Politecnico di Milano. Facoltà di Ingegneria dell Informazione. Reti Radiomobili. Prof. Antonio Capone

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1 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione Reti Radiomobili Prof. Antonio Capone

2 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione 2 Accesso Multiplo Reti Radiomobili

3 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione 2.1 Tecniche di accesso multiplo Reti Radiomobili

4 La multiplazione la capacità dei mezzi trasmissivi fisici può essere divisa per ottenere più canali di velocità più bassa per per gli gli aspetti aspetti trasmissivi vedi vedi corso corso di di Sistemi di di comunicazione per per l applicazione alle alle reti reti trasmissive vedi vedi corso corso di di Reti Reti di di Trasmissione 4

5 La multiplazione fisica la distinzione tra i flussi avviene solo sulla base di parametri del livello fisico come frequenza, tempo, codice, lunghezza d onda, ecc. nodo 1 nodo 2 livello fisico sotto-livello multiplazione multiplatore multiplatore sotto-livello trasporto bit 5

6 Multiplazione a divisione di frequenza FDM (Frequency( Division Multiplexing) Il mezzo trasmissivo può essere caratterizzato da una banda di frequenze utilizzabili f min f max la banda complessiva può essere divisa in sotto-bande cui associare un canale f min f max 6

7 FDM (Frequency( Division Multiplexing) il segnale relativo ad un canale viene trattato mediante tecniche di modulazione in modo da associarlo a ciascuna sotto banda f mod. f min f max 7

8 FDM (Frequency( Division Multiplexing) canale 1 f modulatore AM SSB b g f 1 + f 1 f 2 f n f canale n f modulatore AM SSB f n B b s n=b/( b s.+ b g ) 8

9 FDM (Frequency( Division Multiplexing): FDM telefonico in passato l FDM veniva come tecnica di multiplazione dei canali vocali tra centrali telefoniche banda segnale vocale: circa 4 khz 300 Hz 3600 Hz multiplazione di 12 canali da 4 khz su una banda di 48 khz multiplazione successiva del segnale multiplo di 48 khz con altri segnali multipli (multiplazione a livelli gerarchici) 9

10 Multiplazione a divisione di tempo TDM (Time Division Multiplexing) E una tecnica usata per segnali digitali ( ) Dato un canale numerico a velocità C (bit/s) si costruiscono intervalli di tempo di canale costituiti da multipli del tempo di bit t b =1/C intervallo di canale o slot tempo di bit t 10

11 TDM (Time Division Multiplexing) Un canale può usare un intervallo di canale (slot) ogni N si definisce una struttura a trame consecutive costituite da N slot consecutivi se si numerano ciclicamente gli slot delle trame, un canale è associato a un numero di slot slot trama trama 11

12 TDM (Time Division Multiplexing) durata di trama T=N n i /C intervallo di canale... trama numero di intervalli N velocità di ciascun canale c=c/n (bit/s) t numero di bit: n i durata interv.: Ti=n i /C 12

13 Multiplazione a divisione di codice CDM (Code Division Multiplexing) La tecnica CDM consiste nel miscelare N flussi di bit previa moltiplicazione di ciascuno di questi con una parola di codice C i scelta fra le N parole di un codice ortogonale le parole del codice sono costituite da N simboli binari, chiamati chip per distinguerli dai bit di informazione, di durata N volte inferiore al bit di informazione 13

14 14 Codici ortogonali Codici ortogonali segnali ortogonali: sequenze ortogonali: 0 ) ( ) ( 2 1 = t s t s 0 0 ) ( ) ( = = = i i N i T c c t C t C C 1 (t) C 2 (t)

15 Codici ortogonali matrici di Hadamart: H H 2 2n 1 1 = 1 1 H n H n = H n H n Esempio N=4 C C C C = = = = { 1,1,1,1 } { 1, 1,1, 1} { 1,1, 1, 1} { 1, 1, 1,1 } 15

16 CDM (Code Division Multiplexing) s 1 N s 1 s 2 C 1 C 1 C + 2 C 2 N s 2 s N N s N C N N 1 i= 0 s i C i C k = N s k C N 16

17 Accesso Multiplo E l analogo della multiplazione ma per canali broadcast le stazioni che accedono sono distanti e devono coordinarsi per accedere al canale broadcast canale 3 canale 1 canale 2 17

