Wykład 5: Systemy komórkowe

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

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

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

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

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

Rozmieszczenie stacji bazowych Nieprawidłowe Prawidłowe BTS1 BTS2 BTS1 BTS2 dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014

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

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

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

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

dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie Pożyczanie kanałów Statyczne – na etapie planowania Dynamiczne – zmiany następują w zależności od obciążenia poszczególnych elementów systemu dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014

Zmniejszanie rozmiaru komórek Najczęściej stosowany sposób Możliwość wykorzystania tych samych częstotliwości na mniejszym obszarze dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014

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

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

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

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

Systemy o architekturze komórkowej Najbardziej popularne GSM/UMTS/LTE setki stacji bazowych zjawiska roamingu i handoveru złożone mechanizmy utrzymania i aktualizowania informacji pozycyjnej dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014

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

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

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

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

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

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

Mapa BTS-ów w okolicy Leszna dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014

Mapa BTS-ów LTE w okolicy Leszna dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014

dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie Dziękuję za uwagę dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014