Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ:Τηλεπικοινωνιών και Τεχνολογίας Πληροφορίας ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ Ασύρματης Τηλεπικοινωνίας Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Κολέττι Θεοχάρη Αλέξανδρου Αριθμός Μητρώου:5661 Θέμα Βελτιστοποίηση της ποιότητας παρεχομένων υπηρεσιών σε διαλειπτικά κανάλια (fading channels) για δίκτυα κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς. Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Σεπτέμβριος 2010

2 2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Βελτιστοποίηση της ποιότητας παρεχομένων υπηρεσιών σε διαλειπτικά κανάλια (fading channels) για δίκτυα κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς. Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Κολέττι Θεοχάρη Αλέξανδρου ΑΜ:5661 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Σταύρος Κωτσόπουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του Τομέα Νικόλαος Φακωτάκης Καθηγητής

3 3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: Βελτιστοποίηση της ποιότητας παρεχομένων υπηρεσιών σε διαλειπτικά κανάλια (fading channels) για δίκτυα κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς. Φοιτητής: Επιβλέπων: Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των μεθόδων βελτιστοποίησης της ποιότητας παρεχομένων υπηρεσιών των δικτύων κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς (3G) σε διαλειπτικό περιβάλλον. Αρχικά γίνεται μια σύντομη ιστορική αναδρομή στην εξέλιξη των συστημάτων κινητών επικοινωνιών και παρουσιάζεται το σημαντικότερο πρότυπο τρίτης γενιάς, το UMTS το οποίο κυριάρχησε στην ευρωπαϊκή και παγκόσμια αγορά και τα ιδιαίτερα τεχνικά χαρακτηριστικά του. Στην συνέχεια αναλύεται το LTE το οποίο αποτελεί την τελευταία εξέλιξη των δικτύων τρίτης γενιάς και αναμένεται να αντικαταστήσει το UMTS στο άμεσο μέλλον αποτελώντας στην πραγματικότητα τον πρόδρομο των συστημάτων τέταρτης γενιάς. Στην συνέχεια εστιάζουμε στα διαλειπτικά κανάλια αναλύοντας τα φαινόμενα που παρατηρούνται σε αυτά και τα στατιστικά μοντέλα μέσα από τα οποία περιγράφονται. Παράλληλα διερευνάται η επίδραση των φαινομένων αυτών (αρνητική ή θετική) στο QoS των δικτύων τρίτης γενιάς βάσει των χαρακτηριστικών τους (όπως παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 1 ) και οι δυνατότητες που προκύπτουν για περαιτέρω βελτιστοποίηση κατά τον σχεδιασμό των δικτύων και την σωστή εκμετάλλευση των χαρακτηριστικών του περιβάλλοντος όδευσης. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στα μοντέλα εσωτερικού χώρου λόγω του μεγάλου φορτίου κίνησης που καλούνται να εξυπηρετήσουν. Στο τελευταίο μέρος παρουσιάζεται η διαδικασία παραμετροποίησης κάποιων σημαντικών μοντέλων και τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων που έγιναν στον χώρο του κτηρίου των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών.

4 4

5 5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Κεφάλαιο 1 Συστήματα Κινητής Τηλεφωνίας Τρίτης Γενιάς 1.1 Η εξέλιξη των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας από την πρώτη στην τρίτη γενιά 1.2 UMTS Κατανομή συχνοτήτων στο UMTS Αρχιτεκτονική συστήματος Core Network UTRAN Εξοπλισμός χρήστη Συμβατότητα Φυσικό επίπεδο Νέες τάσεις 1.3 Long Term Evolution Φυσικό επίπεδο OFDM/OFDMA SC FDMA Αρχιτεκτονική του LTE Τοπολογία Δικτύου Απόδοση Δικτύου Λειτουργία και συντήρηση Εξοπλισμός χρήστη Ασφάλεια 1.4 Συμπεράσματα Κεφάλαιο 2 Διαλειπτικά Κανάλια 2.1 Attenuation 2.2 Path Loss Free Space Propagation Plane Earth Model Εμπειρικά και ημι-εμπειρικά μοντέλα Okumura Hata Lee Επίδραση του path loss στον σχεδιασμό των συστημάτων Κάλυψη και Path Loss Near Far Effect και Path Loss Συγκαναλική παρεμβολή 2.3 Shadowing Shadowing Επίδραση του shadowing στον σχεδιασμό των συστημάτων 2.4 Fading Delay Spread Frequency Selective / Non Selective Doppler Spread Time Selective/Non Selective Rayleigh Fading Rice Fading Κατανομή Nakagami

6 Επιπτώσεις του Fading στο BER 2.5 Παρατηρήσεις 2.6 Όδευση εσωτερικού χώρου Path Loss Free Space Propagation Model One Slope Model Log distance Path Loss Model Motley Keenan Model MFW Model ITU RF Indoor Model Fading Παρεμβολές 2.7 Συμπεράσματα Κεφάλαιο Εισαγωγή 3.2 Περιγραφή Διαδικασίας 3.3 παραμετροποίηση Μοντέλων 3.4 Συμπεράσματα Παράρτημα Α. Κώδικες matlab B. Κατόψεις Ορόφων και Τοπολoγία Βιβλιογραφία

7 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Η εξέλιξη των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας Τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας πρώτης γενιάς εμφανίστηκαν στα τέλη της δεκαετίας του Η λειτουργία τους βασιζόταν στην αναλογική FM διαμόρφωση και ήταν σχεδιασμένα έτσι ώστε να προσφέρουν αποκλειστικά και μόνο υπηρεσίες φωνής. Ιδιαίτερη σημασία έχει το ότι με τα συστήματα αυτά υιοθετήθηκε για πρώτη φορά η ιδέα της κυτταρικής δομής.τα σημαντικότερα πρότυπα που αναπτύχθηκαν ήταν τα TACS, το AMPS και το NMT. Τα πρότυπα αυτά καθώς και τα χαρακτηριστικά τους παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα : Πίνακας Συστήματα Κινητής Τηλεφωνίας Πρώτης γενιάς Πρότυπο AMPS NMT 450 NMT 900 ETACS NTACS Περιοχή ΗΠΑ Φινλανδία, Σουηδία, Δανία, Νορβηγία Φινλανδία, Σουηδία, Δανία, Νορβηγία Μ. Βρετανία Μ. Βρετανία Φάσμα Συχνοτήτων Tx MHz Rx Tx Rx Tx Tx Rx Rx Tx Rx Εύρος ζώνης καναλιού KHz , ,5 Αριθμός καναλιών 666/ Μέθοδος Πολύπλεξης FDMA FDMA FDMA FDMA FDMA Duplex FDD FDD FDD FDD FDD Μέθοδος διαμόρφωσης FM FM FM FM FM Στις αρχές του 1990 τα συστήματα πρώτης γενιάς εξυπηρετούν συνολικά σχεδόν 20 εκατομμύρια συνδρομητές. Το σημαντικότερο μειονέκτημα των συστημάτων αυτών εκτός από το περιορισμένο φάσμα υπηρεσιών που προσφέρουν (μεταδίδουν μόνο φωνή) είναι η μικρή τους χωρητικότητα και οι περιορισμένες δυνατότητες κινητικότητας που παρέχουν στους χρήστες τους. Την περίοδο αυτή (αρχές δεκαετίας 1990) οι απαιτήσεις που προκύπτουν από την συνεχώς διευρυνόμενη αγορά για καλύτερη ποιότητα μετάδοσης και μεγαλύτερη γεωγραφική κάλυψη οδηγούν στην εξέλιξη των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς. Σημαντική συμβολή σε αυτήν την εξέλιξη είχε η πρόοδος που σημειώθηκε στην τεχνολογία των ημιαγωγών. Τα συστήματα δεύτερης γενιάς (2G) χρησιμοποιούν ψηφιακή διαμόρφωση και παρέχουν την δυνατότητα μετάδοσης και δεδομένων (fax, σύντομα μηνύματα) εκτός της φωνής. Έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα από τα συστήματα πρώτης γενιάς ενώ παράλληλα εφαρμόζονται σε αυτά εξελιγμένες τεχνικές διαχείρισης του χρησιμοποιούμενου φάσματος καθώς σε αντίθεση με τα συστήματα πρώτης γενιάς χρησιμοποιείται και η TDMA σε συνδυασμό με την κλασσική FDMA.

