Systemy komórkowe
1. Topologia sieci komórkowych 1.1. Podstawowe koncepcje Zasadnicza koncepcja budowy sieci radiokomunikacji komórkowej oparta jest na wielokrotnym używaniu tych samych kanałów radiowych w różnych, nie przylegających do siebie obszarach. Dzięki temu, przy stosunkowo niewielkiej liczbie kanałów radiowych można obsłużyć dziesiątki, a nawet setki milionów użytkowników. W praktyce oznacza to, że całkowity obszar geograficzny objęty działaniem sieci (regionu, kraju, czy kontynentu) jest podzielony na podobszary zwane komórkami. W każdej komórce wykorzystywana jest jedna z kilku lub kilkunastu grup kanałów, które zostały wydzielone z pasma przydzielonego dla sieci i ta sama grupa kanałów może być wielokrotnie użytkowana w różnych komórkach, jeśli są one dostatecznie oddalone od siebie, tj., gdy poziom interferencji współkanałowych jest pomijalnie mały. D.Rutkowski
W idealnie płaskim terenie, nie zalesionym i bez zabudowy oraz przy jednorodnych warunkach propagacyjnych granica obszaru zasięgu nadajnika radiowego jest okręgiem o promieniu zależnym od wartości progowej mocy sygnału odbieranego, odpowiadającej akceptowalnej jakości odbioru. W ogólnym przypadku obszar zasięgu wokół nadajnika radiowego można w idealnych warunkach faktycznie podzielić na trzy podobszary, bowiem poza podobszarem (strefa 1 na rys.1) akceptowalnej jakości odbioru można wyróżnić: podobszar (strefę 2 na rys. 1), w którym sygnał użyteczny ma zbyt małą moc, aby umożliwić akceptowalną jakość odbioru, ale jednocześnie ma wystarczającą moc, aby znacząco zakłócać pracę innego systemu funkcjonującego w tym samym paśmie częstotliwości i w tym samym podobszarze podobszar (strefę 3 na rys.1), w którym sygnał użyteczny nie jest praktycznie odbierany i nie zakłóca pracy innego systemu w tym samym podobszarze. Jeśli więc 2 nadajniki i wykorzystują to samo pasmo częstotliwości (wokół częstotliwości nośnej ), to strefa 1 wokół nadajnika musi leżeć poza strefą 2 wokół nadajnika i na odwrót. D.Rutkowski
Rys.1. Strefy pokrycia radiowego wokół nadajnika (stacji bazowej) (a) wyizolowana stacja bazowa; (b) prawidłowe usytuowanie stacji bazowych; (c) usytuowanie stacji bazowych wywołujące interferencje współkanałowe D.Rutkowski
Jeśli strefa 1 nadajnika SB1 znajdzie się w strefie 2 nadajnika SB2, to odbiór w strefie 1 sygnałów nadajnika SB1 będzie zakłócany sygnałami nadajnika SB2, tzn. będą występowały tzw. interferencje współkanałowe. Jeśli więc chcemy pokryć dowolnie duży obszar w sposób spójny zasięgami wielu stacji bazowych, jak ma to miejsce w sieci komórkowej, przy warunku że interferencje współkanałowe będą pomijalne, to w szczególności wspólny obszar pokrycia w strefie 2 (rys. 1b) musi być użytkowany przez stację bazową pracującą w innym pasmie częstotliwości (wokół częstotliwości nośnej f02f01). Biorąc jednak pod uwagę całe otoczenie każdej ze stacji bazowych SB2 i SB1, koniecznych będzie więcej sąsiednich stacji bazowych, z których każda będzie funkcjonowała w innym pasmie (wokół innej nośnej), jak widać to na rys.2. D.Rutkowski
Rys.2. Rozdział obszarowy częstotliwości nośnych i odpowiadających im kanałów radiowych w grupie przylegających do siebie komórek w idealnych warunkach D.Rutkowski
Rzeczywiste obszary pokrycia stacji bazowych są nieregularne Rzeczywiste obszary pokrycia stacji bazowych są nieregularne. Pamiętając o podstawowej koncepcji budowy sieci komórkowych i zakładając dla przykładu, że w sieci zostało wydzielonych 9 grup kanałów, można zrealizować ich przydział poszczególnym komórkom, jak pokazano to na rys.3. Rys.3. Topologia sieci komórkowej z ilustracją wielokrotnego użytkowania tych samych grup kanałów. Gi, i=1,2,,9 (i-ta grupa kanałów w 9-grupowym pęku). Spójny topologicznie zbiór komórek, w których wszystkie grupy kanałów zostały jeden raz wykorzystane, tworzy tzw. pęk komórek (ang. cell cluster). D.Rutkowski
Do celów systematycznego projektowania sieci komórkowych w oparciu o odpowiednie narzędzia programowe, wygodnie jest posługiwać się regularnymi kształtami obszarów komórek. Rys.4. Możliwe wzorce geometryczne komórek. (a) Trójkąty równoboczne; (b) Kwadraty; (c) Sześciokąty foremne D.Rutkowski
(a) K = 3, (b) K = 4, (c) K=7, (d) K = 12 Rys.5. Różne wzorce wielokrotnego użytkowania K grup kanałów w pękach liczących K komórek; (a) K = 3, (b) K = 4, (c) K=7, (d) K = 12 D.Rutkowski
