Coperture cellulari. Marco Listanti. Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 2008/2009. INFOCOM Dept

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1 Coperture cellulari Marco Listanti Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

2 Indice Le reti cellulari Architettura di una rete cellulare Coperture cellulari Motivazioni Il canale radiomobile Cenni di dimensionamento Il GSM Le WLAN Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

3 Risorse e requisiti (/) Una rete cellulare nell accesso radio è caratterizzata da la porzione di spettro assegnata al servizio (B) l area di copertura (A), cioè la porzione di spazio (superficie) nella quale è disponibile l accesso ai servizi offerti dalla rete I servizi richiedono tipicamente comunicazioni bidirezionali, non necessariamente simmetriche Uplink (reverse channel): il verso dal TM all infrastruttura fissa Downlink (forward channel): il verso dall infrastruttura ai TM La porzione di spettro disponibile per l accesso radio è quindi condivisa dai terminali mediante tecniche di accesso multiplo Assegnazione statica Assegnazione dinamica Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

4 Risorse e requisiti (/) Scopo della pianificazione dell accesso radio di una rete cellulare, è sostenere il traffico offerto nell area di servizio con fissati requisiti di qualità di servizio Probabilità di blocco o caduta di chiamate Ritardo, probabilità di successo di consegna dei pacchetti Portata media Probabilità di copertura entro prefissati requisiti di BER o SNR La soluzione va cercata con l obiettivo di minimizzare una funzione di costo della rete stessa costi proporzionali al traffico da sostenere (per es. numero di ricetrasmettitori con cui equipaggiare ogni sito di antenna) costi non direttamente proporzionali al traffico (per es. il costo dell installazione di un sito) Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

5 Efficienza e ri-uso spaziale 5 η c = (num. tot. canali disponibili in A)/(A*B) [canali/km /Hz] η t = (intensità media del traffico smaltito in A)/(A*B) [Erlang/km /Hz] η c è un efficienza statica, espressione della capacità potenziale offerta dalla pianificazione della rete cellulare η t tiene conto della variabilità temporale e spaziale del traffico offerto La chiave per ottenere un elevata efficienza con un insieme limitato di risorse radio al crescere dell area di copertura, sta nel concetto di ri-uso spaziale delle risorse radio Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

6 Il concetto di cella (/) 6 L area di copertura di un PA è limitata, fissati il valore massimo della potenza trasmissiva (limitata da fattori sia tecnologici sia regolatori sia di interferenza) l attenuazione del segnale e in generale le degradazioni introdotte dal canale radiomobile Il requisito di BER ovvero di SNR della comunicazione Proprio questo effetto può essere utilizzato per attribuire gli stessi canali a PA sufficientemente distanti E proprio questo riuso spaziale a mantenere elevata l efficienza al crescere dell area A, ovviamente al prezzo di realizzare una capillare infrastruttura fissa L area coperta da un singolo PA prende il nome di cella Il medesimo concetto di riuso spaziale vale tanto nelle reti geografiche quanto in quelle locali (WLAN) Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

7 Il concetto di cella (/) 7 Il concetto di cella non fa riferimento a dimensioni geografiche precise, dato che l area di copertura di un PA dipende da potenza massima erogata in trasmissione caratteristiche del canale radio sensibilità dei ricevitori, fissati i vincoli di qualità trasmissiva Si usa parlare di pico-celle per celle di pochi metri di diametro micro-celle per celle di dimensioni dell ordine di poche centinaia di metri di diametro macro-celle per celle con diametri dell ordine del km Una parziale ricopertura dell ordine del 0-0% tra celle adiacenti è essenziale per un buon funzionamento di una rete cellulare Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

8 Ri-uso spaziale (/) 8 Le stesse risorse radio possono essere usate in celle sufficientemente distanti Sufficientemente = l interferenza reciproca è tollerabile Interferenza segnale sovrapposto a quello desiderato nel punto di ricezione e da esso non separabile (completamente) Se due segnali x(t) e y(t) si sovrappongono in un mezzo lineare, il ricevitore rivela r(t)=x(t)+y(t); se x(t) e y(t) sono ortogonali in qualche dominio (tempo, frequenza, codice, ) essi sono separabili esattamente Tollerabile il disturbo additivo prodotto dall interferenza rispetta i limiti di SNR (o BER) fissati come requisito Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

9 Interferenza 9 Infrastructured network A B Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009 Ad-hoc (flat) network

