Systemy komórkowe Wykład prowadzi: Mikołaj Sobczak 1
Rozwizanie klasyczne Rozwizanie klasyczne - nadajnik o duej mocy pokrywajcy swym zasigiem znaczny obszar Dua emitowana moc Due terminale kocowe Powane skutki awarii Pasmo nie jest z gumy Mała pojemno systemu Systemy komórkowe(2) W pierwszych systemach publicznej telefonii, podobnie troch jak w dzisiejszych systemach dyspozytorskich, próbowano stosowa jeden nadajnik o duej mocy o zasigu kilkudziesiciu kilometrów. Rozwizanie takie ma duo wad. Dua emitowana moc wymaga budowy odpowiedniej infrastruktury, dua moc nadawcza musi take charakteryzowa terminale, by mogły połczy si z odpowiedniej odległoci. Powoduje to zwikszenie ich rozmiarów, szybsze zuywanie ródeł zasilania oraz wikszy wpływ na nasze zdrowie. W przypadku awarii takiego nadajnika i braku systemu redundantnego moe doj do całkowitego przestoju w pracy sieci. Pasmo nie jest nieograniczone, wic niedua liczba kanałów czstotliwociowych powoduje bardzo mał pojemno systemu. Zapotrzebowanie jest znacznie wiksze, ni kilku abonentów rozmawiajcych jednoczenie w całym miecie, tote rozpoczto prac nad nowymi architekturami. 2
Frequency reuse Moliwo wykorzystywania tej samej czstotliwoci w nadajnikach oddalonych od siebie przykład podział sal wykładowych ponowne wykorzystanie zasobu odpowiednie rozmieszczenie stacji Systemy komórkowe(3) Rozwizanie polega na podziale obszaru na mniejsze czci, czyli komórki, kad z nadajnikiem małej mocy. Najwaniejsz zalet architektury komórkowej jest moliwo ponownego wykorzystania tej samej czstotliwoci w komórkach od siebie oddalonych (ang. Frequency reuse). Na tym samym obszarze geograficznym, ale w innych komórkach, wykorzystujc to samo pasmo mona zapewni jednoczesne połczenia wikszej liczbie abonentów. Oczywicie nie mona uywa tych samych czstotliwoci w ssiadujcych komórkach. Mog wtedy bowiem wystpi interferencje współkanałowe, pogarszajce jako wymaganej usługi lub wrcz uniemolwiajc jej dostarczenie. Wystpowanie tych interferencji zaley od stosunku odległoci midzy stacjami nadajcymi na tej samej czstotliwoci do promienia komórek. Przy rozmieszczaniu stacji mona znale analogie do znanego problemu kolorowania grafów. 3
Wady architektury komórkowej Bardzo złoona i droga infrastruktura Problem z przemieszczajcymi si uytkownikami Złoona aktualizacja połoenia uytkowników Przy ruchach szybkich - dua liczba przełcze Potrzeba stosowania mechanizmów utrzymania połcze przy zmianie komórek Systemy komórkowe(4) Sie komórkowa, ze wzgldu na swoj rozbudowan infrastruktur jest bardzo kosztowna, kosztowne jest równie jej utrzymanie. Architektura komórkowa implikuje pewne zjawiska, które nie wystpuj w systemach omówionych na wstpie. Odpowiedniego podejcia wymaga na przykład rozwizanie problemu mobilnoci uytkowników i to na rónych płaszczyznach. Zapewni trzeba mechanizmy uaktualniania informacji pozycyjnej o uytkownikach co wie si z implementacj odpowiednich strategii. Implikuje to z kolei czsto sygnalizacji w sieci zwizanej z ruchem uytkowników, du zwłaszcza w przypadku małych komórek w centrach miast i szybko przemieszczajcych si uytkowników. Wane jest równie zapewnienie mechanizmów pozwalajcych na zachowanie cigłoci połczenia przy zmianie komórek, co jest ju zaimplementowane w systemach telefonii komórkowej. 4