8 8 Τα σημαντικότερα πρότυπα που αναπτύχθηκαν φαίνονται στον πινάκα: Πίνακας Συστήματα Κινητής Τηλεφωνίας Δεύτερης Γενιάς Πρότυπο GSM 900 GSM 1800 GSM 1900 E_GSM 900 Φάσμα συχνοτήτων MHz Εύρος ζώνης 200 καναλιού KHz Αριθμός καναλιών 125 ανά κατεύθυνση 375 ανά κατεύθυνση 300 ανά κατεύθυνση 175 ανά κατεύθυνση Μέθοδος πολυπλεξης TDMA TDMA TDMA TDMA Μέθοδος διαμόρφωσης GMSK GMSK GMSK GMSK Duplex FDD FDD FDD FDD Αν και τα συστήματα δεύτερης γενιάς κάλυψαν τις αυξανόμενες αυτές απαιτήσεις σε τοπικό επίπεδο, η ITU προκειμένου να διευρύνει το φάσμα των προσφερόμενων υπηρεσιών και να αυξήσει τις δυνατότητες των κινητών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων θέσπισε μια οικογένεια προτύπων, την ΙΜΤ-200 η οποία έθεσε ως βασικούς στόχους: 1. Την παγκόσμια κάλυψη όλων των περιοχών με ενσωμάτωση των δορυφορικών συστημάτων σε ένα συμπαγές τηλεπικοινωνιακό δίκτυο και την παροχή στους χρήστες της δυνατότητας της παγκόσμιας περιαγωγής. 2. Την παροχή νέων υπηρεσιών όπως οι πολυμεσικές εφαρμογές και το internet. 3. Την υποστήριξη τόσο της μεταγωγής πακέτου όσο και της μεταγωγής κυκλώματος στα νέα δίκτυα. 4. Την επίτευξη υψηλών ταχυτήτων μετάδοσης (144 kbps 2 Μbps) 5. Την αύξηση της αποδοτικότητας του διαθέσιμου φάσματος, της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών και την μείωση του κόστους λειτουργίας με την υιοθέτηση νέων τεχνολογιών. Με τον τρόπο αυτό αναπτύχθηκαν σταδιακά τα συστήματα τρίτης γενιάς (3G) τα οποία καλούνταν να ικανοποιήσουν τις παραπάνω απαιτήσεις.

9 9 Το σημαντικότερα πρότυπα αυτής της οικογενείας δίνονται στον πίνακα : Πίνακας Συστήματα Κινητής Τηλεφωνίας Τρίτης Γενιάς Πρότυπο EDGE UMTS TD-STDMA DECT Περιοχή Κάλυψης Παγκόσμια Αμερική, εκτός της Ασία. Ιαπωνίας και Ν. Κορεας Παγκόσμια. Ευρώπη. Κίνα. Ευρώπη, ΗΠΑ. Bandwith EDGE evolution EV-DO HSPA HSPA HSPA - Μέθοδος TDMA Πολυπλεξης CDMA CDMA CDMA CDMA FDMA/ TDMA Duplex FDD FDD TDD TDD TDD FDD CDMA2000 UMTS W-CDMA UMTS TD-CDMA 1.2 UMTS To UMTS ( Universal Mobile Telecommunications System) είναι το πρότυπο τρίτης γενιάς που αναπτύχθηκε στην Ευρώπη. Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα το σύστημα αυτό αποτελεί το προϊόν μιας διαδικασίας έρευνας και ανάπτυξης που ξεκίνησε στα μέσα της δεκαετίας του 1990 και πέρασε από διάφορα στάδια μέχρι να πάρει την τελική του μορφή και να αρχίσει να εφαρμόζεται το Πίνακας Χρονοδιάγραμμα ανάπτυξης συστήματος UMTS ETSI:μελέτη ΕTSI: βασικών προτύπων παγίωση UMTS των βασικών παραμέτ ρων του UMTS ETSI βασικά πρότυπα UMTS ETSI : Πρότυπα UMTS χαρακτηριστικά Αδειοδο τήσεις Πλαίσιο κανονισμών Όροι αδειοδότ ησης Ανάπτυξη βασικού Ανάπτυξη UMTS UMTS Λειτουργιά βασικού UMTS Λειτουργ ιά UMTS

10 10 Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του UMTS όπως καθιερώθηκαν μετά την έκδοση UMTS R99 είναι 1. Ο διαχωρισμός μεταξύ των λειτουργιών της σύνδεσης, του ελέγχου της σύνδεσης και των παρεχόμενων υπηρεσιών. 2. Η δυνατότητα μετατροπής του σε full IP 3G δίκτυο. 3. Η παροχή αναβαθμισμένων πολυμεσικών εφαρμογών. 4. Η χρήση και αναβάθμιση του δικτύου GERAN.(GSM EDGE Radio Access Network) 5. Αναβάθμιση του προτύπου USAT. 6. Η υποστήριξη IMS (IP multimedia Subsystem) εφαρμογών. 7. Η παροχή End to End QoS. 8. Η ανάπτυξη των ήδη παρεχόμενων υπηρεσιών και η εισαγωγή νέων Η Κατανομή Συχνοτήτων στο σύστημα UMTS Στα πρώτα στάδια ανάπτυξης των συστημάτων 3G θεωρήθηκε ότι ένα φάσμα εύρους 230 Mhz θα ήταν επαρκές. Η ανάπτυξη όμως της αγοράς των κινητών επικοινωνιών δημιούργησε νέες ανάγκες για μεγαλύτερο εύρος. Έτσι η ομάδα εργασίας WP8 ITU ανέπτυξε μια μέθοδο εκτίμησης του φάσματος εκείνου που θα ήταν ικανό να εξυπηρετήσει όλες τις προσφερόμενες υπηρεσίες για τις επίγειες και δορυφορικές συνιστώσες του συστήματος. Στη συνέχεια το conference preparatory meeting (CPM) και το WRC-2000 ECPs υπέδειξαν πως προκείμενου το σύστημα να είναι σε θέση να αντεπεξέλθει στις ανάγκες που θα παρουσιάζονταν και την κίνηση με την οποία τι εκτιμήθηκε ότι θα επιφορτιζόταν μέχρι το 2010 θα έπρεπε επιπροσθέτως με τα όσα όριζε το WRC-92 να διατεθούν Mhz για τις επίγειες συνιστώσες 2. 2Χ 30 Μhz για τις δορυφορικές. Προέκυψε μάλιστα πως για να μπορέσει να ικανοποιηθεί η απαίτηση για τα 160 επιπλέον Mhz στην επίγεια συνιστώσα θα έπρεπε να καθοριστεί ένα συγκεκριμένο set συχνοτήτων το οποίο θα χρησιμοποιούνταν από όλες τις χώρες. Κάτι τέτοιο θα έκανε δυνατή την διεθνή περιαγωγή (αυτή άλλωστε είναι και μια από τις βασικές επιδιώξεις των συστημάτων τρίτης γενιάς) και θα μείωνε το κόστος και την πολυπλοκότητα εφαρμογής των προτύπων του IMT Επίσης καθορίστηκε το μέρος του φάσματος το οποίο ήταν μέχρι τότε δεσμευμένο για χρήση από τα συστήματα δεύτερης γενιάς (G2) και το οποίο θα μπορούσε μελλοντικά να διατεθεί στα συστήματα τρίτης γενιάς. Έτσι προέκυψε ένα νέο ευρύ φάσμα ικανό να καλύψει τις όλες τις απαιτήσεις. Καθώς όπως είδαμε ένας από τους στόχους των συστημάτων τρίτης γενιάς είναι και η ενσωμάτωση των επίγειων και δορυφορικών συστημάτων σε ένα ενιαίο σύστημα επικοινωνίας κρίθηκε απαραίτητο να διατεθούν για αυτά σχετικά κοντινές μπάντες. Η WARC-92 όρισε το φάσμα και για το UMTS/IMT-2000.Οι περιοχές και θα χρησιμοποιούνταν από τα δορυφορικά συστήματα. Αυτά τα διαστήματα είναι γνωστά στην Ευρώπη ως core band και επειδή εκεί λειτουργούσαν ακόμη συστήματα DECT το διαθέσιμο φάσμα για το UMTS περιορίστηκε στις περιοχές και Τα φάσματα όπως ορίστηκαν από την WARC-92 και WRC-2000 φαίνονται διαγραμματικά στο επόμενο σχήμα.

11 11 Σχήμα WARC-92 Σύμφωνα λοιπόν με το "WARC-92 frequencies for IMT-2000" οι συχνότητες MHz και MHz θα έπρεπε να χρησιμοποιηθούν σε παγκόσμια βάση από τους φορείς που επιθυμούν να υιοθετήσουν το International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000). Συγκεκριμένα σύμφωνα με το WARC-92 στο UMTS οι συχνότητες κατανέμονται ως εξής οι : και Mhz: Frequency Division Duplex (FDD, W-CDMA),ταιριασμένο uplink και downlink, εύρος καναλιού 5 MHz και Mhz: Time Division Duplex (TDD, TD/CDMA) Δεν υπάρχει ταίριασμα στο uplink downlink. Το εύρος καναλιού είναι και εδώ 5 MHz ενώ τα Tx και Rx δεν διαφοροποιούνται στο πεδίο της συχνότητας και Mhz: διάθεση για δορυφορικό uplink και downlink.

12 12 Σχήμα WRC-2000 Το WARC Όρισε τις ζώνες και MHz για το IMT Ενέκρινε την χρήση την συχνοτήτων που είχαν οριστεί από το WARC-92 για τα επίγεια συστήματα του ΙΜΤ-200 από τα High Altitude Platform Stations (HAPS) υπό συγκεκριμένες προυποθέσεις. 3. Όρισε τις ζώνες , , , , και MHz για την δορυφορική συνιστώσα του IMT-2000, καθώς επίσης και τις MHz και MHz, σε περίπτωση που η αγορά απαιτούσε επιπλέον φάσμα.