10 Ri-uso spaziale (/) 0 Ad ogni cella sono assegnate risorse radio almeno una porzione di spettro attorno a una frequenza portante, che può a sua volta multiplare più comunicazioni Ad una cella può essere assegnata una frazione o anche tutta la porzione di spettro disponibile ad un operatore per una data rete Esempio del primo caso: GSM, GPRS (accesso FDMA/TDMA) Esempio del secondo caso: IS-95, UMTS (accesso CDMA) In ogni caso, il limite superiore al numero e capacità delle comunicazioni gestibili dal sistema dipende dalla quantità di risorsa radio disponibile al sistema dall interferenza delle comunicazioni contemporanee, in particolare quelle che ri-usano le medesime risorse radio in celle diverse Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

11 Pianificazione L assegnazione delle risorse radio può essere Statica pianificazione secondo la strategia Fixed Channel Allocation, FCA Dinamica strategie di Dynamic Channel Allocation, DCA La FCA pianifica l assegnazione delle risorse in base a una caratterizzazione di caso peggiore del canale radiomobile e del traffico La DCA può adattarsi alla variabilità temporale dell interferenza e del traffico Può portare però a soluzioni sub-ottime, nel caso di decisioni autonome dei PA (ottimo=maximum packing del ri-uso delle risorse radio) Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

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13 Effetti della propagazione Le caratteristiche di propagazione del canale radio sono funzione della banda di frequenza nella quale si opera (tipicamente intorno a o GHz) dell ambiente di propagazione (rurale, con visibilità del percorso diretto, sub-urbano, urbano) I fenomeni che caratterizzano la risposta del canale radio sono l attenuazione dovuta alla distanza d, che varia con legge del tipo d a, con a compreso tra e 5 la riflessione la diffrazione Raggio rifratto Raggio riflesso Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

14 Attenuazione deterministica (/) Il segnale radio si attenua con la distanza dalla sorgente Nello spazio libero la potenza ricevuta P R in funzione della potenza trasmessa P T èdata da P R =WA, dove W è la densità di potenza ricevuta A è l area efficace dell antenna ricevente Risulta A=G R λ /(π) e W=P T G T /(πd), dove G T e G R sono i guadagni di antenna (= per antenne isotrope): ( ) λ P d = P G G R T T R πd In unità logaritmiche, l attenuazione deterministica L è L = 0log 0 f (MHz) + 0log 0 d (m) -G T -G R - 7,56 + M f [db] Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

15 Attenuazione deterministica (/) 5 In un ambiente terrestre con ostacoli il valore medio della potenza ricevuta è attenuato con una potenza d α della distanza lineare, con α tipicamente tra,5 e 5 P ( d ) = P ( d0) 0α log0( d d0)[ dbm] L attenuazione è spesso bene approssimata con una legge del tipo (antenne isotrope, 0 margine per fading) L = 0log 0log 0 0 f f ( MHz ) ( MHz ) + 0log + 0log 0 0 ( d ) 7,56 ( d ) + 0α log 0 0 ( d d ) 0 7,56 m d d d d 0 0 Esempi Per f=ghz, a distanza d 0 =5 m si ottiene L=6, db Per f=ghz, a distanza d=500 m con d 0 =5 e α= si ottiene L=6, db Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

16 Multipath 6 Oltre ad influire sull esponente dell attenuazione con la distanza, riflessioni e rifrazioni creano una molteplicità di percorsi tra sorgente e ricevitore (multipath) Il multipath è funzione delle caratteristiche geometriche ed elettromagnetiche dei materiali dell ambiente di propagazione) La zona coperta da un sito di antenna è descrivibile in termini aleatori: essa rappresenta il luogo dei punti dello spazio in cui la qualità trasmissiva del segnale ricevuto soddisfa i requisiti (di livello, di SNR, di BER, ) L appartenenza di un punto ad una cella è funzione delle coordinate del punto, rispetto a quelle del sito di antenna e della variabilità temporale dell ambiente di propagazione Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

17 Fading 7 Il movimento dei TM traduce la variabilità spaziale della copertura in variabilità temporale Fading lento (shadowing) Fading veloce potenza Fast fading Slow fading distanza Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

18 Fading veloce (/) 8 Il segnale ricevuto è la somma di segnali che hanno percorso cammini diversi In assenza del percorso diretto tra sorgente e ricevitore (Line Of Sight, LOS), l inviluppo del segnale ricevuto può essere modellato con una distribuzione di Rayleigh p ( r ) r = re r σ σ p r (r) r : ampiezza istantanea del segnale inviluppo σ : varianza del segnale inviluppo 0 σ r Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

