Le funzioni di una rete (parte 1)

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1 Marco Listanti Le funzioni di una rete (parte 1)

2 Copertura cellulare e funzioni i di base di una rete mobile

3 Strategia cellulare Lo sviluppo delle comunicazioni mobili è stato per lungo tempo frenato da problemi di costo e di mancanza di banda L introduzione della strategia cellulare ha modificato la situazione offrendo una efficienza tale da consentire l adeguata diffusione del servizio e la riduzione dei costi Occorre considerare che la potenza emessa dai terminali mobili deve essere limitata per ridurre il loro peso/ingombro e per aumentarne l autonomia l attenuazione delle onde radio in ambiente urbano e a livello stradale aumenta tipicamente con la quarta potenza della distanza Non è quindi possibile coprire vaste estensioni territoriali con un unico ricetrasmettitore fisso

4 Definizione di cella Si suddivide il territorio in sub-aree, chiamate celle, che si sovrappongono solo parzialmente, in ognuna delle sub-aree la copertura elettromagnetica è assicurata da un apposito ricetrasmettitore, tore, denominato nato stazione radiobase A causa della propagazione delle onde radio, le celle, assumono forme geometriche largamente irregolari La linea di demarcazione tra una cella e un altra rappresenta la transizione dalla copertura elettromagnetica di un ricetrasmettitore a quella di un altro ricetrasmettitore

5 Definizione di cella La suddivisione del territorio in celle, spesso si modella con riferimento a forme poligonali regolari, ad esempio a celle di forma esagonale, senza sovrapposizione Questo modello costituisce però solo una schematizzazione teorica di una realtà decisamente più complessa Celle reali Celle ideali Modello esagonale (nessuna sovrapposizione)

6 Notazioni Fissata un area di servizio A s, indichiamo con Q : il numero di celle in cui è divisa l area A s N : il numero totale di utenti contemporaneamente attivi da servire M : il numero massimo di utenti contemporaneamente attivi da servire R : il ritmo binario richiesto da una singola comunicazione W : la larghezza di banda radio disponibile per il servizio W 0 : la larghezza di banda equivalente richiesta per sostenere il ritmo R C : la potenza media della portante radio I : la potenza media degli interferenti ti

7 Dimensionamento delle celle Nel dimensionamento delle celle, occorre tener conto di due obiettivi fondamentali il rispetto di una soglia minima i nel rapporto C/I garantisce la qualità di servizio che deve essere assicurata ad ogni comunicazione il conseguimento di una adeguata efficienza spettrale η, definita da N RR η = W orientato alla riduzione del costo per offrire il servizio (banda W), costo che è posto in relazione con il beneficio (prodotto NR) ) che il servizio offre

8 Efficienza spettrale L efficienza spettrale η può essere espressa in cui η f = R/W 0 η s = N/M N R R η = = W W 0 N = ηf η M è l efficienza nella frequenza è l efficienza nello spazio L efficienza nella frequenza η f [misurata in (bit/s)/ Hz] dipende dalla capacità del metodo di modulazione di diminuire la larghezza di banda del segnale trasmesso a parità di ritmo binario R trasmesso L efficienza nello spazio η s dipende dalla capacità dello spazio stesso di resistere alle interferenze (ad es. mediante un accorta progettazione delle antenne) s

9 Efficienza spettrale Se gli utenti attivi sono distribuiti uniformemente sull area di servizio, ogni cella si ha lo stesso numero N Q di utenti attivi e quindi N = Q N Q Se si diminuisce la dimensione delle celle, Q aumenta e quindi aumenta anche N se si tiene invariato il numero N Q di utenti (e quindi di canali) attivi per cella Quindi riducendo la dimensione delle celle, si potrebbe servire un numero di utenti ti N comunque grande utilizzando una larghezza di banda W finita

10 Raggio minimo di cella La dimensione della cella non può essere ridotta oltre una soglia minima a causa della mobilità degli utenti La mobilità determina il cambio di cella durante una comunicazione e richiede quindi lo svolgimento della procedura di handover La procedura di handover diviene sempre più critica via via che le celle si riducono di raggio Si definisce quindi un valore minimo di raggio di cella sulla base del quale si consegue l efficienza massima Le interferenze di altri utenti attivi diventano la prima causa limitante della capacità del sistema

11 Tipologie di cella Femtocelle Picocelle Microcelle celle di pochi metri di diametro (entro i limiti di un abitazione) celle di pochi decine di metri di diametro celle di dimensioni dell ordine di poche centinaia di metri di diametro Macrocelle celle con diametri dell ordine del km Spesso la copertura geografica è di tipo misto Una parziale ricopertura dell ordine del 10-20% tra celle adiacenti è essenziale per un buon funzionamento di una rete cellulare

