2.4 Tecniche e algoritmi di riuso statico

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1 Poltecnco d Mlano Facoltà d Ingegnera dell Informazone 2.4 Tecnche e algortm d ruso statco Ret Radomobl

2 Problema dell assegnamento delle frequenze Anche se la vsone del ruso d frequenze basata sul concetto d cluster è semplfcata, essa è stata usata anche n cas pratc per costrure delle panfcazon frequenzal n sstem real all nzo della dffusone d tal sstem Nel tempo sono state affnate tecnche pù sofstcate basate su algortm d ottmzzazone che hanno consentto lo svluppo d tool automatc d panfcazone 76

3 Problema dell assegnamento delle frequenze Gl algortm d ottmzzazone s basano su modell che, almeno per alcun aspett, rappresentano una evoluzone rspetto al modello a cluster Tal modell consentono d prendere n consderazone celle con forma qualsvogla d assegnare un numero d canal a cascuna cella n dpendenza del traffco d tenere n conto de vncol delle celle servte dallo stesso sto nel caso d antenne settoral 77

4 Problema dell assegnamento delle frequenze NOTA: Anche nel caso d sstem TDMA alle celle sono assegnate frequenze (portant rado), qund parlamo qu d assegnamento d frequenze Le frequenze dsponbl sono numerate n modo ordnato e sequenzale L nseme delle frequenze dsponbl è mentre quello delle celle è: f { N} F,..., { K} S,..., 78

5 Problema dell assegnamento delle frequenze Un assegnamento è defnto dagl nsem: { F }, F F che rappresentano gl nsem d frequenze assegnate alle celle In funzone del traffco offerto è possble stablre l numero mnmo m d canal necessar per cascuna cella (ad esempo tramte la formula B d Erlang) un vncolo d traffco sull assegnamento rsulta dunque: F m S 79

6 Problema dell assegnamento delle frequenze Nel calcolo della dmensone del cluster l valore d SIR mn genera una mnma dstanza d ruso R SIR R r 6D mn 6 η η / ( SIR ) η mn 6 R η d 4 d 3 D d 2 r d d 5 d 6 d Celle che sono ad una dstanza maggore d R mn possono usare le stesse frequenze, mentre quelle che sono a dstanza nferore devono usare frequenze dverse 8

7 Problema dell assegnamento delle frequenze Semplfcando, l concetto d mnma dstanza d ruso può essere esteso al caso pù generale d celle con forma qualsas Inoltre l concetto d dstanza può essere mglorato consderando n che msura una cella può generare nterferenza per un alta Sulla base della valutazone d questa nterferenza recproca delle celle s può generare una matrce d compatbltà che dce per ogn coppa d cella (,j) se possono avere assegnate le stesse frequenze NOTA: Ovvamente n questo modo s consderano solo coppe d celle mentre l SIR n realtà dpende da tutt gl nterferent 8

8 Problema dell assegnamento delle frequenze La matrce d compatbltà d dmenson NxN: defnsce de vncol d compatbltà sull assegnamento delle frequenze: f ad esempo j { c } j S C j, f c, j S, f F, j se c j le celle possono usare le stesse frequenze se c j le celle non possono usare le stesse frequenze se c j 2 le celle non possono usare le stesse frequenze e neppure frequenze adacent f j F j 82

9 Problema dell assegnamento delle frequenze I coeffcent c j e vncol d compatbltà corrspondent sono una semplfcazone de vncol d SIR che abbamo usato con cluster ma l modello consente d trattare cas pù general con celle d forma qualsas e con un numero d canal rchesto dverso per sngola cella Come s calcolano coeffcent c j??? non c è un crtero unco, vene calcolata l nterferenza potenzale generata da un stazone base sull area d copertura dell altra e n base a questo e delle sogle vene calcolato l c j normalmente s assume c j c j 83

10 Problema dell assegnamento delle frequenze La rappresentazone del problema può essere ottenuta medante un grafo pesato G(N,A) dove nod sono le celle e gl arch collegano nod se c j e hanno un peso par a c j c j j 84

11 Soluzone al problema FAP Un assegnamento compatble è quello che assegna ad ogn cella l numero m d frequenze rchesto e che rspetta tutt vncol d compatbltà Trovarne uno vuol dre trovare una soluzone al FAP (Frequency Assgnment Problem) Ovvamente a causa de vncol d compatbltà, de vncol d traffco o del numero d frequenze dsponbl un assegnamento compatble può non esstere! In questo caso occorre rlassare vncol e trovare un obettvo d ottmzzazone 85