19 Fading veloce (/) 9 Il fast fading è selettivo in frequenza; l effetto nel dominio del tempo è un ritardo differenziale tra le componenti del segnale che hanno seguito cammini diversi Il fenomeno si può modellare con la curva power delay P ( τ ) = σ δ ( τ k = dove σ k è la potenza della risposta impulsiva e T k il ritardo di propagazione del cammino k-esimo Un parametro sintetico è il delay spread che misura la durata ricevuta di un impulso ideale Valori tipici variano da frazioni di μs a qualche μs M k T k ) Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

20 Fading lento 0 Lo slow fading o shadowing è una variazione della potenza ricevuta dovuta all effetto di ombreggiamento degli edifici o altri ostacoli presenti nell ambiente Misure sperimentali indicano che un modello semplice ma adeguato della potenza ricevuta (espressa in dbm) a distanza d da un PA è P ( d ) = P ( d0) 0α log0( d d0) + X (0, σ ) dove X(0,σ) è una variabile aleatoria gaussiana a v.m. nullo e varianza σ ; le potenze sono espresse in db Lo shadowing è quindi modellato con una distribuzione log-normale La variazione spaziale della potenza media diviene variazione nel tempo a seguito del movimento del TM Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

21 Link Budget Il link budget di un collegamento radiomobile può essere formulato come segue Loss (db) = Mean path loss (db) + Slow fading margin (db) + Fast fading margin (db) Potenza trasmessa Mean path loss Slow fading margin Fast fading margin Mobile Base station % - % Potenza ricevuta % - % Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

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23 Dimensioni della cella (/) Le dimensioni di una cella dipendono da due fattori Portata Interferenza La portata è la distanza raggiungibile dal campo e.m. emesso da un PA entro la quale la qualità del segnale ricevuto da un TM mantiene il livello minimo richiesto dalle specifiche (per es. un SNR minimo) L interferenza è la quota parte di segnale indesiderato ma non separabile da quello voluto al ricevitore E una conseguenza del fatto che lo spettro radio è condiviso da molti trasmettitori (TM e PA); la collisione è una forma estrema di interferenza E spesso dominante nel determinare le prestazioni dell accesso radio Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

24 Dimensioni della cella (/) La portata di una cella isolata dipende da la potenza di picco erogata dal trasmettitore le caratteristiche di propagazione del canale radio Altri parametri dell accesso multiplo (per esempio intervalli temporali di guardia tra burst radio successivi emessi da diversi TM verso lo stesso PA) L interferenza in un sistema cellulare dipende da I livelli di potenza impiegati in trasmissione dalle comunicazioni interferenti Le caratteristiche del canale radio tra trasmettitore e ricevitore disturbato; La ri-utilizzazione delle medesime risorse radio nel segmento di accesso della rete cellulare, funzione della pianificazione e del traffico (interferenza co-canale) Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

25 Modello di costo (/) 5 Consideriamo il costo per Erlang di un accesso cellulare in funzione della densità di traffico (Erlang/km ) Costo/Erlang (scala log) Area della cella limitata dalla portata A Area della cella limitata dall interferenza B C Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009 Erlang/km (scala log)

26 Modello di costo (/) 6 Il costo si può dividere in una parte proporzionale al traffico (per la quale il costo rapportato agli Erlang è una costante) e una parte dipendente dal numero di siti Si può ritenere che la seconda componente sia proporzionale al numero di siti Con riferimento al grafico precedente, si distinguono tre situazioni A: la dimensione delle celle è limitata dalla portata A causa della bassa densità di traffico si cercherà di pianificare con celle di dimensioni le massime possibili Il valore tipico dei raggi delle celle in questa situazione è dell ordine di una o poche decine di km Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

27 Modello di costo (/) 7 (segue) B: le celle lavorano a carico massimo La loro dimensione viene diminuita al crescere della densità di traffico per mantenere il carico sul livello massimo consentito dall interferenza dovuta al riuso spaziale Le celle in questa situazione hanno raggi dell ordine del km C: le caratteristiche di propagazione sono tali da far aumentare rapidamente l interferenza Occorre aumentare la distanza di ri-uso e questo fa diminuire il numero di risorse radio assegnabili ad ogni cella Diventa rapidamente più difficile e costoso reperire nuovi siti di antenna e connetterli al resto della rete cellulare Le celle in questa situazione hanno raggi inferiori a -00 m Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

28 riassumendo 8 La dimensione minima delle celle dipende da efficienza di utilizzo dello spettro carico di segnalazione (handover) velocità degli utenti mobili costo degli impianti La dimensione massima dipende da considerazioni di potenza (ma non solo ) Esempio: dimensione delle celle nel sistema GSM dimensione minima 00 metri dimensione massima 5 km Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