Strefy pokrycia radiowego Strefa dobrej słyszalnoci Strefa zakłóce dla innych systemów Strefa pomijalna Wielko stref Interferencje Sygnał jest pomijalny zakłócenia dla innych systemów Obszar dobrej słyszalnoci Systemy komórkowe(5) Obszar wokół nadajnika radiowego mona podzieli na trzy strefy: Obszar dobrej słyszalnoci Obszar zakłóce dla innych systemów pracujcych na tych samych czstotliwociach Obszar, w którym sygnał jest pomijalny Wielko tych obszarów nie jest cile okrelona i jest kwesti umowy. Obszar pierwszy okrelony jest graniczn wartoci sygnału przy odpowiedniej jakoci transmisji. Obszar drugi wyznacza si poprzez badanie, jak zakłócenia wpływaj na transmisj w ssiednich komórkach.chodzi oczywicie o uniknicie interferncji współkanałowych. 5
Rozmieszczenie stacji Nieprawidłowe rozmieszczenie stacji bazowych Prawidłowe rozmieszczenie stacji bazowych Systemy komórkowe(6) Dwa nadajniki BTS1 i BTS2 wykorzystujce czstotliwo f1 musz by umiejscowione tak, by obszar zakłóce jednej stacji nie nachodziła na obszar dobrej słyszalnoci drugiej stacji. Jeli pokrycie takie nastpi dojdzie do intereferencji współkanałowych w strefach pokrycia. Prawidłowe i nieprawidłowe rozmieszczenie stacji bazowych, powodujce interferencje współkanałowe, prezentuj rysunki. 6
Rozmieszczenie stacji Konieczno zachowania cigłoci obszaru Umieszczenie stacji pracujcych na innych czstotliwociach Unikanie interferencji współkanałowych Systemy komórkowe(7) Chcc zachowa cigło obszaru komórkowego pomidzy nadajnikami BTS1 i BTS2 pracujcymi na czstotliwoci f1 naley umieci jeden lub wicej nadajników pracujcych na innych czstotliwociach. Nie spowoduje to interferencji współkanałowych i umoliwi uzyskanie oczekiwanej jakoci transmisji we wszystkich komórkach. 7
Wizki kanałów Pasmo komórkowe Pojcie wizaki kanłów czstotliwociowych Konstruowanie wizki Systemy komórkowe(8) Pasmo przydzielone systemowi komórkowemu dzieli si na kanały czstotliwociowe. Te poniej czsto s podzielone na szczeliny czasowe (połczenie FDMA i TDMA). Kanały czstotliwociowe czsto łczy si w wizki kanałów, tak wic jedna stacja bazowa pracuje na kilku czstotliwosciach. Do wizki kanałów wybiera si czstotliwoci lece daleko od siebie, eby w ramach jesnej stacji bazowej unikn intereferencji współkanałowych. Oczywicie ta sama wizka moe by uzywana w komórkach odpowiednio od siebie oddalonych. 8
Grupy komórek Reprezentacja heksagonalna Podział na grupy komórek Znaczenie wartoci parametru N Systemy komórkowe(9) Obszar działania systemu jest podzielony na heksagonalne obszary odpowiadajce komórkom. Komórki wykorzystujce te same wizki kanałów czstotliwociowych zostały opisane odpowiednimi numerami. Liczno grupy komórek (N) ma bardzo due znaczenie: determinuje odległo pomidzy komórkami, które wykorzystuj t sam wizk kanałów dla duego N stacje bazowe s odległe od siebiem co zmniejsza prawdopodobiestwo wystpowania interferencji współkanałowych dla duego N maleje liczba kanałów czstotliwociowych przypadajcych na jedn komórk (Nxliczba_kanałów=const) Prawidłowy dobór wartoci N jest zatem wynikiem kompromisu i jego odpowieni dobór jest wan decyjz na etapie projektowania systemu. 9