12 Obettv d ottmzzazone: Max-FAP Un possble approcco è rlassare vncol d traffco F m S e assegnare a cascun vertce quante pù frequenze possble: max S questa varante del problema prende l nome d Maxmum Servce FAP (Max-FAP) F 86

13 Obettv d ottmzzazone: MS-FAP Un altro approcco mantene rgd vncol d traffco e d compatbltà ma assume d poter usare quante frequenze s vuole L nseme F delle frequenze dsponbl dventa una varable e l obettvo dventa mnmzzare l numero d frequenze mn F questa varante del problema prende l nome d Maxmum Spam FAP (MS-FAP) 87

14 Obettv d ottmzzazone Infne un ultmo approcco tenta d mnmzzare l numero d vncol volat 88

15 Come trovare una soluzone? I problem d assegnamento d frequenze sono problem dffcl da rsolvere l che vuol dre che un algortmo mpega un tempo che cresce esponenzalmente con le dmenson del problema per trovare la soluzone ottma Per questo d solto c s accontenta d soluzon sub-ottme ottenute medante algortm eurstc Tra quest quell pù semplc sono d tpo greedy: una soluzone vene costruta n modo sequenzale ordnando le celle e assegnando con un opportuno crtero le frequenze 89

16 Un algortmo greedy per l FAP L algortmo greedy che vedamo assume che ogn cella rcheda una sola frequenza qund per consderare l caso generale con m > occorre splttare la cella n m cope Esempo: M C { m } {,2,2,, } { c } j 9

17 9 Un algortmo Un algortmo greedy greedy per l FAP per l FAP esempo: { } { },,,2,, m M

18 92 Un algortmo Un algortmo greedy greedy per l FAP per l FAP esempo: { } { },,,,,, m M

19 Un algortmo greedy per l FAP Per ogn cella s calcola l grado: N g c j j j S ordnano le celle n ordne d grado decrescente n una lsta L essendo m, ndchamo con f la frequenza assegnata alla cella (se non è assegnata nessuna frequenza f ) 93

20 Un algortmo greedy per l FAP In sntes l algortmo: per ogn cella n L e per ogn frequenza f n F per cascuno de vcn j verfca che la dfferenza tra la frequenza consderata e quella assegnata al vcno è mnore d c j s calcola una funzone d costo ( cj f f j ) cj la funzone d costo vene cumulata per tutt vcn assegna alla cella la frequenza f con la funzone d costo mnma 94

21 Un algortmo greedy per l FAP In forma pù rgorosa: BestCost For L do End For End f F do cost : For End End j N If End ( f j ) AND ( f-f j < cj ) : cost + ( c f-f ) cost do If BestCost cost then BestCost : cost f : f j j c then j 95

22 Un algortmo greedy per l FAP Alcune osservazon: l costo delle frequenze compatbl è zero qund se almeno una frequenza compatble esste questa vene assegnata alla cella e qund l algortmo tende a fornre un assegnamento compatble se non esste nessuna frequenza compatble vene scelta quella con l vncolo da volare che ha l mnor peso 96

23 97 Un algortmo Un algortmo greedy greedy per l FAP per l FAP Esempo Esempo { } { } { } { } { },2,4,7,3,6,5,...,3,,,,,, L c C F m M j

24 Un algortmo greedy per l FAP Esempo Prma cella: tutte le frequenze j hanno costo qund f 3 Seconda cella: 2 cost(,,) qund f 2 2 Terza cella: 4 cost(,,) qund f 4 M F C L { m} {,,,,,, } {,...,3} { c } j {,2,4,7,3,6,5 } 98

25 Un algortmo greedy per l FAP Esempo Quarta cella: 7 cost(,,) qund f 7 3 Qunta cella: 3 cost(,,) qund f 3 2 Sesta cella: 6 cost(,,) qund f 6 3 Settma cella: 5 cost(,,) qund f 7 2 M F C L { m} {,,,,,, } {,...,3} { c } j {,2,4,7,3,6,5 } 99

26 Un algortmo Un algortmo greedy greedy per l FAP per l FAP Il grafo può autare nell esecuzone Esempo Esempo { } { } { } { } { },2,4,7,3,6,5,...,3,,,,,, L c C F m M j

