Descrizione della struttura e delle funzioni di una stazione radio base TACS

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1 c.so Duca degli Abruzzi Torino (Italy) Fax pag. /34 Premessa Il seguente capitolo illustra i principi tecnici fondamentali a cui si ispirano le tecnologie utilizzate per i serivizi di telecomunicazioni per la telefonia mobile di prima, seconda e terza generazione. radio base TACS Il sistema analogico denominato TACS (Total Access Communication System) utilizza la tecnica cosiddetta FDMA (Frequency Division Multiple Access) che consiste nel suddividere la banda assegnata al sistema in un certo numero di porzioni denominate canali, centrate su una frequenza. Dai dati della rete TACS, disponibili per ogni cella, è possibile risalire al numero di frequenze o canali che essa può utilizzare, inoltre è possibile rilevare la massima potenza con la quale le sono irradiate. Quindi la potenza massima teorica con la quale si ipotizza sia alimentata l antenna, si ricava moltiplicando il numero di per la potenza massima di ogni : P = N P Tale condizione si verifica solo quando tutte le sono abilitate contemporaneamente alla conversazione. radio base GSM Il sistema digitale GSM (Global System for Mobile communication) sfrutta una tecnica mista FDMA/TDMA, dove la banda assegnata ad un operatore è suddivisa tra diverse FDMA (Frequency Division Multiple Access), ognuna delle quali è condivisa tra gli utenti con tecnica TDMA (Time Division Multiple Access). La tecnica FDMA consiste nel suddividere la banda assegnata al sistema in un certo numero di porzioni denominate canali, centrate su una frequenza. La tecnica TDMA è caratterizzata dalla ripartizione della risorsa trasmissiva in frazioni temporali denominate time slot. Più utenti possono utilizzare la banda assegnata alla comunicazione in istanti o slot diversi e il sistema opera in modo tale da far sentire la comunicazione continua. In particolare ogni è suddivisa in 8 time-slot, ciascuno dei quali è attribuito ad un utente. Il canale di traffico è quindi identificato da un determinato intervallo di tempo e da una radio. Dai dati della rete GSM, disponibili per ogni cella, è possibile risalire al numero di frequenze che essa può utilizzare; inoltre è possibile rilevare la massima potenza con la quale le sono irradiate. Quindi la potenza massima teorica con la quale si ipotizza sia alimentata l antenna, si ricava moltiplicando il numero di per la potenza massima di ogni :

2 c.so Duca degli Abruzzi Torino (Italy) Fax pag. 3/34 P = N P Tuttavia, è possibile affermare che il valore così ottenuto rappresenta una stima per eccesso della potenza che si avrebbe nelle condizioni di massima emissione della sorgente. Tali condizioni sono particolarmente difficili da verificare in pratica. Per dimostrare tale affermazione è necessario introdurre alcuni semplici concetti relativi alla funzionalità del sistema GSM. Variazione del traffico telefonico. Nella quasi totalità dei casi, i canali di traffico rimangono attivi solo se sono effettivamente occupati da una conversazione, diversamente sono disattivati e quindi non vi è irradiazione di potenza. I canali appartenenti alla medesima dei canali di controllo rimangono anch essi attivi anche in assenza di traffico. Ogni cella avrà quindi una sempre attiva a massima potenza e le altre attive o disattive secondo la richiesta di conversazioni. Controllo di potenza. Tra le funzionalità di rete vi è il cosiddetto PC (Base Tranciever Station Power Control). Attraverso tale funzionalità il sistema può calibrare i livelli di potenza da assegnare a ciascun canale di traffico entro un intervallo predefinito. Questa funzionalità è utilizzata allo scopo di ridurre al minimo i livelli di interferenza tra le celle adiacenti. In prima approssimazione si può affermare che se l utente mobile è vicino alla Stazione Radio il sistema calibrerà la potenza del canale ai valori minimi, diversamente se l utente si trova ai margini di copertura della cella, il sistema cercherà di calibrare la potenza al valore massimo. Trasmissione discontinua. Un altra im funzionalità del GSM è il (Discontinuos Transmission). Sostanzialmente, attraverso tale funzionalità, il sistema è in grado di capire quale dei due interlocutori della conversazione in corso sta parlando ad ogni istante di tempo e attiverà pertanto il canale di trasmissione solo negli istanti in cui l utente, che è raggiunto dalla Stazione Radio, è nella posizione di ascolto. Conclusioni e procedura di valutazione del campo elettromagnetico, adottata per il seguente procedimento. Il valore calcolato con la formula P = N P appare dunque come una estrapolazione puramente teorica, un caso peggiore possibile in via ipotetica, ma che non si può ragionevolmente verificare nel corso della vita dell impianto. La potenza in uscita dalla varia quindi nel tempo a seconda di diversi parametri dipendenti dalle funzionalità implementate su ogni specifico sistema. In generale pertanto si ricorre alla massimazione descritta dalla formula P = N P. Nel caso specifico del GSM, esiste un canale di controllo (BCC) che fornisce indicazioni sulla copertura radio di ogni cella e pertanto la a radiofrequenza associata viene irradiata sempre alla potenza massima specificata da un opportuna classificazione. Le altre vengono trasmesse con una variazione di potenza che dipende, oltre che dal traffico, dalle funzionalità di Controllo di Potenza e di Trasmissione Discontinua. Pertanto, la potenza alla nel caso di massimo traffico (tutti i canali occupati) può essere scritta come:

3 c.so Duca degli Abruzzi Torino (Italy) Fax pag. 4/34 P = P MAX + ( N 1) PMAXα dove: N: Numero di della cella. P MAX : Potenza massima delle della cella. α PC : Fattore cautelativo di variazione di Power Control (<1). α : Fattore cautelativo di variazione di Discontinuos Transmission (<1). In realtà nel sistema GSM ogni cella può essere organizzata secondo due diverse gerarchie di canali: i canali Overlay tipicamente sono dedicati agli utenti che si trovano nelle immediate vicinanze della SRB e che necessitano pertanto di una ridotta potenza trasmissiva; i canali Underlay contribuiscono alla copertura complessiva della cella. In questo caso la Equazione precedenter può essere modificata come segue: P = PUL + [( NUL 1) PUL + N OLPOL (1) dove: N UL : Numero di Underlay. NOL: Numero di Overlay. P UL : Potenza massima delle Underlay. P OL : Potenza massima delle Overlay. Pertanto, Ciononostante, per rispondere ai quesiti di cui al punto c), si è scelto di adottare la tecnica più cautelativa, che prevede di assegnare a tutte le la massima potenza (quella che caratterizza il canale di controllo, BCC). Questo significa che, nella formula precedente, per lo svolgimento delle misure di cui al punto c), si assumono: N UL = N N OL = 0 α PC = 1 α = 1 Per quanto riguarda la valutazione dei campi elettrico e magnetico, poiché il modulo di questi ultimi è legato alla radice della potenza irradiata dall antenna, le formule di cui sopra diventano le seguenti: E = = [ UL UL OL OL [ NUL 1 UL + NOL OL ( E ) + ( N 1 )( E ) + N ( E ) UL ( ) + ( )( ) ( ) UL Operativamente, con le assunzioni cautelative descritte precedentemente, i campi elettrico e magnetico complessivi potranno essere dedotti secondo le seguenti formule: E = N E BCC = N BCC

4 c.so Duca degli Abruzzi Torino (Italy) Fax pag. 5/34 radio base UMTS Il sistema UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) utilizza la tecnica CDMA (Code Division Multiple Access): gli utenti trasmettono alla stessa frequenza e nello stesso istante. La separazione dei vari utenti è ottenuta assegnando a ciascuno un codice (o sequenza) diverso. Le sequenze sono utilizzate per codificare in modo univoco l informazione d utente da trasmettere, in modo da poterla distinguere da quella degli altri utenti. Anche questo sistema consente di definire una potenza massima di dell antenna, che corrisponde alle condizioni di massima emissione (massima potenza in uscita dallo stadio RF). La capacità del sistema, in presenza di codici ortogonali disponibili, può essere limitata proprio dalla massima potenza disponibile: la potenza viene assegnata ad ogni utente in funzione del servizio richiesto (e in particolare del bit-rate dello stesso) e della sua posizione rispetto alla stazione radio base servente e rispetto a quelle adiacenti. Anche nel sistema UMTS le funzionalità di power control e di downlink contribuiscono a minimizzare la potenza trasmessa per la singola connessione. In particolare, i meccanismi di power control sono ancora più rapidi di quelli implementati nel GSM, con un controllo effettuato 1500 volte al secondo. La condizione di blocco, che è quella di interesse per valutare la potenza massima di una SRB, è determinata dall impossibilità di fornire potenza ai clienti che richiedono un servizio, e corrisponde quindi al raggiungimento della massima emissione. In realtà, al fine di consentire il corretto funzionamento del sistema garantendo la possibilità di variare la potenza per i clienti che hanno già una connessione attiva, esistono procedure di admission control che prevedono il rifiuto di nuove richieste quando si raggiunge una soglia percentuale prefissata S della potenza massima disponibile (in fase di definizione). Statisticamente, su un intervallo di 6 minuti, una valutazione comunque cautelativa della potenza trasmessa da una singola cella può quindi essere espressa in funzione della soglia S: P = P max * S Il progetto radio tenderà poi ad un ulteriore minimizzazione della potenza P: un tipico obiettivo di progetto per la rete radio potrà prevedere, ad esempio, di impiegare al massimo una certa percentuale della potenza P nei picchi di massimo traffico. Ovviamente, anche il sistema UMTS è generalmente inferiore alla potenza massima. Infine, il sistema UMTS può prevedere un meccanismo di TX diversity, che consiste nella possibilità di trasmettere in downlink lo stesso segnale (solitamente a meno del canale pilota, CPIC) utilizzando due antenne differenti, orientate nella stessa direzione: è necessario sottolineare che questo non comporta necessariamente un aumento della potenza trasmessa. Infatti, in un implementazione tipica, la stessa potenza disponibile sarebbe suddivisa sui due rami di trasmissione: rispetto al caso di assenza di TX diversity, però, la potenza richiesta per il singolo canale risulta ridotta grazie ad una maggiore efficienza in ricezione.

5 c.so Duca degli Abruzzi Torino (Italy) Fax pag. 6/34 Riepilogo basilare sulle caratteristiche tipiche delle stazioni radiobase di prima, seconda e terza generazione Sistema Banda Down- Banda Up- Link (Mz) Occupazion e spettrale Potenza Tipica Potenza Tipica Link dei canali Microcella Macrocella (Mz) (Mz) (dbm) (dbm) TACS , ,8 0,05-43 E-GSM , GSM GSM (DCS) UMTS (FDD)