18 Accesso multiplo fisico nodo 1 nodo 2 nodo 3 nodo 4 livello fisico sotto-livello di accesso multiplo sotto-livello di trasporto bit 18

19 FDMA Frequency Division Multiple Access E analogo a FDM la necessità del coordinamento delle stazioni non crea problemi nel caso di divisione di frequenza esempi: sistema cellulare TACS (Total Access Cellular System) utilizza una portante modulata FM con banda 25 khz per ciascun canale 19

20 TDMA Time Division Multiple Access è l analogo del TDM è necessario un coordinamento per trovare una base temporale comune alle stazioni (sincronismo di trama) il sincronismo non può essere perfetto: tempi di guardia 20

21 TDMA: Sincronismo di trama canali broadcast centrali canali broadcast non-centrali 21

22 TDMA: Canali broadcast centrali il punto centrale può essere di riferimento per il sincronismo le sue trasmissioni regolari possono sincronizzare le trasmissioni delle altre (ad es. una trasm. ogni trama, o ad intervalli multipli) riferimento temporale 2τ tempo di propagazione τ = d/ v d - distanza v - velocità della luce 22

23 TDMA: Canali broadcast centrali tempo di guardia: Tg = max(2τ ) i i 23

24 TDMA: Canali broadcast centrali Timing Advance: noti i tempi di propagazione le stazioni possono compensarli con una trasmissione anticipata necessità di stimare i τ (possono essere variabili) errore di stima: tempi di guardia tecnica usata in GSM 2) stima ritardo 3) invio stima ritardo 4) trasmissioni successive 1) prima trasmissione 24

25 TDMA: Canali broadcast non centrali non c è il riferimento trasmissioni diverse possono combaciare in un punto ed essere distanti in un altro T g = 2 max[τ ij ] 25

26 TDMA: Efficienza η = T i Ti + T g = 1 T 1+ T g i = 1 1+ T g C n i dipende dal rapporto T g /T i l efficienza scende: all aumentare delle distanze (aumenta T g ) all aumentare della velocità del canale al diminuire della durata dello slot 26

27 TDM/TDMA: Canali a differenti velocità Se ad ogni canale viene assegnato uno slot per trama tutti i canali risultano avere la stessa velocità In molti casi è però necessario multiplare canali con differenti velocità Allo scopo è possibile usare strutture di trama più complesse dove ad ogni canale può essere associato più di uno slot trama 27

28 TDM/TDMA: Canali a differenti velocità Per comodità di descrizione di solito queste strutture di trama più complesse vengono descritte mediante una gerarchia di trame super-trama Ad esempio: trama canale A = slot 1 in ogni trama (C/5) canale B = slot 2 nelle trame pari (C/10) canale C = slot 2 nelle trame 1 e 5 (C/20) 28

29 CDMA Code Division Multiple Access non è possibile avere trasmissioni sincrone e quindi non si riesce a conservare l ortogonalità dei codici si usano codici pseudocasuali con bassa correlazione per qualunque sfasamento temporale usato nel sistema UMTS T 0 T 0 C1( t) C2 ( t) 0 C1( t) C2 ( t+ ) 29

30 CDMA Code Division Multiple Access i codici non ortogonali consentono di andare più a fondo nell interpretazione dell effetto di questa tecnica sui segnali C(t) s(t) s M (t) 30

31 CDMA Code Division Multiple Access i codici non ortogonali consentono di andare più a fondo nell interpretazione dell effetto di questa tecnica sui segnali S(f) B f Spreading dello sprettro S M (f) nb f n numero di chip del codice: spreading factor (SF) 31

32 CDMA Code Division Multiple Access I segnali dopo lo spreading si sovrappongono in banda s M1 (t) s M2 (t) + nb f 32

33 CDMA Code Division Multiple Access Dopo il despreading con il codice del canale desiderato, la componente relativa a tale segnale viene riportata nella banda originale Gli altri invece, non vengono annullati come con i codici ortogonali, ma la loro banda rimane espansa nb f B f De-spreading 33

34 CDMA Code Division Multiple Access Filtrando nella banda del segnale è possibile dunque ridurre la potenza del segnale interferente di n volte B f B f 34