27 Problema dell assegnamento delle frequenze LETTURE CONSIGLIATE: LETTURE CONSIGLIATE: Models Models and and Soluton Soluton Technques Technques for for Frequency Frequency Assgnment Assgnment Problem Problem Aardal, van Hoesel, Koster, Mannno, Sassano Aardal, van Hoesel, Koster, Mannno, Sassano ZIB Konrad-Zuse-Zentrum fur Informatonsyechnk Berln ZIB Konrad-Zuse-Zentrum fur Informatonsyechnk Berln Internal Report -4, December 2. Internal Report -4, December 2. Channel Assgnment Problem n Cellular Systems: Channel Assgnment Problem n Cellular Systems: A New Model and a Tabu Search Algorthm A New Model and a Tabu Search Algorthm Capone, A.; Truban, M. Capone, A.; Truban, M. IEEE Trans. on Vehcular Technology, IEEE Trans. on Vehcular Technology, vol. 48, no. 4, pages , 999. vol. 48, no. 4, pages , 999. per per ch ch è è nteressato alle alle problematche d d ottmzzazone s s vedano vedano cors cors d d Rcerca Rcerca Operatva

28 Poltecnco d Mlano Facoltà d Ingegnera dell Informazone 2.5 Tecnche d allocazone dnamca de canal Ret Radomobl

29 Assegnamento Dnamco de Canal Sa con l modello semplfcato basato su cluster che con modell basat sulla matrce d compatbltà, l assegnamento è fsso e decso n fase d panfcazone (FCA Fxed Channel Allocaton) Se le prevson d traffco s rvelano non esatte o pù semplcemente se la dnamca del sstema porta a devazon statstche sgnfcatve da valor med prevst, la FCA rsulta penalzzante n termn d probabltà d blocco delle chamate 3

30 Assegnamento Dnamco de Canal Può nfatt captare che una cella sovraccarca esaursca canal anche se le sue vcne sono temporaneamente scarche Le celle scarche non generano nterferenza e per questo la cella sovraccarca potrebbe usare canal n pù rspetto a quell assegnat senza creare problem d qualtà (SIR). 4

31 Assegnamento Dnamco de Canal Per mglorare le prestazon e rendere l sstema pù flessble sono stat propost de meccansm d allocazone dnamca de canal (DCA Dynamc Channel Allocaton) Tal meccansm non allocano n modo stable un nseme d canal ad una cella, ma consentono che canal possano essere allocat dnamcamente alle celle che ne hanno bsogno rspettando vncol d qualtà e ruso d frequenza 5

32 Assegnamento Dnamco de Canal Assegnamento Dnamco de Canal Channel Borrowng Schemes: Nella versone pù semplce canal vengono assegnat come per un FCA ma una stazone base che ha fnto suo canal può chederne n prestto da vcn all arrvo d una chamata alla fne della chamata l canale vene resttuto un canale può essere preso n prestto se non crea problem d nterferenza a canal gà n uso nelle celle vcne per verfcare la compatbltà s possono usare dvers modell, come quello basato sulla mnma dstanza d ruso o sulla matrce d compatbltà esstono dvers scheme n base al crtero d scelta tra canal possbl (ad esempo: borrow from the rchest) 6

33 Assegnamento Dnamco de Canal Assegnamento Dnamco de Canal Geometrc DCA: Negl schem completamente dnamc non esste nessun nseme d canal assegnato alla cella, ma tutt canal sono n un nseme comune e possono essere usat all arrvo d una rchesta rspettando vncol d ruso sceglendo n base ad un opportuno crtero Gl unc algortm d nteresse pratco sono quell d tpo dstrbuto ogn cella conosce lo stato de suo vcn (potenzal nterferent) e scegl autonomamente l canale quando necessaro 7

34 Assegnamento Dnamco de Canal Geometrc DCA: Ogn stazone base mantene aggornata, medante scamb s segnalazone con vcn, una matrce d occupazone se la cella ha k celle ad una dstanza nferore a quella mnma d ruso costrurà una matrce con k rghe una colonna vuota corrsponde ad un canale dsponble stazone numero d canale canal base N dsponbl x x x 2 x 4 3 x x 2 4 x 5 9 k x x 2 8

35 Assegnamento Dnamco de Canal Geometrc DCA: la matrce d occupazone può anche essere costruta sulla base de vncol d compatbltà c j l nseme delle k celle vcne è quello per cu c j > per vncol con c j s procede come prma per vncol con c j > occorre segnare come occupat non solo canal effettvamente un uso ma anche quell adacent stazone numero d canale canal base 2 3 k N dsponbl x x x 2 x 4 x x 2 j x x x x 5 9 k x x 2 ad esempo: -c j 2 - canale k occupato nella cella j 9

36 Assegnamento Dnamco de Canal Geometrc DCA: Osservazone : a causa del meccansmo dnamco con l quale canal sono assegnat quest tenderanno ad essere rusat meno che con gl schem FCA meccansmo pù flessble ma potenzalmente meno effcente con traffco elevato ed unforme Osservazone 2: meccansm DCA non sono usat al momento ne sstem real ( ) alcun operator pensano d usarl per aumentare la flessbltà del GSM

