Wykład 5: Systemy komórkowe

Systemy mobilneSystemy mobilne

dr inż. Marek MikaPaństwowa Wyższa Szkoła Zawodowaim. Jana Amosa Komeńskiego w Lesznie

Wykład 5: Systemy komórkowe

Plan

© 2014 2dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

Rozwiązania klasyczne

• Nadajnik o dużej mocy o zasięgu do kilkudziesięciu kilometrów• Wady:

– duża emitowana moc wymagająca odpowiedniej infrastruktury

– duże rozmiary terminali wynikające z zapotrzebowania na moc potrzebną do połączeń z dużej odległości

– szybsze zużywanie źródeł zasilania terminali

– wpływ na zdrowie użytkowników

– istotne skutki awarii – brak redundantności – całkowity przestój pracy systemu

– ograniczone pasmo częstotliwości nieduża liczba kanałów mała pojemność systemu

• Zapotrzebowanie dużo większe niż kilku użytkowników na terenie miasta korzystających jednocześnie z systemu wymusiło prace nad nowymi rozwiązaniami

© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 3

Mechanizm „frequency re-use”

• Nie można wykorzystać tych samych częstotliwości w dwóch nadajnikach o (częściowo) nakładającym się zasięgu:

– zjawisko interferencji współkanałowych– w efekcie gorsza jakość lub niedostępność usługi

• Te same częstotliwości można wykorzystać w nadajnikach o niepokrywającym się zasięgu

– nadajniki małej mocy– mniejszy zasięg– większa liczba nadajników– większa liczba obsługiwanych użytkowników

• Podział obszaru na mniejsze części zwane komórkami

• Problem doboru częstotliwości podobny do problemu kolorowania grafu


Wady architektury komórkowej

• Infrastruktura:– bardzo złożona– kosztowna budowa– kosztowne utrzymanie

• Problem z przemieszczającymi się użytkownikami• Skomplikowana aktualizacja położenia użytkowników• Szybko przemieszczający się użytkownicy szczególnie w

komórkach o małych rozmiarach (centra dużych miast) – duża liczba przełączeń

• Konieczność zapewnienia mechanizmów gwarantujących ciągłość połączenia przy zmianie komórek


Strefy pokrycia radiowego• Obszar wokół nadajnika radiowego można podzielić na trzy strefy:

– dobrej słyszalności– zakłóceń dla innych systemów pracujących na tych samych częstotliwościach– pomijalnego sygnału

• Rozmiar i granice poszczególnych stref nie są ściśle zorganizowane i są raczej kwestią umowną

– granicą strefy dobrej słyszalności jest graniczna wartość sygnału przy odpowiedniej jakości transmisji

– granicę strefy zakłóceń wyznacza się eksperymentalnie badając wpływ zakłóceń na transmisję w sąsiednich komórkach (interferencje współkanałowe)


strefa dobrej słyszalności

strefa zakłóceń

strefa pomijalnego sygnału

Rozmieszczenie stacji bazowych

Nieprawidłowe Prawidłowe


f1 f1 f1 f1

BTS1 BTS1BTS2 BTS2

Rozmieszczenie stacji

• Konieczność zachowania ciągłości obszaru komórkowego pomiędzy stacjami pracującymi na tej samej częstotliwości

• Należy umieścić pomiędzy nimi co najmniej jeden nadajnik pracujący na innych częstotliwościach

• Efekt – uniknięcie interferencji współkanałowych i zapewnienie oczekiwanej jakości transmisji


f1 f1

f2

f3

Wiązki kanałów częstotliwościowych• Pasmo komórkowe – podzielone na kanały częstotliwościowe (FDMA)

• Kanały częstotliwościowe – często dzielone na szczeliny czasowe (TDMA)

• Kanały częstotliwościowe łączy się w wiązki:– jedna stacja bazowa może pracować na kilku częstotliwościach– wiązka składa się z częstotliwości położonych odpowiednio daleko od siebie –

unikanie interferencji w ramach jednej stacji bazowej– tej samej wiązki można używać w różnych komórkach odpowiednio od siebie

oddalonych


f3f1 f2 f4 f5 f6 f7 f10f8 f9 f11f12 f13f14 f17f15f16 f18f19 f20f21 f24f22f23 f25f26 f28f28

pasmo komórkowe

wiązka 1 wiązka 2 wiązka 3 wiązka 4

wiązka 1

wiązka 3

częstotliwość

Grupy komórek• Obszar działania systemu podzielony na

sześciokątne obszary odpowiadające komórkom• Komórki wykorzystujące te same wiązki kanałów

oznaczono tym samym numerem a grupy komórek tym samym kolorem

• Parametr N oznaczający liczność grupy komórek– determinuje odległość pomiędzy komórkami

korzystającymi z tej samej wiązki kanałów– dla dużej wartości N:

• wzrasta odległość między stacjami bazowymi stosującymi tę samą wiązkę przez co maleje prawdopodobieństwo wystąpienia interferencji

• maleje liczba kanałów częstotliwościowych przypadających ba jedną komórkę (stały iloczyn N

i liczby kanałów)

– prawidłowy dobór N jest wynikiem kompromisu

i jedną z ważniejszych decyzji na etapie projektowania systemu


1

32

1

32

1

32

1

32

1

32

1

32

1

32

53

1

64

9

102

7

8

53

1

64

9

102

7

8

53

1

64

9

102

7

8

53

1

64

9

102

7

8

53

1

64

9

102

7

8

Pojemność systemu

• Definicja – sumaryczna liczba kanałów rozmownych przypadających na jednostkę powierzchni

• Rosnąca liczba abonentów wymusza ciągłe zwiększanie pojemności systemu

• Różne sposoby zwiększania pojemności systemu:– pożyczanie kanałów z sąsiednich komórek– przydział nowych częstotliwości– podział komórek na sektory– inne metody dostępu do medium– zmniejszanie wielkości komórek