13 Αρχιτεκτονική του συστήματος Τα δίκτυα UMTS όπως φαίνεται στο σχήμα αποτελούνται από τρεις ξεχωριστούς τομείς που επικοινωνούν μεταξύ τους. Το Core Network (CN), το UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) και τον τομέα των τερματικών εξοπλισμών User Equipment (UE). Σχήμα Δομή συστήματος UMTS CORE NETWORK Βασική λειτουργιά του core network είναι η εκτέλεση λειτουργιών δρομολόγησης και switching. Επιπλέον εκεί βρίσκονται οι βάσεις δεδομένων και οι λειτουργίες έλεγχου του δικτύου. Το core network διαιρείται σε τομείς μεταγωγής κυκλώματος και μεταγωγής πακέτου. Τα στοιχειά που ανήκουν στο δίκτυο μεταγωγής κυκλώματος είναι τα κέντρα διακοπής MSC τα VLR και τα Gateway MSC (GMSC). Αντίθετα, τα Serving GPRS Support Node (SGSN) και τα Gateway GPRS Support Node (GGSN) ανήκουν στον τομέα μεταγωγής πακέτου. Ορισμένα στοιχειά όπως το EIR, HLR, VLR και AUC χρησιμοποιούνται και από τους δυο τομείς. Το CN μέσω των διεπαφών Iu συνδέεται άμεσα με όλα τα δίκτυα πρόσβασης. Συγκεκριμένα η

14 14 διεπαφή Iucs συνδέει ένα δίκτυο πρόσβασης με τον τομέα μεταγωγής κυκλώματος του core network ενώ η Iups συνδέει ένα δίκτυο πρόσβασης με τον τομέα μεταγωγής πακέτου. Υπάρχει ακόμα η διεπαφή Iubc που εξυπηρετεί κίνηση τύπου broadcast/multicast. Όπως είδαμε προηγουμένως η ικανότητα υποστήριξης και των δυο αυτών τύπων δικτύων και η ενσωμάτωση τους είναι εξαιρετικά σημαντική για τα συστήματα τρίτης γενιάς. Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατόν να χρησιμοποιήσουμε κάποιες αξιόπιστες τεχνολογίες δεύτερης γενιάς (μεταγωγή κυκλώματος) ενώ ταυτόχρονα είναι δυνατή η πρόσβαση σε IP δίκτυα και το internet (μεταγωγή πακέτου). Τα σημαντικότερα λειτουργικά στοιχεία που βρίσκονται στο core network είναι -Το AuC ( Authentication centre). Χρησιμοποιείται για τον έλεγχο και την πιστοποίηση κάθε SIM κάρτας που επιχειρεί να συνδεθεί στο CN.Αν η διαδικασία πιστοποίησης είναι επιτυχής τον έλεγχο αναλαμβάνει το HLR.Αν όχι δεν παρέχεται καμία υπηρεσία. -Το MSC ( switching center). Είναι υπεύθυνο για την εγκατάσταση των συνδέσεων από άκρο σε άκρο μέσα στο δίκτυο. Χειρίζεται την κινητικότητα των συνδρομητών και το hand over κατά την διάρκεια των κλήσεων και αναλαμβάνει την χρέωση των κλήσεων. -Το G-MSC (gateway MSC) είναι το MSC που καθορίζει ποιο MSC θα αναλάβει την διεκπεραίωση της κάθε κλήσης. Αποτελεί επίσης την διεπαφή με το PSTN. -Το EIR (Equipment Identity Register) είναι μια μονάδα που χρησιμοποιείται από όλους τους τομείς του core network.αποθηκευει πληροφορίες σχετικές με τον τερματικό εξοπλισμό (όπως καθορίζεται από τον IMEI) χρησιμοποιώντας τρεις λίστες. Η πρώτη, η λευκή λίστα περιέχει πληροφορίες που αφορούν νόμιμα τερματικά, η δεύτερη, η μαύρη περιέχει πληροφορίες σχετικές με κλεμμένες συσκευές και η τρίτη η γκρι πληροφορίες σχετικές με ύποπτα τερματικά. Αν διαπιστωθεί ότι ένα τερματικό ανήκει στην μαύρη λίστα το CN δεν διεκπεραιώνει την κίνηση από και προς το τερματικό αυτό. -Το HLR (Home location register) είναι μια μόνιμη βάση δεδομένων που περιέχει πληροφορίες για κάθε εγκεκριμένη τερματική συσκευή που χρησιμοποιεί το CN.Συγκεκριμενα αποθηκεύει πληροφορίες για κάθε SIM κάρτα χρησιμοποιώντας ως δείκτη (primary key) το IMSI που προσδιορίζει την κάρτα αυτή. -Το VLR (Visitor location register) είναι μια προσωρινή βάση δεδομένων που περιλαμβάνει τα στοιχεία των συνδρομητών που βρίσκονται μεσώ roaming στην περιοχή την οποία εξυπηρετεί. Τα στοιχεία αυτά παρέχονται είτε από το HLR είτε συλλέγονται από τα MS.Τα στοιχεία που αποθηκεύονται είναι ο αριθμός IMSI, ο αριθμός MSISDN,το σημείο πρόσβασης και η HLR διεύθυνση του συνδρομητή. -Το SGSN ειναι υπεύθυνο για την δρομολόγηση και την IP διευθυνσιοδότηση. -Το GGSN λειτουργεί στην πραγματικότητα ως δρομολογητής και firewell και μπορεί να αποτελεί μια μονάδα μαζί με το SGSN. Στο επόμενο σχήμα βλέπουμε επιπλέον τις μονάδες HSS, CS-MGW, MSC server που αφορούν στο πρότυπο 3GGP R5.

15 15 Σχήμα Εσωτερική δομή του core network -Το GGSN (Gateway GPRS aupport node) αποτελεί την διεπαφή ανάμεσα στο GPRS ασύρματο δίκτυο και τα άλλα εξωτερικά δίκτυα μεταγωγής πακέτου όπως το δίκτυο IP.Μεσω του GGSN είναι δυνατόν να παρέχουμε πρόσβαση στους συνδρομητές στα εξωτερικά αυτά δίκτυα. -Το SSGN (Service GPRS support network) παρέχει στα τερματικά πρόσβαση στις πήγες του δικτύου. Είναι επίσης υπεύθυνο για την εγκαθίδρυση του PDP (Packet Data Protocol) με το GGSN κατά τη διάρκεια μιας εφαρμογής. -To HSS (Home Subscriber Server) είναι μια μονάδα η οποία συγκεντρώνει όλες τις διεργασίες που χρησιμοποιούνται και από τους δύο τομείς του CN (μεταγωγής πακέτου και κυκλώματος).

16 16 Σχήμα Ιδιαίτερη σημασία έχει το Mobility Management το οποίο διασφαλίζει την κινητικότητα διάμεσου των τομέων μεταγωγής κυκλώματος, πακέτου και IMS.Οι διεργασίες user security info generation, user security support και service provisioning support σχετίζονται κυρίως με το AuC το οποίο στέλνει σήματα στα διάφορα πεδία μέσω του HLR.

17 UTRAN To UTRAN είναι το δίκτυο μέσω του οποίου οι συνδρομητές συνδέονται στο Core Network. Περιλαμβάνει τους σταθμούς βάσης (nodes B) καθώς επίσης και τους RNC. Σχήμα UTRAN Οι RNC σε αντίθεση με τους BSC των δικτύων δεύτερης γενιάς μπορούν να δρομολογήσουν την κίνηση χωρίς να χρειαστεί να παρεμβληθεί ο UMTS Main Switch controller (U-MSC) ή το SGSN. Έτσι αν οι εργασίες έλεγχου και χρέωσης μπορούν να πραγματοποιηθούν στο επίπεδο του RNC είναι εφικτός ο πλήρης διαχωρισμός μεταξύ του πεδίου έλεγχου και σύνδεσης του δικτύου όπως ακριβώς επιβάλλει η φιλοσοφία σχεδίασης των συστημάτων 3G.