37 Assegnamento Dnamco de Canal Measurement-based DCA: un approcco completamente dverso non consdera affatto vncol d ruso n modo esplcto (nente mnma dstanza o matrce d compatbltà) ma semplcemente ogn stazone base msura contnuamente l lvello d nterferenza rcevuto su ogn canale n base a delle sogle s decde se un canale è consderato lbero o occupato tra quell lber s scegl n base ad un opportuno crtero s può far vedere che quest schem possono avere una effcenza molto maggore del FCA n ogn condzone

38 Assegnamento Dnamco de Canal LETTURE CONSIGLIATE: LETTURE CONSIGLIATE: Channel Channel assgnment assgnment schemes schemes for for cellular cellular moble moble telecommuncaton telecommuncaton systems: systems: a a comprehensve survey comprehensve survey Katzela, I.; Naghshneh, M. Katzela, I.; Naghshneh, M. IEEE Personal Communcatons, Volume: 3 Issue: 3, June 996 IEEE Personal Communcatons, Volume: 3 Issue: 3, June 996 Page(s): -3 Page(s): -3 2

39 Poltecnco d Mlano Facoltà d Ingegnera dell Informazone 2.6 Modell ed algortm per la panfcazone della copertura Ret Radomobl

40 Rado Plannng Quando occorre costrure una nuova rete occorre decdere dove nstallare le stazon base e come confgurarle (tpo d antenna, altezza, orentamento de settor, tlt angolazone vertcale, potenza massma, ecc.) X X X X 4

41 Rado Plannng Lo strumento prncpale che occorre avere n mano per prendere una decsone è la prevsone d propagazone che consenta d sapere l lvello d segnale rcevble da un stazone base nstallata n un sto canddato E compto degl espert d propagazone fornre tool d prevsone basat su modell d canale rado (modell emprc e statstc, ray tracng) e sulla conoscenza del terrtoro 5

42 Rado Plannng Rado Plannng La scelta del sto è nfluenzata da molt fattor, non da ultm problem d nqunamento elettromagnetco, problem d concessone edlza, contratt con propretar degl edfc, ecc. Molto spesso l numero d st possbl è così pccolo che non c sono scelte possbl Nel caso nvece n cu sa possble la scelta c s può porre l problema d un plannng ottmzzato 6

43 Modell d panfcazone rado Ne modell d ottmzzazone per la panfcazone delle stazon base s assume d avere un nseme d st canddat J la dstrbuzone del traffco nell area le caratterstche d propagazone La dstrbuzone del traffco rsulta comodo modellarla come un nseme I d punt d test dove s assume venga concentrata la rchesta d traffco S assume nota l attenuazone del canale rado a j (o l guadagno g j /a j ) tra ogn sto canddato j J e ogn punto d test I 7

44 Modell d panfcazone rado Confgurazon: Il sgnfcato dell nseme J de st canddat può anche essere esteso a comprendere le dverse possbl confgurazon d una stazone base In questo caso s ntroduce un elemento nell nseme per ogn possble confgurazone della stazone base nel sto Ovvamente la dfferenza tra le dverse confgurazon del sto sarà nella propagazone verso punt d test Occorrerà aver cura d nserre nel modello de vncol che mpedscano d al tool d ottmzzazone d nstallare pù confgurazon dello stesso sto 8

45 Modell d panfcazone rado Le varabl d decsone del problema sono: x j altrment cu è assocato un costo d nstallazone c j una semplce formulazone del problema assume che I è coperto da j J se l attenuazone a j è nferore ad una sogla t Defnamo gl nsem N : N se s nstalla una { j a t} j BSn j nseme d st che copre l punto d test e P : P j { a t} j nseme d punt d test copert dal sto j 9

46 Modell d panfcazone rado Il problema rsulta essere: Mnmze s. t. j N x j n pratca le varabl x j defnscono un sottonseme J * J d st che coprono tutt punt: P I U* j J Z j questo problema è noto come problema d set coverng j J c j x j I l vncolo asscura che tutt punt sano copert 2

47 Soluzon al problema d copertura Anche questo problema è d quell dffcl (un algortmo mpega un tempo che cresce esponenzalmente con le dmenson del problema per trovare la soluzone ottma) E anche n questo caso s fa rcorso ad algortm eurstc che fornscono spesso una buona soluzone sub-ottma No anche n questo caso vedamo uno de pù semplc algortm d tpo greedy che aggunge sequenzalmente un stazone n un sto fno ad ottenere la copertura completa 2

48 Algortmo greedy Step pon J * Step se P j j allora STOP altrment trova k (J-J * ) tale che sa massmo l rapporto: Step 2 P c aggung k a J * ( J * :J * {k} ) j j rmuov punt P k dagl altr nsem (P j :P j -P k j) rtorna allo Step. 22