35 Accesso Multiplo: sguardo d insieme FDMA POWER TIME FREQUENCY TDMA POWER TIME FREQUENCY CDMA POWER TIME FREQUENCY 35

36 Accesso multiplo: Sistemi radiomobili BS uplink MS downlink cella 36

37 Accesso multiplo: Sistemi Radiomobili Il problema dell accesso radio è relativo al modo con il quale gli utenti della stessa cella condividono le risorse radio downlink: multiplazione dei canali verso gli utenti uplink: accesso multiplo delle stazioni mobili 37

38 Accesso multiplo: Sistemi Radiomobili Sistemi di prima generazione: TACS (Europa) AMPS (Stati Uniti) FDM/FDMA (downlink/uplink) Sistemi di seconda gen.: GSM (Europa) D-AMPS (Stati Uniti) multi-carrier TDM/TDMA Sistemi di terza gen.: UMTS (Europa e???) CDM/CDMA 38

39 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione 2.2 Riuso di Frequenza Reti Radiomobili

40 Assegnamento dei canali alle celle La tecnica di accesso multiplo nei sistemi cellulari non serve solo a dividere i canali fisici per uplink e downlink nella cella, ma anche per dividere le risorse tra le celle Se si pensa alle migliaia di celle che coprono il territorio sembra apparentemente sorprendente che si possa dividere la risorsa radio in tante parti per questo argomento usare come riferimento testo di di H. H. Walke: Mobile Radio Networks, cap par

41 Riuso di frequenza In realtà neache assegnando un solo canale per cella sarebbe possibile assegnarne uno a tutti Soluzione: usare più volte gli stessi canali in in celle diverse il riuso degli stessi canali genera interferenza co-canale il riuso è possibile in celle sufficientemente distanti da far si che l interferenza sia tollerabile (buona qualità del collegamento) l interferenza è la caratteristica fondamentale dei sistemi cellulari 41

42 Qualità Nei normali sistemi di comunicazione la qualità (in termini di BER Bit Error rate) di collegamento dipende dal rapporto segnale-rumore (SNR Signal-to-Noise Ratio) Nei sistemi radiomobili si considera il rapporto tra potenza del segnale e potenza dell interferenza SIR (Signalto-Noise Ratio) BER SNR (db) 42

43 Qualità In realtà spesso quello che conta è la probabilità d errore sull unità informativa (BLER BLock Error rate) Di solito come parametro di qualità si richiede che il SIR sia maggiore di una BLER 1 SIR min soglia SIR min SIR (db) 43

44 Forma delle celle Tradizionalmente per descrivere in modo semplificato la struttura delle celle si usano degli esagoni regolari Ovviamente a causa della posizione delle stazioni base e della propagazione irregolare del segnale a causa di ostacoli, la forma reale delle celle è spesso molto diversa L uso della forma regola come modello di cella è comunque un buon modo per comprendere i principi alla base del riuso di frequenza e del dimensionamento del sistema 44

45 Cluster L insieme delle portanti disponibili viene diviso in K gruppi Viene creata una struttura regolare di celle formata da K elementi detta cluster ad ogni cella del cluster viene assegnato un gruppo per massimizzare la distanza tra celle che usano lo stesso gruppo la struttura a cluster viene ripetuta sul territorio in modo regolare F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 45

46 Cluster Il numero di canali per cella dipende dalla dimensione K del cluster efficienza di riuso = 1/K sono possibili solo alcuni valori di K=1,3,4,7,9,12,13, F 2 F 3 F 1 F 4 F 1 F 2 F 4 F 3 F 4 F 1 F 2 F 3 F 4 F 2 F 3 F 2 F 3 F 2 F 2 F 2 F 3 F 3 F 3 F 1 F 1 F 1 F 2 F 3 F 2 F 3 F 2 F 3 F 2 F 3 F 1 F 2 F 3 F 1 F 1 F 1 F 1 F 4 F 4 F 1 F 2 F 3 F 4 F 1 F 2 F 3 F 1 F 2 F 3 F 1 F 2 F 3 F 1 F 1 K = 4 K = 3 46

47 Dimensionamento del Cluster dato il valore di SIR min è possibile stimare l efficienza massima del sistema, ovvero il K minimo potenza ricevuta: P r = P G d t η 47