18 18 Σχήμα Αρχιτεκτονική UMTS Όπως φαίνεται και στο σχήμα το Protocol Structure του Utran αποτελείται από δυο επίπεδα. Το Radio Network Layer και το Transport Network Layer. Σχήμα 1.2.8

19 19 Όλα τα στοιχειά του Utran είναι ορατά μόνο από το Radio Network Layer. To Transport Network Layer αντιπροσωπεύει την τεχνολογία μετάδοσης που χρησιμοποιείται. Μπορούμε επίσης να διακρίνουμε τα εξής πεδία: -Το control plane το οποίο περιέχει το Application Protocol (π.χ RANAP, RNSAP ή NBAP) και το Signalling Bearer για την μετάδοση των μηνυμάτων του Application Protocol. -Το user plane που περιέχει τα Data Streams και τους Data Bearers για τα κανάλια αυτά. Τα Data Streams χαρακτηρίζονται από ένα ή περισσότερα frame protocols που ορίζονται από την διεπαφή. -Το Transportt Network Plane δεν περιέχει κάποια πληροφορία σχετική με το επίπεδο του Radio Network αλλά περιέχει τα ALCAP πρωτόκολλα που είναι απαραίτητα για την θέσπιση των transport bearers (Data Bearer) για το User Plane. Περιέχει επίσης τα κατάλληλα Signaling Bearers που απαιτούνται από τα ALCAP πρωτόκολλα. -Το transport Network Plan παρεμβάλλεται μεταξύ του control plane και του user plane. Λειτουργεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε τα Πρωτοκολλά Εφαρμογής να είναι τελείως ανεξάρτητα από την επιλογή των Data Beamers στο User Plane. Καθώς οι περισσότεροι πάροχοι επέλεξαν να ενσωματώσουν την τεχνολογία που διέθεταν στα συστήματα τρίτης γενιάς,προκειμένου να επιτευχθεί η μετάδοση πακέτου μέσα από τα ήδη υπάρχοντα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος χρησιμοποιούν τεχνολογίες υποκατάστασης για να μεταφέρουν αυτά τα δεδομένα (τύπου AAL5).Σε σύγκριση με τις μεθόδους απ ευθείας IP δρομολόγησης (όπως το Ethernet) αυτές οι τεχνικές επιβαρύνουν την κίνηση μέσα στο δίκτυο. Αυτό εισάγει και μια σημαντική οικονομική επιβάρυνση ιδίως όταν πρέπει να μεταδοθούν δεδομένα σε υψηλές ταχύτητες. Από την άλλη πλευρά η τεχνολογία μεταγωγής πακέτων προσφέρει μια μεγάλη ποικιλία επιλογών δρομολόγησης επιτρέποντας έτσι μια πιο ευέλικτη και οικονομική χρήση των πόρων του συστήματος. Τα πρωτόκολλα μετάδοσης που χρησιμοποιούνται σήμερα στα συστήματα 3G βασίζονται σχεδόν αποκλειστικά στην ΑΤΜ τεχνολογία. Στην ΑΤΜ κάθε τύπος κίνησης μπορεί να ανατεθεί σε ένα εικονικό κύκλωμα (VC) σε ένα ειδικά αφιερωμένο VCI.Το κύκλωμα αυτό χαρτογραφείται σε ένα VP (Virtual Path).Η ανάθεση της κίνησης στο εικονικό κύκλωμα γίνεται στην μονάδα ATM-CCUnit που βρίσκεται στους σταθμούς βάσης ή το RNC. Η δρομολόγηση με την χρήση εικονικών κυκλωμάτων μας δίνει την δυνατότητα να μεταβάλλουμε δυναμικά την δρομολόγηση ανάμεσα στους σταθμούς βάσης και το RNC.Στην πράξη όμως η υποστήριξη των από άκρο σε άκρο δυναμικών δικτύων δεν είναι πάντα εφικτή αφού η λειτουργικότητα ανάμεσα στα μέρη που προέρχονται από διαφορετικούς παρόχους δεν είναι πάντα εξασφαλισμένη.

20 Εξοπλισμός Χρήστη Όσον άφορα τον τερματικό εξοπλισμό των συνδρομητών που συνδέονται στα συστήματα κινητής τηλεφωνίας τρίτης γενιάς μπορούμε να κατατάξουμε τις συσκευές των συνδρομητών σε τέσσερις κατηγορίες ανάλογα με τα χαρακτηριστικά τους και τις υπηρεσίες που προσφέρουν. Σχήμα Εξοπλισμός Χρήστη Συμβατότητα Λόγω του περιορισμένου φάσματος συχνοτήτων συχνά τα νέα ράδιο συστήματα χρησιμοποιούν συχνότητες οι οποίες ήταν δεσμευμένες από παλιότερα συστήματα. Το ίδιο συμβαίνει και με το UMTS/IMT-200. Για να εξασφαλίσουμε την συνύπαρξη των συστημάτων αυτών και να περιορίσουμε τις μεταξύ τους παρεμβολές είναι απαραίτητο να καθοριστούν οι οροί βάσει των οποίων θα λειτουργούν τα συστήματα αυτά. Σύμφωνα με την ITU-R η συνύπαρξη αυτή είναι δυνατή αν και μόνο αν μπορούμε να ξεχωρίσουμε τα διάφορα συστήματα στο πεδίο του χρόνου ή (και) της συχνότητας. Η ομάδα εργασίας ERC TG1 μελέτησε την επίδραση που μπορεί να έχει η εφαρμογή του UMTS στα άλλα ραδιοσυστήματα στην περιοχή του core band και σχημάτισε τον παρακάτω πίνακα κατανομής

21 21 Παρόμοιες εργασίες έγιναν και από την ομάδα ECC PT1 πριν την εισαγωγή του UMTS. Ένας άλλος πινάκας καταμερισμού συχνοτήτων έγινε μετά από ανάλυση του 3GPP-WLAN interworking και φαίνεται παρακάτω.

22 22 Κατά την σχεδίαση του UMTS είναι απαραίτητο να αναλυθούν οι πιθανές παρεμβολές ανάμεσα στα επίγειες και τις δορυφορικές συνιστώσες καθώς επίσης τις παρεμβολές μεταξύ διαφορετικών συστημάτων στα επίγεια δίκτυα. Ακόμα, η ανάλυση των πιθανών τοποθεσιών των UTRA σταθμών σε μια συγκεκριμένη περιοχή δείχνει ότι μπορεί σε ένα σημείο να έχουμε κινητούς σταθμούς που ανήκουν στον ίδιο πάροχο άλλα λειτουργούν σε διαφορετικά HCS επίπεδα ή διαφορετικά duplex modes. Αυτό μπορεί να δημιουργήσει παρεμβολές και για αυτό πρέπει να τοποθετηθούν προσεχτικά οι σταθμοί βάσης. Οι παρεμβολές αυτού του τύπου πάντως δεν μπορούν να εξαλειφθούν εντελώς λόγω του ότι οι συνδρομητές κινούνται μέσα στο δίκτυο. Το πρόβλημα της συμβατότητας είναι σημαντικό και στην περίπτωση του collocation για παράδειγμα όταν έχουμε σε ένα μέρος διαφορετικούς τύπους σταθμών βάσης (π.χ σταθμούς που εξυπηρετούν μακροκύτταρα,μικροκύτταρα και πικοκύτταρα). Collocation απαιτείται για την αύξηση της ικανότητας κάλυψης και του συστήματος και την αύξηση της πυκνότητας των κελιών. Αν μάλιστα σε μια περιοχή βρίσκονται δίκτυα που ανήκουν σε διαφορετικούς παρόχους είναι πιθανό

23 23 οι σταθμοί βάσης να είναι πλήρως ασυντόνιστοι. Αυτό σημαίνει ότι κατά τον σχεδιασμό των δικτύων θα πρέπει να υπάρχει ένας συντονισμός μεταξύ των παρόχων. Μια ανάλυση της συμβατότητας θα πρέπει επίσης να λαμβάνει υπόψιν όλους τους τύπους κελιών macro, micro and pico CDMA Στο σύστημα UMTS χρησιμοποιείται ως μέθοδος πολύπλεξης η τεχνική CDMA. Σε αντίθεση με τις τεχνικές TDMA και FDMA η CDMA κατανέμει το προς μετάδοση σήμα σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων και στην συνέχεια στον δέκτη ανασυνθέτει το σήμα στην αρχική του συχνότητα. Σχήμα cdma Η τεχνική αυτή ονομάζεται spread spectrum και ένα από τα πλεονεκτήματα της είναι ότι εμφανίζεται πολύ μικρή πυκνότητα πιθανότητας υποκλοπής (LPI) και παρεμβολής ακόμα και όταν υπάρχουν άλλα σήματα που χρησιμοποιούν αυτές τις συχνότητες. Έτσι ενώ με τις FDMA και TDMA προκείμενου να πετύχουμε την πολύπλεξη έπρεπε να μοιράσουμε τους πόρους (χρόνο, συχνότητα) του καναλιού στους χρήστες, με την CDMA ο κάθε χρήστης μπορεί να εκμεταλλευτεί όλο το φάσμα (χρόνου και συχνότητας) του καναλιού.