49 Algortmo greedy: : Esempo Per semplfcare la descrzone del problema consderamo una matrce d copertura V {v j }, dove: se è coperto da j v j altrment l vettore d copertura Π{π j } π I e l vettore d cost C {c j } j v j P j 23

50 24 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo Step : J * Π C V

51 25 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo Step : k5 Π C V

52 26 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo Step 2: J * {5},... Π C V

53 27 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo Step 2: rcalcola V e Π Π V

54 28 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo Step : k Step 2: J * {5,}, rcalcola V e Π Π V

55 29 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo rcalcola V e Π Π 2 V

56 3 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo Step : k2 Step 2: J * {5,,2}, rcalcola V e Π Π 2 V

57 3 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo rcalcola V e Π Π V

58 32 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo Step : k3 Step 2: J * {5,,2,3}, rcalcola V e Π Π V

59 33 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo rcalcola V e Π STOP Π V

60 34 Algortmo Algortmo greedy greedy: Esempo : Esempo In questo caso semplce è facle verfcare che la soluzone ottenuta dall algortmo greedy J * {5,,2,3} è sub-ottma questa soluzone è nfatt a costo mnore: Π C V

61 Poltecnco d Mlano Facoltà d Ingegnera dell Informazone 2.7 Capactà e gestone delle rsorse ne sstem CDMA Ret Radomobl

62 Capactà de sstem radomobl Ne sstem mult-carrer TDMA come l GSM l numero d canal dsponbl per cella, e qund la capactà del sstema, dpende dal numero d canal total dal ruso consentto da vncol d SIR Se usamo un ruso con K7 (s può calcolare un ruso medo anche nel caso d matrce d compatbltà) l numero massmo d chamate per cella sarà par al numero totale d canal N dvso K Lo schema d ruso vene tarato n modo da garantre l SIR (e qund la qualtà) a tutte le chamate n ogn stuazone Fnt canal assegnat la cella non può pù accettare ulteror chamate 36

63 Capactà ne sstem CDMA Ne sstem CDMA tutt condvdono la stessa banda e non v è nessuno schema d ruso E qund: l qualtà (SIR) va garantta lmtando l numero d utent per cella l numero d utent dpende sempre dal vncolo d SIR e da parametr del sstema d spreadng 37

64 Capactà ne sstem CDMA La probabltà d errore dpende dal rapporto tra energa per bt E b e la densta spettrale d rumore N -2 For QPSK Modulaton, an E b /N of ~ 7.5 db s requred to acheve a Pe of -3 P e (Probablty of bt error) P e erfc 2 E N b Eb/No (db) 38

65 Guadagno d processo Il rapporto tra energa per bt e denstà spettrale d rumore dpende dall espansone d banda operata dal meccansmo d spreadng S E b Energa per bt (E b ) R b è uguale alla potenza del segnale (S) dvso l bt rate (R b ) N N B Denstà spettrale d rumore (N ) è uguale alla potenz totale d rumore nella banda del segnale dvso la banda del segnale E b /N o è uguale al rapporto segnale rumone (SNR) per l guadagno d processo E N b S R b N S N B R b SNR G p 39

66 Guadagno d processo Cosa contrbusce al guadagno d processo? B G p Rb Ne sstem che non adottano tecnche d spreadng la banda e l rate sono quas ugual e G p Ne sstem CDMA la banda è sensblmente maggore del rate d utente a causa prncpalmente della moltplcazone per l codce (DS Drect Sequence) Inoltre anche la codfca FEC (comunemente adottata ne sstem CDMA) aumenta la banda (entrano k bt d nformazone ed escono n>k bt codfcat) Qund normalmente G p >> Rb Rc Rs B FEC Spreadng Modulaton 4

67 Sgnal to Interference and Nose Rato (SINR) Il rumore ne sstem CDMA non è solo rumore termco ma anche, e soprattutto, nterferenza Qund l SNR va sosttuto dal SINR (Sgnal-to- Interference and Nose Rato) E N b SINR G p I S + N G p I potenza nterferenza η potenza d rumore Segnale utle Segnal Inteferent 4

68 Sgnal to Interference and Nose Rato (SINR) La potenza d segnale è par a: S g P dove g è l fattore d guadagno del canale e P la potenza trasmessa La potenza d nterferenza è data da: e qund: E N b I k k k g k k P k gp g P + N G p 42