48 Dimensionamento del Cluster stesse antenne e stessa potenza SIR = = P G d t 6 i= 1 d 6 i= 1 η d t η i η P G d η i = d 4 d 3 D r d 2 d d 1 caso peggiore d = r approssimazione d i = D d 5 d6 SIR r 6D η η = R η 48

49 Dimensionamento del Cluster Il SIR dipende solo dal rapporto di riuso R=D/r e non dalla potenza assoluta trasmessa e dal raggio della cella fissato SIR min si può calcolare R min noto R min si può ottenere K osservando che geometricamente vale la relazione: quindi: K = min K = 2 R 3 ( 6SIR) 3 2/ η 49

50 Esempio Si dimensioni il cluster di un sistema che tollera SIR min = 18 db nel caso i cui l esponente di attenuazione della distanza η sia pari a 3.9 K ( ) 2/ η 6SIR ( ) 2/3.9 min = = =

51 db scala logaritmica potenze Ripassino dei db P P db = 10log = 10 P db /10 10 P 51

52 Ripassino dei db al prodotto in scala lineare corrisponde la somma in db al rapporto la differenza A P P / A A P db db + P A db db 52

53 Ripassino dei db valori notevoli 2 3dB dB 4 = dB dB = db 8 9dB dB 10 10dB dB dB 53

54 Dimensionamento del Cluster Alcune considerazioni: Nella formula abbiamo fatto molte semplificazioni distanze solo 1 anello interferenti niente rumore termico propagazione con solo path-loss L obiettivo del dimensionamento è comunque quello di garantire un buon SIR a tutti gli utenti e per questo occorre considerare i casi più critici Per tener conto anche di fading e shodowing si può dunque considerare un margine sul SIRmin (è questo il criterio di dimensionamento comunemente adottato) 54

55 Antenne settoriali L uso di antenne direttive consente di modificare la struttura delle celle e di ridurre l interferenza captata Nei sistemi cellulari si fa molto spesso ricorso ad antenne direttive con apertura di 120 cella 2 cella 1 cella 3 sito 55

56 56 Riuso con Riuso con settorizzazione settorizzazione Reuse Pattern 7/21 K=7

57 Riuso con settorizzazione In questo schema non viene alterata la geometria ma solo il tipo e la collazione delle antenne F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 7 F 3 F 1 F 6 F 5 F 4 F 2 F 7 F 3 F 7 F 3 F 1 F 1 F 6 F 5 F 4 F 6 F 5 F 4 57

58 Riuso con settorizzazione Per il calcolo del SIR si può usare la formula già trovata η η r 1 1 SIR = η 6D 6 R con una piccola modifica SIR r MD η η = dove M è il numero di interferenti (del primo anello) visti dal settore (M=6/#settori) e quindi: 2/ η ( M SIR) Kmin = 3 1 M 1 R η 58

59 Vincoli di assegnamento Una volta scelto il cluster la scelta delle frequenze di ciascun insieme è di solito soggetta ad altri vincoli Frequenze adiacenti hanno spesso zone di spettro leggermente sovrapposte e quindi possono generare interferenza mutua (adjacent channel interference) f Il problema può essere complicato dalla settorizzazione a causa dei lobi laterali delle antenne che generano molta interferenza nei settori adiacenti Come risultato non è normalmente possibile assegnare frequenze adiacenti alla stessa cella o a celle servite dallo stesso sito 59

60 Strutture cellulari Osservazione: La formula semplificata per il dimensionamento non dipende dal raggio delle celle ma solo da rapporti di distanze Al variare del raggio della cella dunque varia il numero di canali per unità di area coperta Ciò da la libertà al progettista della rete di pianificare il raggio delle celle sulla base della densità di traffico della zona 60

61 Strutture cellulari 61

62 Strutture cellulari Attenzione però alle semplificazione delle formule al diminuire della distanza cambia la propagazione Inoltre con raggi piccoli di cella il numero di handover aumenta In alcuni casi la copertura viene garantita in modo gerarchico per favorire la gestione della mobilità cella ombrello 62

63 Politecnico di Milano Facoltà di Ingegneria dell Informazione 2.3 Cenni alla trasmissione su canale radio Reti Radiomobili