24 24 Σχήμα Η βασική αρχή λειτουργίας του συστήματος αυτού είναι πως κάθε τερματικό μέσα σε μια περιοχή χρησιμοποιεί έναν μοναδικό κώδικα (spreading code) προκείμενου να μεταβάλλει το μεταδιδόμενο σήμα. Ο δέκτης γνωρίζοντας τον κώδικα αυτόν μπορεί να τον χρησιμοποιήσει για να ανασυνθέσει το αρχικό narowband σήμα. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αναλυθεί ξεχωριστά στο πεδίο του χρόνου και το πεδίο της συχνότητας. Στο πεδίο του χρόνου το spreading γίνεται πολλαπλασιάζοντας ένα σήμα χαμηλού ρυθμού μετάδοσης με ένα σήμα υψηλού ρυθμού όπως φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα Spreading σήματος

25 25 Το προς μετάδοση σήμα (user data) πολλαπλασιάζεται με το μοναδικό για κάθε χρήστη κώδικα (user's spreading code) και έτσι προκύπτει το μεταδιδόμενο σήμα. Το σήμα αυτό θα χρησιμοποιηθεί για την διαμόρφωση του RF φορέα. Το αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού των δυο σημάτων είναι η διεύρυνση του εύρους του φάσματος. Στον δέκτη το αρχικό σήμα λαμβάνεται πολλαπλασιάζοντας το λαμβανόμενο σήμα με τον ίδιο κωδικά με βάση τον οποίο έγινε η αποστολή. Σχήμα De-speading σήματος Μια πολύ σημαντική παράμετρος σε αυτή την διαδικασία επεξεργασίας του σήματος είναι ο συγχρονισμός του spreading code του αποστολέα με αυτόν που χρησιμοποιείται στον δέκτη και για αυτό τον λόγο στο UTRA FDD σύστημα υπάρχουν κανάλια αφιερωμένα ειδικά για αυτόν τον σκοπό. Εξετάζοντας την διαδικασία στο πεδίο της συχνότητας, μπορούμε να δούμε την power spectral density (PSD) των σημάτων που φθάνουν στον δέκτη. Τα σήματα αυτά είναι συμμετρικά τοποθετημένα ως προς την συχνότητα του φορέα fc και το φάσμα παρουσιάζει τα πρώτα μηδενικά σε απόσταση 1/Tc από την συχνότητα αυτή (όπου Tc είναι η περίοδος σύμβολου (chip) στο spreading code).

26 26 Κατά τη διάρκεια του de-spreading μειώνεται το εύρος φάσματος μόνο του σήματος που θέλουμε να λάβουμε και εμφανίζει τα πρώτα μηδενικά σε απόσταση 1/Τ από την συχνότητα του φορέα (όπου Τ η περίοδος συμβόλου του αρχικού σήματος - bit period)

27 27 Τα φασματικά χαρακτηριστικά των άλλων σημάτων (άλλοι χρήστες) παραμένουν αναλλοίωτα Με την χρήση ενός ζωνοδιαβατού φίλτρου μπορούμε τώρα να απομονώσουμε το σήμα που θέλουμε να πάρουμε. Μια άλλη σημαντική παράμετρος των CDMA συστημάτων είναι το processing gain δηλαδή ο λόγος του bit rate προς το CDMA chip rate. Το processing gain μας πληροφορεί για το πόσο μπορούμε να βελτιώσουμε το SIR του ζητούμενου σήματος κατά την de-spreading διαδικασία. Για παράδειγμα αν έχουμε user data rate 9.6 kbps και chip rate of 3.84 Mchips/s, τότε το processing gain ειναι 400 ή 26 db. Με άλλα λόγια, η διαδικασία του de-spreading μπορεί να βελτιώσει το SIR του σήματος κατά 26 db. Αν υποθέσουμε δηλαδή ότι απαιτείται SIR 10 db για την αποκωδικοποίηση στην έξοδο του de-spreading τότε μπορούμε να ανεχτούμε ένα SIR εισόδου 16 db. Το γεγονός ότι τα συστήματα που χρησιμοποιούν CDMA μπορούν να λειτουργούν με αρνητικό SIR σημαίνει ότι μπορούμε να χρησιμοποιούμε τις ίδιες συχνότητες σε όλα τα κελιά του δικτύου. Αντίθετα στα μέχρι τώρα συστήματα όπως το GSM και το TACS οι ίδιες συχνότητες μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν μόνο αν τα κελιά τα οποία τις χρησιμοποιούσαν ήταν αρκετά μακριά για να εξασφαλιστεί ένα ικανοποιητικό SIR. Αυτό μας επιτρέπει να αυξήσουμε σημαντικά την χωρητικότητα των δικτύων UMTS σε σχέση με αυτά της δεύτερης γενιάς Νέες Τάσεις Η μεγάλη επιδίωξη των σχεδιαστών των συστημάτων 3G είναι η δημιουργία ενός μεγάλου παγκοσμίου ασύρματου τηλεπικοινωνιακού συστήματος το οποίο θα μπορεί να παρέχει οπουδήποτε και οποτεδήποτε τα μέγιστα δυνατά data rates. Για την επίτευξη του στόχου αυτού τα βασικά πεδία τα οποία συνεχώς εξελίσσονται είναι το σύστημα πρόσβασης των δικτύων αυτών, η πλήρης ενσωμάτωση των δορυφόρων στο δίκτυο,η γεωγραφική κάλυψη που μπορούν να προσφέρουν και η χωρητικότητα τους. Όσον αφορά την μέθοδο πρόσβασης την περίοδο αυτή προέχει η πλήρης εφαρμογή του προτύπου UTRA TDD. Το πρότυπο αυτό επιλέχθηκε από την ITU στα πλαίσια του IMT-2000 ενώ συμπεριλαμβανόταν και σε όλες τις εκδόσεις του 3GPP. Εφαρμόζει πολύπλεξη στο πεδίο του χρόνου και έτσι μπορεί να χρησιμοποιείται η ίδια περιοχή συχνοτήτων για το downlink και το uplink. Ως τεχνική πρόσβασης χρησιμοποιείται μια μίξη της TDMA και της CDMA.Δηλαδη το κανάλι χωρίζεται σε χρονοθυρίδες και σε κάθε θυρίδα αποστέλλονται πολλοί CDMA κώδικες για την εξυπηρέτηση περισσότερων συνδρομητών. Κάθε χρονοθυρίδα μέσα σε ένα πλαίσιο μπορεί να διατεθεί για το downlink ή το uplink.το σύστημα αυτό μας εξασφαλίζει -υψηλές ταχύτητες μετάδοσης στα hot spots -την χρήση ασύμμετρου uplink και downlink -την δυνατότητα εφαρμογής εξελιγμένων μεθόδων επεξεργασίας του σήματος Το γεγονός ότι χρησιμοποιούμε χρονοθυριδες σημαίνει ότι μπορούμε να πετύχουμε την ασύμμετρη μετάδοση στις δυο κατευθύνσεις. Έχει επικρατήσει η άποψη ότι η κατεύθυνση του downlink έχει πολύ περισσότερες απαιτήσεις σε εύρος φάσματος λόγω της ανάπτυξης ενός πλήθους πολυμεσικων εφαρμογών και του web browsing.αυτή η εκτίμηση όμως είναι πολύ πιθανό να ανατραπεί σύντομα καθώς έχουμε την ανάπτυξη νέων peer to peer και interactive εφαρμογών που