Pożyczanie kanałów

• Statyczne – na etapie planowania• Dynamiczne – zmiany następują w zależności od

obciążenia poszczególnych elementów systemu


- pożyczam - - oddaję -

Zmniejszanie rozmiaru komórek

• Najczęściej stosowany sposób• Możliwość wykorzystania tych samych częstotliwości na

mniejszym obszarze


41

12

34

34

1

12

34

34

1

12

34

3

12

23

41

44

2

13

21

4

Pozostałe sposoby

• Przydział nowego pasma częstotliwości– bardzo rzadko– kosztowne– czasami niemożliwe

• Podział komórek na sektory– zamiast anten dookólnych stosuje się podział na sektory– w danym sektorze można wykorzystać wiązkę kanałów

stosowaną w innym sektorze tej komórki

• Inne metody dostępu do medium– TDMA– CDMA


Wielkość komórki• Parametr o elastycznym charakterze• Według normy w systemie GSM zasięg komórki może sięgać 36 km• W zależności od potrzeb stosuje się komórki o różnych rozmiarach:

– kilometry – na słabo zaludnionych terenach wiejskich

– setki metrów – na terenach podmiejskich

– dziesiątki metrów – na gęsto zaludnionych terenach aglomeracji miejskich

• Podczas projektowania sieci istotne znaczenia mają pomiary bieżącego ruchu, czy też obserwacje kierunków rozbudowy terenów miejskich


Zmniejszanie komórek

• Zalety– większa pojemność systemu

• mniejsza zajętość systemu pewniejszy dostęp• większa liczba abonentów teoretycznie możliwe

obniżenie kosztów usługi

– nadajniki o mniejszej mocy• mniej pojemne źródła zasilania w urządzeniach

mobilnych• mniejsze rozmiary urządzeń mobilnych• mniejsza moc fal mniejszy wpływ na zdrowie


Zmniejszanie komórek

• Wady– większa liczba komórek

• potrzeba instalacji nowych BTS-ów• wzrost nakładów na infrastrukturę• wzrost kosztów użytkowania

– wzrost częstości aktualizacji położenia• szybkie przemieszczanie pomiędzy komórkami (są

małe) większa liczba komunikatów sygnalizacyjnych w strategii Inform

• niezbędna inwestychja w bardziej pojemne łącza


Systemy o architekturze komórkowej

• Najbardziej popularne GSM/UMTS/LTE– setki stacji bazowych– zjawiska roamingu i handoveru– złożone mechanizmy utrzymania i aktualizowania

informacji pozycyjnej


Systemy o architekturze komórkowej - Mobitex

• wolna transmisja na odległość do kilkudziesięciu kilometrów

• stacje bazowe połączone z centralą

• sieć pakietowa (przed wysłaniem informacji do stacji bazowej następuje podział na pakiety)

• przesyłanie pomiędzy stacjami bazowymi odbywa się po stałym łączu

• algorytm ALOHA

• roaming

• usługi:– transmisja danych

– możliwość tworzenia grup użytkowników

– transmisja sygnału alarmowego

– usługa „skrzynka pocztowa”


Systemy o architekturze komórkowej – Wi-Fi

• Punkty dostępowe Wi-Fi tworzą komórki• Komórki mogą mieć rozmiar od kilku metrów do

kilkunastu kilometrów• Klient ma możliwość migracji• Roaming


Systemy o architekturze komórkowej – Bluetooth

• Punkty dostępowe BT tworzą komórki• Komórki mogą mieć rozmiar od 10 (pikokomórki

obsługujące do 8 urządzeń) do 100 metrów• Klient ma możliwość migracji• Roaming


Systemy o architekturze komórkowej – Iridium

• 66 satelitów na niskich orbitach• Satelity wyposażone w anteny wielowiązkowe (48 wiązek) –

stanowią stacje bazowe komórek• Pełne pokrycie na całej Ziemi do wysokości 160 km (możliwa

łączność z samolotami)• Problemy takie jak w innych systemach komórkowych• Rozwój GSM zahamował rozwój systemu Iridium


Roaming

• Roaming polega na przechodzeniu terminala pomiędzy punktami dostępowymi lub stacjami bazowymi znajdującymi się na jego trasie ruchu

• W skrócie można powiedzieć, że terminal przerywa współpracę ze stacja, której sygnał słabnie i nawiązuje ze stacją o silniejszym sygnale

• Roaming krajowy polega na płynnej zmianie sieci operatora w tym samym kraju, pozwalający abonentom sieci A na używanie infrastruktury sieci B, tam gdzie jego operator nie może mu zapewnić dostępu do usług

• Roaming międzynarodowy polega na korzystaniu z infrastruktury operatora w innym kraju, z którym nasz macierzysty operator ma podpisaną umowę roamingowa.

•


Handover

• Przełączenie terminala użytkownika z jednej stacji bazowej do innej w czasie trwania polaczenia

• Wyróżnia się kilka rodzajów takiego przełączenia:– pomiędzy stacjami bazowymi – przy zmianie komórki

(nawiązanie współpracy z nowa stacja bazowa)– pomiędzy sektorami w ramach jednej stacji bazowej – jest to

związane ze zmiana kanału częstotliwościowego przy zmianie sektora

– w ramach jednej stacji bazowej – przełączenie na inny kanał rozmówny, w celu polepszenia warunków transmisji. Warunki propagacji na różnych kanałach mogą się na tyle różnić, że następuje próba przełączenia


Mapa BTS-ów w okolicy Leszna


Mapa BTS-ów LTE w okolicy Leszna


Dziękuję za uwagę


Wykład 5: Systemy komórkowe

Documents