Pojemno systemu Definicja pojemnoci systemu komórkowego Sposoby na zwikszanie pojemnoci systemu komórkowego: Poyczanie kanałów z ssiednich komórek poyczam oddaj Systemy komórkowe(10) Pojemnoci systemu komórkowego mona zdefiniowa, jako sumaryczna liczba kanałów rozmownych przypadajcych na jednostk powierzchni. Wraz z rozwojem cywilizacyjnym i zwiekszaniem si liczby abonentów konieczne jest cigłe zwikszanie pojemnoci systemu. Robi si to na rózne sposoby. Jednym z nich jest poyczanie kanałów od komórek ssiednich. Moe by ono dokonane niejako statycznie, na etapie planowania lub dynamicznie zmienia w zalenoci od obcienia poszczególnych elementów systemu. 10
Zwikszanie pojemnoci systemu Przydział nowych czstotliwoci Podział komórek na sektory Inne metody dostpu do medium Zmniejszanie wielkoci komórek Systemy komórkowe(11) Przydziału nowego pasma czstotliwoci dokonuje sie bardzo rzadko. Jest to bowiem kosztowne i czasami nie ma takiej moliwoci wobec skoczonej liczby kanałów czstotliwociowych. Anteny w komórkach mog mie charakterystyk dookóln, moe te nastpi podział komórek na sektory, w kadym z nich mona stosowa pul kanałów uywan w innym sektorze tej komórki, co powoduje na danym obszarze multiplikacj kanałów rozmównych, czyli zgodnie z definicj zwikszenie pojemnoci systemu. Kanały czstotliwociowe czsto s dzielone na szereg szczelin czasowych, zgodnie z TDMA. Powoduje to multiplikacj kanałów rozmównych w komórce i w rezultacie zwikszenie pojemnoci. Zastosowanie techniki CDMA powoduje, e liczba kanałów rozmównych moe jeszcze wzrosn. Najwaniejszym jednak sposobem i najcziej uywanym jest zmniejszenie wielkoci komórek. Powoduje to czstsze ponowne wykorzystanie tych samych czstotliwoci na danym obszarze, co zwiksza pojemno systemu. 11
Pojemno systemu Wielko komórki- elastyczny parametr Zrónicowanie w zalenoci od potrzeb Systemy komórkowe(12) Norma zakłada, e wielko jednej komórki w systemie GSM moe siga 36 km. Takie komórki mona stosowa jedynie na terenach wiejskich, gdzie liczba kanałów rozmównych na duym obszarze moe okaza si wystarczajca. Na terenach podmiejskich mona stosowa komórki o mniejszej wielkoci stopniowo zmniejszajc je do mikrokomórek rzdu kilkuset a nawet kilkudziesiciu metrów w centrach miast. Podejcie jest całkowicie elastyczne i due znaczenie maj bieace pomiary ruchu a nawet obserwacje kierunku rozbudowy aglomeracji miejskich, fakt uruchomienia nowego biurowca w centrum miasta czy otwarcie nowego osiedla mieszkaniowego 12
Pojemno systemu Zalety zmniejszania komórek Wiksza pojemno systemu Pewniejszy dostp Wiksza liczba abonentów tasze usługi Nadajniki o mniejszej mocy Mniej pojemne ródła zasilania Mniejsze telefony Mniejszy wpływ na zdrowie dzwonicego Systemy komórkowe(13) Zmniejszanie komórek jak pokazano powoduje zwikszenie pojemnoci systemu. Zajto systemu nie jest tak dua i dostp do zasobów jest pewniejszy. Moliwo zwikszenia liczby abonentów powoduje, teoretycznie, moliwo potanienia usług (efekt skali). Mniejsze komórki oznaczaj nadajniki o mniejszej mocy, równie w urzdzeniach mobilnych. Powoduje to moliwo zmniejszenia ich rozmiarów, pojemnoci ródeł zasilania (mniejsze zuycie przy nadawaniu) moe by mniejsza. Mniejsza emitowana moc ma mniejszy, negatywny wpływ na zdrowie ludzkie. 13