69 Controllo d potenza E N b k gp g P + Se la potenza rcevuta g P è elevata E b /N rsulta elevato e la probabltà d errore (BER) molto bassa ma se P è elevata la potenza d nterferenza generata sugl altr rsulta anche elevata e gl altr possono dunque nvece spermentare una BER elevata la stuazone mglore per tutt s verfca quando la potenza rcevuta è par per tutt e qund convene regolare opportunamente la potenza trasmessa ch è vcno (g alto) trasmette a bassa potenza ch è lontano (g basso) a potenza elevata k k N G p 43

70 Controllo d potenza Ne sstem CDMA l controllo d potenza è fondamentale se s vuole garantre una buona qualtà a tutt collegament Per effettuare l controllo d potenza s possono adottare due metod: Open-loop: la stazone moble stma l attenuazone d canale ascoltando un canale comune della stazone base che vene trasmesso a potenza fssa e nota (s suppone che le attenuazon nelle due drezon sano comparabl) Closed-loop: l controllo avvene da parte della stazone rcevtore (moble o base) che su un canale n drezone opposta nva comand d controllo ( alza o abbassa ) L obettvo del power control è quello d mantenere constante E b /N o pù semplcemente la potenza rcevuta (n uplnk due obettv concdono) 44

71 Se s ha: E N Capactà ne sstem CDMA: sngola cella - uplnk g P g P P k k k r, g P G b p g k Pk + N ( n ) + k dove n è l numero d utent nella cella (caso d cella solata solo accesso multplo!!!) normalmente con n elevato s può trascurare l rumore termco N / P r G p 45

72 Capactà ne sstem CDMA: sngola cella Fssato un requsto d qualtà (n termn d BER) rsulta fssato l valore mnmo d E b /N ed è dunque possble calcolare l numero massmo d utent per cella n max + G p N P + G ( Eb / N ) ( E / N ) mn r b mn p uplnk 46

73 Capactà ne sstem CDMA: sngola cella n max + G p N P + G ( Eb / N ) ( E / N ) mn r b mn p Esemp numerc G E N n p max 28 b mn db G n p E N max 28 b mn + 5.dB uplnk BER desderata -3 BER desderata -2 47

74 Capactà ne sstem CDMA: sngola cella La voce è però caratterzzata da molte pause d slenzo durante le qual è possble evtare la trasmssone del segnale per rdurre l nterferenza generata Quando l segnale è trasmesso l suo E b /N medo rsulta: E N dove v f è l fattore d attvtà della voce (v f ) e qund: b ( n ) v f + N / P r G p normalmente s assume v f.42 n max + v f G p ( Eb / N ) mn uplnk 48

75 Capactà ne sstem CDMA: sngola cella n max Esemp numerc + v f G p ( Eb / N ) mn uplnk G p 28 G p 28 E N n b max mn db E N n b max mn + 5.dB BER desderata -3 BER desderata -2 49

76 Capactà ne sstem CDMA: mult cella - uplnk ne sstem mult cella le cose s complcano n quanto le potenza rcevute dagl utent delle altre celle non sono ugual E N b I ntra + P I r nter + N G p 5

77 5 Capactà ne sstem CDMA: mult cella Capactà ne sstem CDMA: mult cella n scenar semplfcat è possble calcolare l nterferenza nter-cella (ved artcol d approfondmento) può essere però a volte utle utlzzare un espressone semplfcata che assume che l nterferenza nter-cella sa una frazone f dell nterferenza ntra-cella: p M l l l r r p M l l l k M k k k b G N P g P n P G N P g P g P g N E ) ( uplnk uplnk p r r b G N f P n P N E + + ) ( ) (

78 Capactà ne sstem CDMA: mult cella n max + v f ne test s trova d solto.4 f.6, ma n realtà n alcun scenar può arrvare fno a 2-3. Esemp numerc uplnk G p ( + f )( Eb / N ) mn G E N n p max 28; b mn f db G E N n p max 28; b mn + f 5.dB

79 Capactà ne sstem CDMA: Downlnk In drezone downlnk segnal sono trasmess dalla stessa stazone e qund sono sncron Cò consente d usare codc ortogonal e d elmnare n rcezone l nterferenza de segnal degl altr utent della stessa cella In realtà, però la propagazone su cammn multpl altera le propretà d ortogonaltà de codc a causa del delay spread qund una frazone d nterferenza ntra-cella è comunque presente (α fattore d ortogonaltà - α ) E N b αi ntra Pr + I nter + N G p 53

80 Capactà ne sstem CDMA: Downlnk E N b αi ntra Pr + I nter Nel caso comune n cu α fattore è pccolo le prestazon rsultano dpendere dall nterferenza nter-cella e dal rumore termco L espressone della capactà rsulta complessa e s può rcavare analtcamente solo n scenar semplfcat Appare evdente però che generalmente essa è maggore d quella per l uplnk e qund per servz smmetrc (come la voce) è l uplnk l canale che lmta la capactà complessva del sstema + N G p 54