28 28 απαιτούν υψηλές ταχύτητες μετάδοσης και στο uplink. Στον τομέα των δορυφορικών συστημάτων η σημαντικότερη εξέλιξη η οποία σημειώθηκε είναι η προσπάθεια της ευρωπαϊκής υπηρεσίας ESA και της νότιο κορεατικής ΤΤΑ να ενaρμονίσουν τις CDMA δομές τους με τις εκδόσεις του UTRA FDD. Αυτό θα επιτρέψει μελλοντικά στα επίγεια WCDMA τερματικά να συνδεθούν με το δορυφορικό τμήμα του δικτύου 3G. Παράλληλα τον Μάρτιο του 2005 έγινε η εκτόξευση του πρώτου Inmarsat-4 ο οποίος είναι σχεδιασμένος έτσι ώστε να προσφέρει ευρυζωνικές υπηρεσίες δεδομένων και φωνής συμβατές με τον εξοπλισμό των επίγειων εξοπλισμών. Ο Ι-4 έχει 16 φόρες μεγαλύτερη χωρητικότητα από τους προγενέστερους Ι-3. Είναι γεωστατικός και βρίσκεται σε τροχιά σε ύψος χιλιόμετρα πάνω από τον Ινδικό ωκεανό. Φωτίζει ηλεκτρομαγνητικά την Ευρώπη την Αφρική την Μέση Ανατολή και την δυτική Αυστραλία. Τον Νοέμβριο του ίδιου χρονου εκτοξεύθηκε και ο δεύτερος Ι-4 με σκοπό να καλύψει την περιοχή της Αμερικής. Οι δυο αυτοί δορυφόροι αποτελούν την ραχοκοκκαλιά του δικτύου INMARSAT νέας γενιάς. Το δίκτυο αυτό είναι ένα IP δίκτυο μεταγωγής πακέτου το οποίο όταν ολοκληρωθεί θα παρέχει ευρυζωνικες υπηρεσίες όπως η πρόσβαση στο internet και το videoconferencing σε ταχύτητες ως και 492 kbps. Για να αυξηθεί η ικανότητα γεωγραφικής κάλυψης από τα συστήματα τρίτης γενιάς δυο συστήματα που μένει να αξιοποιηθούν είναι τα UHS και το HAPS. To UHS (Ultra High Sites) συγκροτείται από σταθμούς βάσης τοποθετημένους σε πολύ μεγάλο ύψος (τηλεοπτικούς πύργους, πολύ ψηλά κτίρια). Η ικανότητα κάλυψης τους είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των συνηθισμένων μακροκυτταρων όμως η ικανότητα χωρητικότητας τους μειώνεται όσο αυξάνεται η περιοχή την οποία καλύπτουν. Το HAPS (High Altitude Platform System) περιλαμβάνει μικρά αεροσκάφη ή αερόστατα τοποθετημένα στην στρατόσφαιρα σε ύψος περίπου 20 χιλιόμετρων. Αποτελούν ένα υβρίδιο των δορυφορικών και επίγειων συστημάτων. Είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να καλύπτουν από μικροκυτταρα ακτίνας ενός χιλιόμετρου μέχρι κύτταρα ακτίνας μεγαλύτερης των 20 χιλιόμετρων. Το HAPS δεν προορίζεται για να αντικαταστήσει κάποια από τις υπάρχουσες τεχνολογίες όμως θα ενσωματωθεί στο σύστημα παρέχοντας συμπληρωματικές υπηρεσίες.το μεγαλύτερο πρόβλημα του συστήματος αυτού είναι το υψηλό κόστος παραγωγής και λειτουργίας τους. Για την αύξηση της χωρητικότητας του δικτύου με το ελάχιστο δυνατό κόστος μια αξιόπιστη λύση είναι η ιεραρχική επικάλυψη των κυψελοειδών επίπεδων HCS (Hierarchical Cell Structures). Εφαρμόζεται όταν δορυφορικά συστήματα, μακρο μικρο και πικο κύτταρα χρησιμοποιούνται για να καλύψουν την ίδια γεωγραφική περιοχή. Για να αποφύγουμε τις παρεμβολές μεταξύ των συστημάτων αυτών πρέπει να γίνει κάποια διάκριση μεταξύ τους τουλάχιστον σε ένα από τα πεδία της συχνότητας του χρόνου και του τόπου. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται σήμερα περισσότερο είναι ο διαχωρισμός στο πεδίο της συχνότητας αν και κάτι τέτοιο μειώνει στην πραγματικότητα την χωρητικότητα του συστήματος. Το σύστημα σε αυτή την περίπτωση γίνεται αποδοτικότερο μόνο αν οι ταχέως κινούμενοι συνδρομητές εξυπηρετούνται από τα μακροκύτταρα και οι βραδέως κινούμενοι απο τα μικρο κύτταρα. Ο διαχωρισμός του με την έννοια του τόπου επιτρέπει σε ένα μακροκύτταρο να επικαλύψει ένα πικοκύτταρο που χρησιμοποιείται για να καλύψει τις ανάγκες ενός κλειστού χώρου

29 29 εκμεταλλευόμενος την εξασθένιση που επιφέρουν οι τοίχοι του κτηρίου. Αυτό επιτρέπει την επαναχρησιμοποίηση των συχνοτήτων στην ίδια περιοχή και αυξάνει δραστικά την χωρητικότητα. Ο διαχωρισμός στο πεδίο του χρόνου είναι μια σχετικά νέα τεχνική σύμφωνα με την οποία εφαρμόζοντας καταμερισμό χρόνου μπορεί να ενσωματωθεί ένα μικροκύτταρο σε ένα μακροκύτταρο στην ίδια γεωγραφική περιοχή και στις ίδιες συχνότητες. Κακός συντονισμός θα μπορεί να προκαλέσει πολύ υψηλά επίπεδα παρεμβολών και μείωση της χωρητικότητας. Τέλος θα πρέπει να αναφερθούμε και στα ετερογενή δίκτυα δηλαδή στα δίκτυα τα οποία προκύπτουν από την επικοινωνία του 3G με άλλα δίκτυα σε διάφορα επίπεδα. Τα σημαντικότερα από αυτά είναι τα WIRELESS LANs και τα WIRELESS MANs. Τα WIRELESS LANs προκύπτουν από την σύνδεση του 3G με δίκτυα που βασίζονται στο IP. Η υποστήριξη των δικτύων αυτών αναπτύχθηκε ιδιαίτερα στα πλαίσια του 3GPP Release 6. Το WiMax είναι ένα πρότυπο ασύρματης πρόσβασης θεσπισμένο από την IEEE (IEEE x). Στις αρχικές εκδόσεις του δεν υποστήριζε την κινητικότητα όμως οι νεότερες εκδόσεις υποστηρίζουν και αυτή την λειτουργιά. Αρχικά προοριζόταν για την παροχή ευρυζωνικων υπηρεσιών σε εταιρείες και προαστιακές περιοχές ενώ η HSDPA χρησιμοποιούνταν για την μεταφορά δεδομένων σε κινούμενους συνδρομητές και τις υπηρεσίες φωνής. Τώρα ανταγωνίζονται αυτά τα πρότυπα και φαίνεται πως τελικά θα επικρατήσει το WiMax το οποίο έχει επίσης σχεδιαστεί έτσι ώστε να υποστηρίζει point-to-multipoint ευρυζωνικά ασύρματα δίκτυα πρόσβασης.

30 LONG TERM EVOLUTION Η συνεχώς διευρυνόμενη αγορά των επικοινωνιών και η ανάπτυξη ενός πλήθους νέων εφαρμογών (mobile TV, Web 2.0, streaming, MIMOG κτλ) ώθησαν το 3GPP στην δημιουργία του LTE. Το LTE είναι το τελευταίο πρότυπο δικτύων κινητής τηλεφωνίας το οποίο αναμένεται να αντικαταστήσει το UMTS μέχρι το τέλος του Σχήμα Κατανομή Χρηστών

31 31 Το LTE βασίζεται στο δίκτυο E UTRAN (Evolved UTRAN) και αναμένεται σταδιακά να βελτιώσει το throughput, την χωρητικότητα και να μείωσει την latency στο πεδίο του χρήστη. Για την διεκπεραίωση της κίνησης έχει επιλεχθεί το πρωτόκολλο IP ενώ και η κίνηση φωνής θα υποστηρίζεται ως VoIP επιτρέποντας έτσι την ενσωμάτωσή της σε άλλες πολυμεσικές εφαρμογές. Σε αντίθεση με το HSPA (Release 99 UMTS) εφαρμόζεται μια νέα αρχιτεκτονική (EPC -Evolved Packet Core) για την υποστήριξη του E UTRAN με μειωμένο αριθμό στοιχείων δικτύου, απλούστερη δομή, αυξημένη λειτουργικότητα και κυρίως την απαιτούμενη ελαστικότητα ώστε να είναι δυνατή η σύνδεση και η μεταγωγή (hand over) με άλλα δίκτυα ασύρματης πρόσβασης. 1. Eυρυζωνική ασύρματη πρόσβαση με υψηλό throughput. 2. Η σύγκλιση των τεχνολογιών και των δικτύων. Η διαμόρφωση ενός ενιαίου πεδίου εφαρμογών στο οποίο θα έχουν πρόσβαση οι χρήστες διαφορετικού τύπου δικτύων και συσκευών. 3. Η ανάπτυξη ευφυίας στα άκρα του δικτύου. 4. Η μετάβαση σε full IP τεχνολογία. 5. Η αυξημένη ασφάλεια Φυσικό Επίπεδο Modulation / Multiple Access Στην κατεύθυνση του downlink χρησιμοποιείται η OFDM / OFDMA τεχνική πρόσβασης και η SC FDMA στην κατεύθυνση του uplink. Πίνακας downlink