29 Capacità di un sistema cellulare 9 La capacità di un sistema cellulare può essere aumentata aumentando il numero delle frequenze portanti o la banda ad esse associata maggiore occupazione spettrale aumentando il riuso delle frequenze diminuendo il diametro delle celle (maggior numero di handover) diminuendo la potenza in trasmissione La capacità di un sistema cellulare dipende dal numero totale di canali radio dalle dimensioni delle celle dalla distanza di riuso delle risorse radio Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

30 Distanza di riuso 0 La distanza di riuso delle frequenze dipende la geografia del terreno dall altezza dell antenna dalla potenza trasmessa Modelli di celle Celle ideali Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009 Modello esagonale (nessuna sovrapposizione) Celle reali

31 Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009 Cluster di riuso Il cluster di riuso è l insieme compatto delle celle che usano risorse radio distinte K = numero di celle del cluster D K = 5 R R R D = + = D R K = 7 R R D = =

32 Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009 Chi interferisce? Esempio con cluster di celle

33 Cluster e distanza di riuso (/) Nel caso di celle esagonali i possibili valori di K sono dati dalla serie dei numeri rombici K {,,, 7, 9,,..} cioè numeri del tipo i +j +ij, con i e j interi non negativi La distanza di riuso D è data da D = R K K D.6 R 7.58 R 6.00 R Occorre scegliere il minimo valore di K in modo da soddisfare i vincoli di interferenza Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

34 Cluster e distanza di riuso (/) Area del cluster di riuso D D A cluster = 6 = D Area della cella A cella = 6 R R = R D Rapporto K = A cluster A cella = D R Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

35 Distanza di riuso e SIR (/) 5 La distanza di riuso D può essere valutata applicando la legge di propagazione con attenuazione deterministica Nel caso di due celle si ha Potenza segnale utile Potenza P o R D R Potenza P o C = cost R α Rapporto segnale/interferente Potenza segnale interferente I = cost D α C R = I D α Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

36 Distanza di riuso e SIR (/) 6 Nel caso di modello di cella esagonale si hanno 6 celle interferenti nel primo livello (si trascura l interferenza delle celle di secondo livello) Rapporto segnale/interferente C = I R 6 k = α D α = 6 D R α γ K Supponendo un valore limite di γ di 9 db (7.9) (GSM) si ha D =.69 D K =. R R / α ( 6γ ) Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

37 Esempio di dimensionamento (/) 7 Il raggio R di una cella può essere determinato in base alle prestazioni dal punto di vista del traffico probabilità di blocco Π (normalmente < %) I dati di ingresso sono: il numero di utenti U per cella la percentuale β di utenti attivi nell ora di punta il numero di chiamate nell ora di punta N = β. U durata media delle chiamate T (minuti) l intensità media del traffico offerto A per cella (in erlang) A = N. T/60 La probabilità di blocco è data dalla formula B di Erlang I vincoli sul SNR e le caratteristiche del canale radio determinano la distanza di riuso, la dimensione del cluster e quindi il numero di canali per cella Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

38 Esempio di dimensionamento (/) 8 Esempio: numero m di canali per cella m = 0 Max valore di A con il vincolo Π < % A =.9 Erl numero massimo N di utenti per cella N = / (β. T) assumendo T =.76 min e β = 0.6 N In una cella di raggio R la densità massima δ di utenti è data da δ = /(πr ) Assumendo che la densità di utenti è δ = 600 utenti/km si ha R = 97,5 m Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

39 Settorizzazione 9 Diminuisce l interferenza usando antenne direttive e dividendo una cella in settori In ogni settore sono utilizzate frequenze diverse Si può trascurare l effetto interferente di alcuni PA Aumenta la frequenza di handover Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

40 riassumendo 0 Per l efficienza di una rete cellulare possiamo scrivere η = Num_Can/(BW x Area_Cella x Dim_Clu) [Canali/Hz/km ] L efficienza può essere aumentata aumentando il numero dei canali radio, Num_Can, a parità di banda, BW, impiegata Maggiore efficienza spettrale della modulazione e dello schema di accesso multiplo aumentando il riuso delle frequenze diminuendo il diametro delle celle (diminuisce Area_Cella) diminuendo il requisito di C/I in ricezione (diminuisce Dim_Clu) Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009

41 Copertura cellulare e mobilità Handover Location area (in azzurro) Cluster di riuso Location updating Cella Reti cellulari - Prof. Marco Listanti - A.A. 008/009