Pojemno systemu Wady zmniejszania komórek Potrzeba zwikszenia liczby komórek Potrzeba instalacji wielu nowych BTS Wicej pienidzy na infrastruktur Czstsza aktualizacja połoenia Zwikszona liczba komunikatów sygnalizacyjnych Inwestycja w bardziej pojemne łcza sygnalizacyjne Systemy komórkowe(14) Przy zmniejszaniu komórek oczywicie wzrasta ich liczba, co wymaga na operatorach zwikszenia pienidzy na inwestycje zwizane z infrastruktur. Przy stosowaniu strategii Inform i wystpowaniu ruchów szybkich (małe komórki) dochodzi do zwikszenia liczby komunikatów sygnalizacyjnych. Wymaga to budowy bardziej pojemnych łczy komunikacyjnych, co oczywicie zwiksza konieczne nakłady. 14
Systemy o architekturze komórkowej GSM/UMTS Setki stacji bazowych tworz system Wystpuj zjawiska: roaming i handover Aktualizacja połoenia uytkowników Systemy komórkowe(15) GSM to najbardziej znany i najszerzej uywany standard telefonii komórkowej. Posiada klasyczn architektur komórkow, opart o setki stacji bazowych kontrolowanych przez odpowiednie sterowniki. Podobnie UMTS opiera si o komórki rónej wielkoci poczwszy od kilkudziesiciu metrów, poprzez kilkusetmetrowe w centrach miast po kilkudziesiciokilometrowe poza miastem. Wystpuj w nich charakaterystyczne dla systemów komorkowych zjawiska, to jest migracja midzy komórkami (roaming) i handover. Systemy telefoni komórkowej, ze wzgldu na konieczno znajomoci lokalizacji uytkownika przed zestawieniem połczenia, wykorzystuj równie złoone mechanizmy utrzymania i aktualizowania informacji pozycyjnej. 15
Systemy o architekturze komórkowej MOBITEX Systemy komórkowe(16) Systen Mobitex jest (był) rzeznaczony s do wolnej transmisji danych na odległoci do kilkudziesiciu kilometrów Architektura jest stricte komórkowa, stacje bazowe połczone s z central (lokaln lub główn). Jest to sie pakietowa informacja dzielona jest na pakiety i przesyłana do stacji bazowej, potem do adresata lub poprzez łcze stałe do innej stacji bazowej i do adresata. Wykorzystuje si algorytm ALOHA i priorytety ( ratunek dla stacji bdcych daleko od stacji bazowych) wiadczone usługi: Transmisja danych (pakiety 512 bajtów) Moliwo tworzenia grup uytkowników Transmisja sygnału alarmowego Usługa skrzynka pocztowa W systemie Mobitex wystpuj zjawisko roamingu, hand-off nie wystpuje, gdy jest to sie pakietowa charakteryzujca si brakiem połcze. 16
Systemy o architekturze komórkowej Wi-Fi Punkty dostpowe Wi-Fi tworz komórki Klient moe migrowa w tej architekturze Roaming Systemy komórkowe(17) Sie Wi-Fi, poprzez rozmieszczone w budynku lub na szerszej przestrzeni punkty dostpowe posiada klasyczn architektur komórkow. Punkt dostpowy, niczym stacja bazowa systemu GSM, tworzy obszar, w którym uytkownicy mobilni bd bezprzewodowi, wyposaeni w odpowiednie interfejsy bezprzewodowe mog łczy si zarówno ze sob jak i korzysta z zasobów sieci LAN i rozległej. Uytkownicy mog oczywicie migrowa w takiej sieci, łczc si z kolejnymi punktami dostpowymi na trasie ruchu. Wystpuje zatem klasyczne dla systemów komórkowych zjawisko roamingu. Komórki, w zalenoci od uytego sprztu, mog posiada rózne rozmiary, poczwszy od kilkunastu metrów (pomieszczenie) na kilkunastu kilmetrach skoczywszy. 17