32 OFDMA/OFDM Η OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) είναι μια μέθοδος πρόσβασης βασισμένη στην OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).Η OFDM η οποία εφαρμόστηκε αρχικά σε Wi-Fi δίκτυα (802.11a/g) και άλλα ψηφιακά συστήματα μετάδοσης υψηλής ταχύτητας χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στον χώρο της κυτταρικής αρχιτεκτονικής στα πλαίσια του προτύπου fixed access WIMAX d.. Σύμφωνα με την OFDM μέθοδο πολύπλεξης το εύρος φάσματος διαιρείται σε έναν μεγάλο αριθμό bandwidths τα οποία είναι μαθηματικά ορθογώνια μεταξύ τους μέσω του μετασχηματισμού Fourier (FFT).Η ανοικοδόμηση γίνεται με αντίστροφο μετασχηματισμό (IFFT). Τυπικά μεγέθη FFT για OFDM συστήματα είναι 512, 1024, Τα νέα στενότερα εύρη που προκύπτουν αναφέρονται ως υποφέρουσες. Λόγω της ορθογωνιότητας των καναλιών που σχηματίζονται αν και επικαλύπτονται στο πεδίο της συχνότητας δεν δημιουργούνται παρεμβολές μεταξύ τους. Πέρα από το προφανές πλεονέκτημα της OFDM, την μείωση δηλαδή των παρεμβολών η τεχνική αυτή αντιμετωπίζει ικανοποιητικότερα από την CDMA και το φαινόμενο του delay spread. Σε ένα σύστημα CDMA η περίοδος συμβόλου είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με το delay spread (microseconds) ενώ στην OFDM η περίοδος συμβόλου είναι της τάξης των 100 microseconds και έτσι η επίδραση του delay spread είναι λιγότερο σημαντική στην λήψη του σήματος. Για την περαιτέρω αντιμετώπιση του προβλήματος ένα φάσμα 10 microseconds παρεμβάλλεται μεταξύ των συμβόλων(cyclic prefix). Ένα άλλο πλεονέκτημα της OFDM προκύπτει από την χρήση εξελιγμένων τεχνικών επεξεργασίας σήματος πολλαπλών κεραιών. Οι δύο σημαντικότερες τεχνικές είναι η MIMO και η AAS. Στην ΜΙΜΟ τεχνική εκμεταλλευόμαστε το ότι το σήμα που λαμβάνουμε από μία κεραία διαφέρει απο το σήμα που λαμβάνουμε από μια δεύτερη κεραία εξαιτίας των φαινομένων της πολυόδευσης. Σε αυτή την περίπτωση μπορούμε να εκπέμψουμε ένα διαφορετικό σήμα από κάθε κεραία στην ίδια συχνότητα και να ανακτήσουμε τα σήματα αυτά στον δέκτη μετά από την κατάλληλη επεξεργασία. Στην περίπτωση του LTE χρησιμοποιούμε ως ΜΙΜΟ τεχνική την PU 2 RC (Per-User Unitary Rate Control ). Με την εφαρμογή του pre-coding διαφορετικά σήματα μπορούν να εκπέμπονται ταυτόχρονα προς τους συνδρομητές που στέλνουν αίτηση εξυπηρέτησης. Συγκεκριμένα η κεραία εκπομπής διαθέτει N t στοιχεία. Το εκπεμπόμενο σήμα διαμορφώνεται ως εξής : k x= i =1 w i p i s i όπου x είναι το διάνυσμα των εκπεμπόμενων συμβόλων διαστάσεων Ν t x 1 w το γραμμικό διάνυσμα προκωδικοποίησης ( Ν t x1) Το σχηματίζεται βάσει των πληροφοριών για την κατάσταση του καναλιού που φθάνουν στον σταθμό βάσης από τον εξοπλισμό χρήστη (UE) με την χρήση ενός coded look-up table index. Η OFDMA αναπτύχθηκε προκειμένου να είναι δυνατή η εφαρμογή της OFDM εκτός από fixedaccess ασύρματα συστήματα στα κυτταρικά συστήματα τα οποία χαρακτηρίζονται από κινητικότητα.

33 33 Στην OFDMA οι υποφέρουσες ομαδοποιούνται σε μεγαλύτερες μονάδες, τα υπο-κανάλια και αυτά με την σειρά τους ομαδοποιούνται σε bursts τα οποία διατίθενται στους χρήστες. Η κατανομή των bursts μπορεί να αλλάζει από πλαίσιο σε πλαίσιο έτσι ο σταθμός βάσης είναι σε θέση να διορθώνει τον τρόπο καταμερισμού του bandwidth ανάλογα με τις απαιτήσεις του συστήματος μια δεδομένη χρονική στιγμή. Επιπλέον, καθώς κάθε χρήστης χρησιμοποιεί ένα μικρό μόνο μέρος του συνολικού φάσματος η ισχύς κάθε χρήστη μπορεί να διαμορφωθεί ανάλογα με τις απαιτήσεις του συστήματος. Τέλος και το SNR είναι δυνατό να προσαρμόζεται στις απαιτήσεις της εφαρμογής που τρέχει ο κάθε χρήστης ξεχωριστά.(internet, streaming video κοκ) Τα συστήματα αυτά μπορούν να υποστηρίζουν παράλληλα και πολύπλεξη χρόνου και συχνότητας. Αυτή η ελαστικότητα των συστημάτων LTE θα κάνει πιο ομαλή την μετάβαση στα συστήματα τέταρτης γενιάς. Οι πάροχοι ήδη διαμορφώνουν τα κριτήρια επιλογής του OFDMA εξοπλισμού (υπολογιστική ισχύς, χαμηλή κατανάλωση, ελαστικότητα, ενσωμάτωση περιφερειακών υψηλών ταχυτήτων κτλ) που θα χρησιμοποιηθεί αργότερα και για την εξυπηρέτηση των δικτύων 4G SC-FDMA Όπως ακριβώς στην OFDMA έτσι και στην SC-FDMA ανάμεσα στα block των συμβόλων παρεμβάλλονται ζώνες φάσματος (guard intervals) για την αντιμετώπιση του delay spread. Ενώ όμως στην OFDM o FFT εφαρμόζεται στην πλευρά του δέκτη και ο IFFT στην πλευρά του πομπού στην SC-FDMA τόσο ο FFT όσο και ο IFFT εφαρμόζονται εφαρμόζονται και στην πλευρά του πομπού και στην πλευρά του δέκτη. Ο λόγος για τον οποίο το πρότυπο LTE υιοθέτησε δύο διαφορετικές τεχνικές για την κάθε κατεύθυνση είναι ο εξής: Τα OFDMA σήματα αποτελούνται από πολλές υπο-φέρουσες διαμορφωμένες με μια μέθοδο υψηλής τάξης (πχ 64 QAM). Αυτό έχει ως συνέπεια να διατηρείται υψηλό το peak to average power ratio (PAPR). Το υψηλό PAPR σε συνδυασμό με την απαίτηση για ακριβή μετάδοση (λόγω της υψηλής τάξης διαμόρφωσης) αναγκάζουν τον ενισχυτή ισχύος της διάταξης να λειτουργεί στην γραμμική περιοχή λειτουργίας του κάτι που έχει αρνητικές συνέπειες στην αποδοτικότητά του. Η προτεινόμενη λύση από το 3GPP είναι στην κατεύθυνση του downlink να χρησιμοποιηθεί η OFDMA καθώς αν και μη αποδοτική ενεργειακά είναι εφαρμόσιμη αφού ο ενισχυτής βρίσκεται στον σταθμό βάσης και εκεί μπορούμε να παρέχουμε την επιπλέον απαιτούμενη ισχύ. Στην κατεύθυνση του uplink όμως όπου ο ενισχυτής ισχύος βρίσκεται στην τερματική συσκευή και τροφοδοτείται από την μπαταρία μπορούμε να υιοθετήσουμε μία μέθοδο (SC-FDMA) με καλύτερο PAPR.

34 Αρχιτεκτονική του LTE Προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί η πολυπλοκότητα των δικτύων η αρχιτεκτονική του LTE διαμορφώνεται όπως φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα Τα σημαντικότερα λειτουργικά στοιχεία είναι τα εξής: Evolved Radio Access Network (E-RAN) Το εξελιγμένο RAN για το LTE αποτελείται από έναν κόμβο για παράδειγμα το enodeb (enb) που διεφάπτεται με τον εξοπλισμό χρήστη (UE).Το enb περιλαμβάνει τα : PHY (Physical),MAC (Medium Access Control), RLC (Radio Link Control) και PDCP (Packet Data Control Protocol) επίπεδα. Επίσης παρέχει το Radio Source Control (RSC) και παρέχει υπηρεσίες διαχείρισης των πόρων. Serving Gateway (SGW) Το SGW δρομολογεί και προωθεί τα πακέτα δεδομένων. Mobility Management Entity (MEE) To ΜΕΕ είναι ο κύριος κόμβος ελέγχου για το δίκτυο πρόσβασης του LTE. Packet Data Network Gateway (PDN GW) Εξασφαλίζει την συνδεσιμότητα σε εξωτερικά δίκτυα καθώς αποτελεί το σημείο εξόδου της

35 35 κίνησης στο UE. Επίσης αποτελεί την διεπαφή σε 3GPP και μη 3GPP τεχνολογίες όπως το WiMAX. Σχήμα Πρωτόκολλα πεδίου ελέγχου σχήμα πρωτόκολλα πεδίου χρήστη

36 36 Αυτή η αρχιτεκτονική επιτρέπει στους παρόχους να μειώσουν το κόστος κατοχής και λειτουργίας των δικτύων καθώς τους δίνει την δυνατότητα να έχουν ξεχωριστά CN ενώ μοιράζονται τους πόρους ενός μοναδικού E UTRAN. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της ικανότητας του enb να συνδέεται με διαφορετικά CN Τοπολογία Δικτύου Οι περισσότεροι πάροχοι σχεδιάζουν να επαναχρησιμοποιήσουν στοιχεία της WCDMA αρχιτεκτονικής και να τα ενσωματώσουν στα νέα δίκτυα διατηρώντας παράλληλα τις ίδιες διεπαφές σε επίπεδο software. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι κατασκευαστές τερματικών να διευκολύνονται στην προσαρμογή των προϊόντων τους ενώ η συνύπαρξη του LTE, GSM και WCDMA/HSPA στη κοινή πλατφόρμα του LTE καθιστούν δυνατή την παγκόσμια κάλυψη και μεταγωγή από την πρώτη μέρα εφαρμογής του νέου συστήματος. Σχήμα 1.3.5

