)=a(t) p(t) Fltro Despread. a(t) p(t) p(t-τ) Synchronz. Il sstema d sncronzzazone produce come rsultato collaterale l offset temporale tra la sequenza rcevuta e quella generata localmente (= coè lo spostamento necessaro a sncronzzare le sequenza).

25 CDMA e Spread Spectrum Un qualunque sstema d area ad accesso multplo a dvsone d codce è automatcamente un sstema a spettro espanso purché T c << T b (ovvero se la chprate R c è >> della bt-rate R b ) La quas totaltà de rado sstem a dvsone d codce esstent (UMTS) è d tpo CDMA-SS

26 Il problema del sncronsmo I codc ortogonal mantengono le loro ottme propretà d auto/crosscorrelazone solo n condzon d sncronsmo; tale condzone dffclmente è perseguble, n partcolare per la tratta d up-lnk (rtard d propagazone dfferent) p p () t p () t = p () t p () t dt = 1 () t p () t = p () t p () t dt = 0 j + + In condzon d perfetto sncronsmo, l nterferenza vene completamente annullata j p p () t p ( t + τ) =? () t p ( t + τ) 0 j (non sempre nullo) In assenza d sncronsmo, s ha nterferenza dovuta a: 1. Replche rtardate del codce utle (cammn multpl ed nterferent co-canale) 2. Codc dfferent da quello utle (nterferent da canale adacente)

27 I codc Pseudo-Nose (PN) Data l mpossblta d garantre perfetto sncronsmo, ne sstem CDMA s utlzzano codc Pseudo-Nose (PN): s tratta d codc quas ortogonal, poché n caso d sncronsmo (τ=0) presentano propretà sml a quelle de codc ortogonal. Per τ > 0, tuttava, hanno un comportamento mglore de codc ortogonal p ( t) p ( t + τ) p ( t) p ( t + τ) j Implcta robustezza a cammn multpl -T c T c τ -T c T c τ S osserv che un nterferente co-canale produce la stessa nterferenza d un nterferente da canale adacente (purché τ ccanale > T c ) Dfferenza fra nterferente co-canale ed nterferente da canale adacente solo teorca non c è motvo partcolare d allontanare l nterferente co-canale Ruso Untaro (m=1)

28 CDMA - Ruso untaro (1/2) La separazone fra canal è basata sull uso d codc quas ortogonal. Tutte le stazon base possono adoperare l ntera banda dsponble. TDMA/FDMA (ruso > 1) WCDMA (ruso = 1)

29 CDMA - Ruso untaro (2/2) In un sstema ad accesso a dvsone d codce ogn utente utlzza tutta la banda dsponble per tutto l tempo del collegamento

30 Cluster sze 1 In ogn sstema cellulare la capacta e nversamente proporzonale al cluster sze m (fattore d ruso). nel CDMA m= 1 (l mnno possble), percò la capactà dovrebbe essere superore. Tuttava, l nterferenza resdua dovuta a codc non ortogonal o a multpath vene da tutt gl utent, compres quell della cella stessa. Conseguenza d m=1 è la possbltà d soft handover.

31 Cell Breathng Ne sstem tradzonal (GSM) l ammssone d un utente che chede accesso al servzo e vncolata alla dsponbltà d rsorse lbere (. e. tme slot e/o porzon d banda non assegnate). Se esstono rsorse non allocate, l ammssone e garantta; dversamente e certamente negata. Ne sstem CDMA-SS c sono sempre rsorse dsponbl (l numero d codc e nfnto ). Ogn nuovo ngresso determna pero un aumento dell nterferenza per tutt collegament attv, e può qund essere rfutato se rsultasse, n tal senso, troppo gravoso. L mpatto d ogn nuovo accesso dpende d volta n volta anche dalla stuazone pre-esstente: numero d utent gà attv, potenze trasmesse, poszon, ecc. ; Necessara una oculata poltca d Call Admsson; La dmensone effettva della cella vara al varare del traffco (Cell Breathng)

32 Power Control Il guadagno d processo protegge la comuncazone utle, poché solo una frazone 1/G p della potenza trasmessa da un utente nterferente rsulta effettvamente tale Tuttava può accadere l utente utle s trov n condzon d propagazone molto pù penalzzant rspetto all utente nterferente nonostante l process gan la potenza nterferente può rsultare eccessvamente alta rspetto a quella utle, a scapto della buona qualtà del collegamento Tale problematca (tpca de sstem CDMA) deve essere opportunamente controllata per mezzo d opportune poltche d Controllo d Potenza ( trasmetttor aggustano la potenza rradata al varare delle condzon d propagazone)

33 Soft hand-over Il soft hand-over nasce dall esgenza d consentre ad ogn moble d essere collegato a pu d 1 stazone base al confne fra pù celle È possble graze al Rake recever 2-way zone 3-way zone