12 Settorizzazione delle celle La capacità di un sistema cellulare, a parità di numero di stazioni radio-base (SRB), può essere aumentata con la settorizzazione delle celle Es. divisione di una cella di forma esagonale in tre o in sei settori Ogni settore è servito da un antenna settoriale Il numero delle celle è moltiplicato per tre o per sei, come lo è il numero delle antenne SRB Il numero delle SRB è rimasto lo stesso, in quanto le antenne settoriali hanno la stessa localizzazione Settore 3 Cella Settore 1 Settore 2

13 Funzioni di base di una rete cellulare Una rete mobile (MN - Mobile Network) comprende sempre una sezione di accesso in cui Il rilegamento di utente utilizza il mezzo radio come supporto trasmissivo (interfaccia radio) Il mezzo radio è una risorsa condivisa Una funzione di accesso rende disponibile un canale sull interfaccia radio all'utente in movimento quando questi ne ha necessità per chiamare o per essere chiamato Funzione di controllo di accesso al mezzo

14 Caratteristiche accesso mobile La risorsa radio è condivisa tra gli utenti di una cella La capacità di smaltimento del traffico in una cella (per esempio, il numero di canali) è normalmente inferiore al numero di utenti presenti in essa I canali radio di una cella devono essere allocati e rilasciati dinamicamente L allocazione e il rilascio del canale radio sono funzioni addizionali rispetto alle funzioni di gestione delle comunicazioni presenti in una rete fissa Occorrono quindi meccanismi di segnalazione per Permettere a un terminale mobile nello stato inattivo di inizializzare una sessione radio, cioè acquisire appropriate risorse radio (funzione di allocazione di un canale radio) Notificare a un terminale mobile la presenza di chiamate entranti (funzione di paging)

15 Funzioni di base di una rete cellulare Oltre alla funzione di accesso, una rete mobile svolge altre tre funzioni fondamentali Selezione della rete/operatore e selezione della cella Identificazione della rete e della stazione radiobase da cui il terminale riceverà servizio Identificazione e autenticazione dell'utente e registrazione Individuazione univoca dell'apparecchio terminale a cui fa capo l'utente mobile, quando questi richiede un accesso Localizzazione Handover Aggiornamento continuo ed automatico, in un'appropriata banca di dati, della posizione dell'apparecchio terminale a cui fa capo l'utente mobile ossia la possibilità per l'utente mobile di mantenere il collegamento con la rete pur nella necessità di cambiare il canale radio a causa del passaggio da un'area ad un'altra adiacente che è caratterizzata da una differente copertura radio Peggioramento della qualità del canale radio

16 Funzioni di network selection e attach Un utente che vuole ricevere servizio deve selezionare preliminarmente la rete di un operatore; il terminale rimane in costante ascolto dell ambiente radio della rete dell operatore selezionato identifica e demodula i segnali emessi con continuità delle stazioni radiobase allo scopo di scoprire l infrastruttura di copertura presente seleziona la stazione radiobase (cella) candidata per tentare un accesso iniziale La registrazione (attach) ha luogo quando la posizione dell utente non sia già nota alla rete (per esempio, quando il terminale dell utente viene acceso) L utente chiede di essere accettato tra gli utenti abilitati a fruire dei servizi messi a disposizione dell operatore, con le limitazioni dovute al contratto di servizio esistente tra utente e operatore

17 Funzione di location update L aggiornamento della localizzazione l ha lo scopo di segnalare alla rete la posizione dell utente affinché sia possibile instradare il traffico destinato ad esso La conoscenza della posizione dell utente deve essere fornita con una risoluzione spaziale frutto di un compromesso m tra accuratezza che diminuisce il carico di segnalazione nel momento in cui si effettua la funzione di paging g carico di segnalazione che è richiesto per aggiornare la localizzazione

18 Funzione di Handover Si effettua questa procedura se una chiamata è attiva al momento in cui il terminale mobile passa dall area area di copertura di una cella ad un altra La procedura necessita di meccanismi di misura della qualità e caratteristiche del canale radio assegnato meccanismi decisionali per definire quale cella è opportuno selezionare di volta in volta come cella servente per la chiamata meccanismi di rilascio e ri-assegnazione del canale radio passando dalla cella attuale e quella nuova L handover deve essere trasparente t all utente t