64 Trasmissione su canale radio ATTENZIONE: Solo brevissimi cenni, argomento complesso, ci ci serve solo per capire le le motivazioni dietro le le scelte architetturali si si vedano vedano i i corsi corsi di di Sistemi di di comunicazione e e Teoria Teoria dell Informazione e e Codici Codici come riferimento sintetico all argomento si si usi usi il il testo di di H. H. Walke: Mobile Radio Networks, cap par. 7 64

65 Trasmissione su canale radio Analog Cellular Transmitted Signal Received Signal + Noise Digital Cellular Transmitted Signal Received Signal + Noise 65

66 Trasmissione su canale radio Quando il rapporto segnale rumore è basso è possibile migliorare il BER utilizzando dei codici di correzione degli errori (FEC Forward Error Correction) 10-1 Bit Error Rate BPSK non codificato db 11 db Eb/No (db) 66

67 Trasmissione su canale radio I codici correttori consentono di correggere degli errori mediante l aggiunta di bit di ridondanza Se su n bit trasmessi k sono di informazione e (n-k) di ridondanza si definisce il rate del codice come il rapporto k/n 67

68 Trasmissione su canale radio Il codice migliora le prestazioni 10-1 Bit Error Rate Uncoded BPSK Rate 1/2 Rate 3/ db 11 db Eb/No (db) 68

69 Tipi di codici: Trasmissione su canale radio Codici a blocco Codici di Hamming Codici BCH Codici Reed-Solomon Codici continui Codici Convoluzionali Codici Turbo 69

70 Trasmissione su canale radio I codici possono essere usati anche solo per rivelare la presenza di errori senza il potere di correggerli Quando ad esempio viene scoperta la presenza di errori in segmento di voce codificato è possibile eliminare il segmento dalla decodifica e interpolare il segnale degli altri campioni Quando il tipo di servizio e il sistema lo consente (di solito principalmente per servizi dati) è anche possibile usare tecniche di ritrasmissione (ARQ Automatic repeat ReQuest) 70

71 Trasmissione su canale radio Nei sistemi cellulari la presenza di elevata interferenza e di fluttuazioni della potenza del segnale dovute alla propagazione ha spingo all uso massiccio di metodi di controllo d errore e di FEC in particolare L uso di codici consente di ridurre il valore di SIR min tollerato dalle trasmissioni ma al costo di aggiunta di ridondanza (l uso di un codice con rate ½ dimezza la capacità) decidere se val la pena pagare il prezzo della ridondanza per abbassare il SIR min è compito non facile e dipende da molto dalle caratteristiche del sistema e dal tipo di servizio è un fatto però che tali codici siano molto usati 71

72 Trasmissione su canale radio Proviamo a ragionare con i conti fatti nel dimensionamento del riuso Se indichiamo con N il numero totale di canali disponibili e K le dimensioni del cluster il numero n di canali per cella è: ( 6 SIR ) 2/ η Nel caso di codifica FEC a rate R si ha: n Affinchè n 2 sia maggiore di n 1 occorre che: n n 2 1 = N K = N R = = K 3N Il margine sul SIR dipende dall efficienza del codice e dalla statistica degli errori E per questo che si tenta di fare codici sempre più potenti (ad es. codici Turbo) 1 3N R ( 6 SIR ) 2/ η η / 2 1 n2 SIR2 R SIR1 2 72

73 Trasmissione su canale radio In realtà le prestazioni dei codici dipendono anche dalla statistica degli errori Le curve ideali dei codici assumono rumore gaussiano bianco (che genera errori indipendenti canale senza memoria) Il canale radio nei sistemi cellulari tende a generare errori correlati (canale con memoria) a causa delle fluttuazioni del segnale e dell interferenza Potenza ricevuta pochi errori molti errori t 73

74 Trasmissione su canale radio L efficienza della maggior parte dei codici diminuisce velocemente con errori correlati Per questo vengono spesso usati dei meccanismi che mischiano i bit in trasmissione dopo la codifica e li riordinano in ricezione (interleaving) Transmitter Original Data Samples Interleaving Matrix Interleaved Data Samples RF Transmission Path Amplitud e Time Interleaved Data Samples Errors Clustered Receiver De- Interleaving Matrix De-Interleaved Data Samples Errors Distributed 74