81 Capactà ne sstem CDMA: Downlnk Se le condzon sono favorevol può accadere che la capactà del sstema n downlnk sa maggore dl numero d codc ortogonal dsponbl Come abbamo vsto l numero d codc ortogonal è par al numero d chp per bt (spreadng factor - SF) Vedremo con l UMTS come sa possble utlzzare altr grupp d SF codc ortogonal al loro nterno e con caratterstche d codc PN verso l esterno 55

82 Capactà ne sstem CDMA Abbamo vsto che la capactà de sstem CDMA dpende n modo dretto dal SIR Essendo questo l rapporto delle potenze d segnale e nterferenza, dpende da: caratterstche della propagazone de dvers canal rado controllo d potenza 56

83 Capactà ne sstem CDMA LETTURE CONSIGLIATE: LETTURE CONSIGLIATE: On On the the Capacty Capacty of of a a Cellular Cellular CDMA CDMA System System Vterb, A.J. et alt. Vterb, A.J. et alt. IEEE Trans. on Vehcular Technology, Volume: 4 Issue: 2, May 99 IEEE Trans. on Vehcular Technology, Volume: 4 Issue: 2, May 99 Page(s): -3 Page(s): -3 57

84 Controllo d potenza closed-loop loop Il controllo d potenza closed-loop che abba come scopo quello d mantenere costante l SINR (o equvalentemente l E b /N ) consente d aggustare la potenza trasmessa n modo tale da garantre a tutte le connesson la qualtà (BER) rchesta S può mostrare che questo è anche l controllo d potenza che mnmzza le potenze trasmesse In rcezone è rchesta una stma del SINR sul segnale e la trasmssone d un comando d controllo ( up o down ) n drezone opposta 58

85 Controllo d potenza Il controllo d potenza regola l lvello d potenza emesso allo scopo d ottmzzare le condzone d nterferenza nel sstema e lmtare l consumo energetco 59

86 6 Controllo d potenza Controllo d potenza closed closed-loop loop Ovvamente n questo modo la potenza d ogn segnale vene a dpendere da quella d tutt gl altr dove g j è l fattore d guadagno del canale tra la stazone moble e la base j, (E b /N ) è l valore rchesto per l segnale, e α fattore d ortogonaltà (nel caso uplnk α ) N N E P g P g N E PG g b M l l lb k M k k kb b p b b b + ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( α b p M l l lb k M k k kb b N E G N P g P g P g b b + + ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( α

87 Controllo d potenza closed-loop loop E E b b gb PG p g P g P N N kb k lb l N ( ) α ( ) + ( ) k M b( ) l M b( ) k questo è un sstema lneare n n equazon ed n ncognte se l sstema ammette soluzone l meccansm closed-loop converge al valore corretto d potenza sempre che tale valore non sa maggore della potenza massma per canale dsponble n questo caso la potenza trasmessa sarà par a quella massma ma l valore d (E b /N ) pù basso d quello rchesto se la soluzone non esste s tenderà ad alzare velocemente tutte le potenze fno a che la saturazone alla potenza massma d qualche segnale non renda possble la convergenza 6

88 62 Controllo d potenza Controllo d potenza closed closed-loop loop Se all aumentare del traffco (# utent) non s resce pù a mantenere la qualtà a causa de lmt d potenza s parla d sstema lmtato da potenza aree rural con celle grand e lmt dovut al rumore termco a bord Se nvece all aumentare del traffco l sstema non ammette pù soluzone s parla d sstema lmtato dall nteferenza aree urbane con celle pccole e basse attenuazon N N E P g P g N E PG g b M l l lb k M k k kb b p b b b + ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( α

89 Gestone delle rsorse rado Quando l traffco è molto elevato alcune connesson nzano ad avere una bassa qualtà e alla fne la connessone vene nterrotta (call drop) Per evtare questo problema occorre effettuare una gestone delle rsorse rado che lmt l traffco accettato Lo stesso tpo d ragonamento vale anche per servz a pacchetto anche se n questo caso l traffco eccessvo provoca error e rtrasmsson e non un call drop Nel caso d servz a crcuto (come la voce) la gestone delle rsorse è affdata al Call Admsson Control (CAC) 63

90 Call Admsson Control e qualtà Scopo fondamentale del CAC n qualunque sstema d telecomuncazone è quello d regolare l accesso d nuove connesson n rete al fne d garantre la qualtà d quelle gà attve Ne sstem cellular le stesse rsorse rado vengono usate da pù connesson e la qualtà è assocable al valore del rapporto segnale/nterferenza (SIR): nterferenza segnale 64