i 3 grupy kanałów (pęk 3-komórkowy Odrębnym zagadnieniem jest właściwy przydział dostępnych kanałów do poszczególnych grup. Rys.6. Ilustracja podziału pasma sieci komórkowej na kanały częstotliwościowe i 3 grupy kanałów (pęk 3-komórkowy D.Rutkowski
Rys.7. Sieć radiokomunikacji komórkowej i jej współpraca z sieciami zewnętrznymi D.Rutkowski
Rys.8. Stacje bazowe umieszczone: (a) w środku komórek, (b) w wierzchołkach D.Rutkowski
z ponumerowanymi grupami kanałów Jednorodna topologia sieci komórkowej złożona z komórek sześciokątnych o jednakowych wymiarach stanowi etap wstępny projektowania, gdyż rzeczywista gęstość powierzchniowa abonentów jest zmienna w dużym zakresie, a ponadto zmienia się stopniowo w czasie, gdy wzrasta liczba abonentów. Dlatego zachodzi potrzeba wprowadzania odpowiednio mniejszych komórek w pewnych obszarach o dużej gęstości abonentów i modyfikacji pierwotnego projektu. Sposób lokalnego doboru topologii w takim przypadku ilustruje rys.9. Rys.9. Rozmieszczenie komórek o zróżnicowanych wymiarach w pęku 7-komórkowym (a) Przykład rozmieszczenia komórek; (b) Położenie stacji bazowych większych komórek z ponumero-wanymi grupami kanałów (c) Położenie stacji bazowych mniejszych komórek z ponumerowanymi grupami kanałów D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.11. Przykład rozmieszczenia komórek w obszarze miejskim i jego otoczeniu. Poszczególne liczby wpisane w komórki oznaczają liczności grup kanałów. D.Rutkowski
1.2. Wyznaczanie liczności pęku komorek Rys.12. Układ współrzędnych przyjęty do rozważania właściwości geometrycznych zbioru sześciokątów foremnych, pokrywających pewien obszar w sposób spójny . D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.13. Przykład wyznaczania komórek współkanałowych oraz liczby komórek w pęku (i=3, j=2) D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.14. Komórki wnoszące interferencje współkanałowe do centralnej komórki 1 D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
2. Inżynieria ruchu radiotelefonicznego D.Rutkowski
Rys.15. Współpraca sieci komórkowej i publicznej sieci telefonicznej PSTN. Uwaga: liczba linii łączących RCK z PSTN jest w praktyce zawsze mniejsza od całkowitej liczby linii łączących RCK ze stacjami bazowymi. D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.17. Ilustracja do równania wiążącego prawdopodobieństwo przejść ze stanów n-1, n oraz n+1 do stanu n w systemie obsługi pokazanym na rys.16a. D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.18. Graf przejść między stanami 01 D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.22. Średnie dobowe natężenie ruchu pomierzone w typowym sterowniku (BSC) sieci GSM D.Rutkowski
D.Rutkowski
3. Efektywność wielooperatorowych sieci komórkowych D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.24. Degradacja efektywności wykorzystania kanałów w funkcji prawdopodobieństwa blokowania D.Rutkowski
4. Miary jakości dostępu użytkowników do usług w sieciach komórkowych D.Rutkowski
D.Rutkowski
5. Efektywność widmowa i pojemność systemówkomórkowych D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
6. Właściwości kanału radiowego w systemie komórkowym 6.1. Wstęp D.Rutkowski
Rys. 25. Przykład rozkładu mocy odebranego impulsu w. cz Rys.25. Przykład rozkładu mocy odebranego impulsu w.cz. po demodulacji w odbiorniku. Dane: nadany impuls w.cz. o czasie trwania 1 msek; miejskie środowisko propagacyjne D.Rutkowski
D.Rutkowski
6.2. Efekt Dopplera D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.26. Ilustracja do wyznaczania zależności przesunięcia dopplerowskiego od kąta między kierunkiem fali padającej i wektorem prędkości stacji ruchomej D.Rutkowski
6.3. Równoważna dolnopasmowa odpowiedź impulsowa kanału D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
Rys.27. Ilustracja powolnej zmienności modułu odpowiedzi impulsowej kanału D.Rutkowski
Rys.28. Ilustracja zmienności modułu odpowiedzi impulsowej kanału niestacjonarnego D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
w przypadku typowego miejskiego środowiska propagacyjnego, Rys.29. Unormowany rozkład mocy średniej prążków odpowiedzi impulsowej RDKR w przypadku typowego miejskiego środowiska propagacyjnego, w którym funkcjonuje system GSM D.Rutkowski
6.4. Transmitancja równoważnego dolnopasmowego kanału radiowego D.Rutkowski
D.Rutkowski
6.5. Krótkookresowy rozkład amplitudy sygnału odbieranego D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski
D.Rutkowski