Systemy o architekturze komórkowej Bluetooth Punkty dostpowe BT wyznaczaj komórki Dostp do usług, w tym Internetu Wystpuj zjawiska właciwe architekturze komórkowej Systemy komórkowe(18) Sieci oparte o urzdzenia Bluetooth charakteryzuj si hierarchiczn struktur. Dla najmniejszych pikokomórek, obsługujcych maksymalnie do 8 urzdze, stosuje si nadajniki o małej mocy i zasigu do 10 metrów. Znane s równie urzdzenia o zasigu do 100 metrów. Małe komórki mog si łczy w wiksze struktury. Stosowanie odpowiednich urzdze dostpowych BT, posiadajcych interfejs LAN RJ-45, umoliwia tworzenie hot-spotów, umoliwiajcych dostp do sieci rozległych dla urzdze przenonych wyposaonych w interfejs BT. W sieci BT, podobnie jak w innych urzdzeniach komórkowych wystpuje zjawisko roamingu pomidzy punktami dostpowymi. 18
Systemy o architekturze komórkowej Iridium 66 satelitów na niskich orbitach Tworz one komórki satelity to stacje bazowe Wystpuj problemy właciwe dla architektur komórkowych Systemy komórkowe(19) Irydium jest to satelitarny system nie geostacjonarny, złoony z 66 małych satelitów orbitujcych na wysokoci 780 km. Kady z nich jest wyposaony w anten wielowizkow, emitujc 48 wizek. System Iridium zapewnia pełne pokrycie na całej Ziemi do wysokoci 160 km, co umoliwia łczno z samolotami. W zwizku z ekspansj systemu GSM, konsorcjum Iridium poniosło due straty. Uytkowanie systemu okazało si zbyt drogie, telefony zbyt due i nieporczne. 19
Roaming Przejcie pomidzy punktami dostpowymi lub stacjami bazowymi Krajowy pomidzy operatorami w kraju Midzynarodowy na podstawie umowy z operatorem w innym kraju Systemy komórkowe(20) Roaming polega na przechodzeniu terminala pomidzy punktami dostpowymi lub stacjami bazowymi znajdujcymi si na jego trasie ruchu. W skrócie mona powiedzie, e terminal przerywa współprac ze stacj, której sygnał słabnie i nawizuj ze stacj silniejsz. Wystpuje zarówno w sieciach telefonii komórkowej jak i w sieciach Wi-Fi czy Bluetooth, posiadajcych równie architektur komórkow. Roaming krajowy polega na płynnej zmianie sieci operatora w tym samym kraju, pozwalajcy abonentom sieci A na uywanie infrastruktury sieci B, tam gdzie jego operator nie moe mu zapewni dostpu do usług. Roaming midzynarodowy polega na korzystaniu z infrastruktury operatora w innym kraju, z którym nasz macierzysty operator ma podpisan umow roamingow. 20
Handover Zmiana stacji w trakcie trwania połczenia Rozróniamy kilka rodzajów: Pomidzy stacjami BTS Pomidzy sektorami W ramach stacji bazowej Systemy komórkowe(21) Przez handover okrelamy przełczenie terminala uytkownika z jednej stacji bazowej do innej w czasie trwania połczenia. Wyrónia si kilka rodzajów takiego przełczenia: pomidzy stacjami bazowymi przy zmianie komórki (nawizanie współpracy z now stacj bazow) pomidzy sektorami w ramach jednej stacji bazowej jest to zwizane ze zmian kanału czstotliwociowego przy zmianie sektora w ramach jednej stacji bazowej przełczenie na inny kanał rozmówny, w celu polepszenia warunków transmisji. Warunki propagacji na rónych kanałach mog si na tyle róni, e nastpuje próba przełczenia 21
Dzikuj za uwag Systemy komórkowe(22) 22