91 Call Admsson Control per sstem TDMA Ne sstem TDMA (come l GSM) con FCA (Fxed Channel Allocaton) l controllo della qualtà delle connesson è l rsultato d due meccansm: nella fase d panfcazone, l meccansmo d allocazone delle rsorse assegna canal rado (le portant GSM) alle celle n base ad uno schema d ruso frequenzale nella fase operatva, l meccansmo d CAC rfuta le chamate quando tutt canal assegnat alla cella sono gà n uso l SIR è garantto a pror dallo schema d ruso frequenzale s basa su stme d dstrbuzone del traffco ma se l traffco camba... 65

92 Call Admsson Control per sstem TDMA Per sstem TDMA è possble anche usare schem d allocazone dnamca (DCA) dove l nseme d canal non vene dvso a pror In partcolare è possble usare schem d tpo Measurement-based DCA che consentono la scelta del canale sulla base d msure d nterferenza In questo caso lo schema d DCA scegle l mglor canddato e l CAC deve verfcare se l aggunta d un nuovo utente su quella frequenza garantsce lo stesso un SIR accettable per tutte le connesson l SIR non è garantto a pror dallo schema d allocazone de canal l CAC deve esplctamente garantre l SIR ma quest schem esstono solo n letteratura... 66

93 Call Admsson Control per sstem CDMA Ne sstem CDMA, n generale, non esste uno schema d allocazone delle frequenze tutt segnal usano l ntera banda dsponble e ogn segnale subsce l nterferenza degl altr l nterferenza adesso non è pù solo da trasmsson d altre celle ma anche da trasmsson della stessa cella La qualtà dpende sempre dal SIR: SIR P SF αi n + I out 67

94 CAC n CDMA S dce che la capactà non ha un lmte hard, ma dpende dal lvello d nterferenza (soft-capacty) e vuol dre che l CAC deve occupars d garantre l SIR che non vene garantto a pror rchesta d chamata Logca d CAC accetto/rfuto l problema della defnzone della logca d CAC s complca nterferenza nterferenza 68

95 CAC n CDMA: caratterstche Garantre l SIR vuol dre: garantre quello della nuova connessone se vene accettata garantre quello delle connesson gà n corso Vncol: nformazon dsponbl punto d decsone Vantaggo potenzale: flessbltà d uso delle rsorse Logca d CAC accetto o rfuto? adattabltà alle condzon e alla dstrbuzone del traffco la complesstà del CAC è la moneta con cu s paga la flessbltà 69

96 Ruolo del Power Control Il meccansmo d power control prncpalmente usato è d tpo ad anello chuso: le potenze sono contnuamente regolate n modo che l SIR spermentato sa par ad un valore TARGET Rsultato: n condzon d funzonamento normale l SIR è par al valore target su tutte le connesson l Power Control e l Call Admsson Control hanno lo stesso obettvo: garantre l SIR l Power Control non può mantenere l SIR al valore TARGET se l traffco è troppo elevato L obettvo del CAC dventa: accettare solo l traffco che l power control può gestre! 7

97 CAC deale e algortm pratc A questo punto possamo defnre l l CAC deale Il Il CAC deale accetta una nuova connessone se se e solo se se è possble per l l power control trovare un un nuovo punto d d equlbro che soddsfa vncol sulla potenza e garantsce l l SIR TARGET l mplementazone dretta del CAC deale rchederebbe un un controllore centralzzato e con una conoscenza completa (non pratco) gl gl algortm d d pù facle mplementazone stmano l l carco della rete medante parametr msurabl (come l l numero d d chamate attve, l l lvello d d nterferenza msurato, ecc.) e accettano una nuova chamata solo se se l l carco è sotto una sogla prefssata ovvamente quest meccansm possono sbaglare 7

98 CAC con lmte sulle chamate Un CAC che semplcemente pone un lmte al numero d chamate appare molto smle a quello che s fa con sstem TDMA l unca dfferenza è che qu abbamo solo un contatore d chamate e non un nseme fsso d canal fsc In realtà metod d questo tpo possono tenere n conto non solo l numero d chamate nella cella dove arrva la chamata ma anche nelle vcne Questo consente una flessbltà smle a quella degl schem DCA 72

99 CAC con lmte sulla potenza rcevuta Un meccansmo d CAC ntrnsecamente dnamco accetta nuove chamate sulla base d msure d potenza totale rcevuta Se la potenza è nferore ad una sogla s accetta la chamata E possble anche usare schem che stmano anche l ncremento d potenza dovuto alla nuova chamata anche n questo caso è possble tenere n conto le celle vcne 73