37 Απόδοση Δικτύου Το E UTRAN πρόκειται να υποστηρίξει υπηρεσίες όπως το web browsing, το FTP,το video streaming, το VoIP και το real time video. Επομένως το LTE είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να αποτελέσει ένα σύστημα με υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης και χαμηλή latecy. Το εύρος φάσματος για το UE είναι 20 Mhz τόσο για μετάδοση όσο και για λήψη. Ο πάροχος όμως μπορεί στα κελιά να χρησιμοποιήσει όλα τα εύρη που φαίνονται στον πίνακα. Το LTE έχει ως στόχο και την ελαχιστοποίηση του κόστους και της κατανάλωσης ισχύος εξασφαλίζοντας ταυτόχρονα την αποδοτική οικονομικά μετάβαση από το UMTS. Η αποδοτικότητα του φάσματος αναμένεται να είναι στην κατεύθυνση του downlink 3 με 4 φορές μεγαλύτερη σε σχέση με του Release 6 HSDPA και 2 με 3 φορές στην κατεύθυνση του uplink σε σχέση με το Release 6 HSUPA. Όσον αφορά την διαδικασία μεταγωγής, ο χρόνος διακοπής θα μειωθεί σε σχέση με τα circuit switched δίκτυα 2G. Πίνακας Χαρακτηριστικά απόδοσης LTE

38 38 Τα αποτελέσματα των εξομοιώσεων (πίνακας επόμενης σελίδας) που έχουν γίνει δίνουν μια εικόνα των δυνατοτήτων του LTE και επιβεβαιώνουν την υψηλή του απόδοση. Τόσο το throughput όσο και η αποδοτικότητα του φάσματος είναι σημαντικά βελτιωμένα σε σχέση με το UMTS ( UTRAN) υπερκαλύπτοντας τις απαιτήσεις απόδοσης που δίνονται στον πίνακα της προηγούμενης σελίδας Λειτουργία και Συντήρηση Μία από τις βασικότερες απαιτήσεις είναι η μείωση του OPEX. Σημαντικό ρόλο σε αυτό παίζουν τα αυτοδιαχειριζόμενα στοιχεία του συστήματος. Τα αυτόνομα αυτά στοιχεία όχι μόνο μειώνουν το κόστος αλλά και επιταχύνουν την εφαρμογή της LTE τεχνολογίας κάνοντας δυνατή την γρήγορη και εύκολη εγκατάσταση και ενσωμάτωση των σταθμών βάσης χωρίς να απαιτείται μεγάλη προετοιμασία και αλληλεπίδραση μεταξύ των παρόχων. Παράλληλα οι αυτοματοποιημένες λειτουργίες ελέγχου που περιλαμβάνουν την βελτιστοποίηση των γειτονικών κελιών και των συντονισμό όλων των παραμέτρων κατά την μεταγωγή καθώς και άλλους αλγόριθμους διαχείρισης συμβάλλουν στην απλοποίηση των διαδικασιών συντήρησης Εξοπλισμός Χρήστη Το LTE έχει σχεδιαστεί εξ αρχής έτσι ώστε να εξυπηρετεί μικρές, υψηλής απόδοσης και αποδοτικές ενεργειακά τερματικές συσκευές. Έκτος από συσκευές κινητής τηλεφωνίας και φορητούς υπολογιστές το πεδίο εξοπλισμού χρήστη περιλαμβάνει και άλλου τύπου συσκευές με υψηλές απαιτήσεις σε downlink και uplink bit rates ( φορητές συσκευές τηλεόρασης, βιντεοκάμερες) και χαμηλού latecy (κονσόλες online gaming) Ασφάλεια Μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που παρουσιάζονται κατά την ανάπτυξη του LTE και επιβραδύνουν την εφαρμογή του είναι η εξασφάλιση των επικοινωνιών πάνω στα ευαίσθητα IP δίκτυα. Για την διασφάλιση του απορρήτου των επικοινωνιών η από άκρη σε άκρη προσέγγιση του δικτύου επιβάλλει: -εξελιγμένες μεθόδους πιστοποίησης -ασφαλή πρωτόκολλα και αποθήκευση δεδομένων -έλεγχο στα άκρα του δικτύου.

39 39 Σχήμα 1.3.7

40 Συμπεράσματα Θα μπορούσαμε να πούμε ότι μέχρι τώρα το UMTS έχει καλύψει σε πολύ μεγάλο βαθμό τις απαιτήσεις που οδήγησαν στην ανάπτυξη των συστημάτων τρίτης γενιάς. Φυσικά υπάρχουν περιθώρια βελτίωσης τόσο της χωρητικότητας του συστήματος όσο και της ικανότητας κάλυψης του.όμως με την υιοθέτηση του έγινε πράξη η ενσωμάτωση των IP δικτύων στα ασύρματα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα που είναι παράλληλα και το πρώτο βήμα για την ανάπτυξη των συστημάτων τετάρτης γενιάς. Προωθήθηκε ακόμα η διαδικτυακή συνεργασία και χρησιμοποιήθηκαν με τέτοιο τρόπο οι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι ώστε μπορούμε σήμερα να μιλάμε για ένα διαδίκτυο παγκόσμιας κλίμακας με αυξημένη χωρητικότητα μέσα στο οποίο παρέχονται πολλές δυνατότητες περιαγωγής και μέσω του οποίου οι συνδρομητές έχουν πρόσβαση σε μια πληθώρα υπηρεσιών. Είναι επίσης πολύ σημαντικό το γεγονός ότι χρησιμοποιήθηκε ένα μεγάλο μέρος της τεχνολογίας δεύτερης γενιάς όπως το GPRS και η βασική δομή του core network. Το LTE, η νέα έκδοση που προωθεί το 3GPP θα καλύπτει ακόμη περισσότερες ανάγκες μέχρι τελικά να παγιωθεί και να εφαρμοστεί πλήρως η τετάρτη γενιά των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων τα οποία θα είναι πλέον IP δίκτυα και θα αλλάξουν σε πολύ μεγάλο βαθμό την δομή και την φιλοσοφία των επικοινωνιακών δικτύων ανοίγοντας νέους ορίζοντες στον τομέα των τηλεπικοινωνιών.

41 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 2.Path loss Shadowing - Fading Ανεξάρτητα από την τεχνολογία πάνω στην οποία βασίζονται τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα (πρώτης γενιάς, δεύτερης γενιάς κτλ) η απόδοση τους εξαρτάται σε πολύ μεγάλο βαθμό από τις ιδιότητες του μέσου το οποίο χρησιμοποιείται για την μετάδοση του σήματος. Στην περίπτωση των συστημάτων ασύρματων επικοινωνιών όπου το μέσο μετάδοσης είναι ο αέρας τα χαρακτηριστικά των ραδιοδιαύλων μεταβάλλονται στοχαστικά με τον χρόνο εξαιτίας της επίδρασης διαφόρων φυσικών φαινομένων καθιστώντας έτσι την διαδικασία της μετάδοσης μη ντετερμινιστική. Κατά τον σχεδιασμό λοιπόν των δικτύων κινητών επικοινωνιών είναι απαραίτητη η μελέτη της στοχαστικής αυτής συμπεριφοράς των καναλιών προκειμένου να εξασφαλιστεί ένα ικανοποιητικό SNR μέσα σε όλη την περιοχή την οποία καλύπτουν. 2.1 Attenuation Συγκεκριμένα, το κανάλι μετάδοσης επηρεάζει το λαμβανόμενο σήμα κατά έναν παράγοντα a, ο οποίος ονομάζεται παράγοντας εξασθένισης, Το a (attenuation) εκφράζει το σύνολο των φαινομένων τα οποία σχετίζονται με την φύση του καναλιού και που λαμβάνουν χώρα κατά την όδευση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Τα φαινόμενα αυτά στην περίπτωση των ασύρματων συστημάτων είναι το path loss, το shadowing και το fading. Το path loss, είναι ένα ντετερμινιστικό φαινόμενο εξαρτώμενο μόνο από την απόσταση του δέκτη από τον πομπό και σχετίζεται την εξασθένιση της ισχύος του σήματος συναρτήσει της απόστασης. Η επίδραση του φαινομένου αυτού είναι σημαντική ιδιαίτερα στις μεγάλες χρονικές κλίμακες τόσο όσον αφορά τον χρόνο αλλά και το μήκος κύματος. Το shadowing είναι ένα μη ντετερμινιστικό φαινόμενο η επίδραση του οποίου εμφανίζεται σε μικρότερη χρονική κλίμακα σε σχέση με το path loss και προκαλεί διακυμάνσεις της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος σε σημεία που ισαπέχουν από το την κεραία εκπομπής. Εκφράζει την επίδραση που ασκεί το περιβάλλον των κεραιών στην λήψη. Το fading τέλος, είναι ένα στοχαστικό φαινόμενο και προκαλεί μεταβολές της ισχύος σε μικρότερη χρονική κλίμακα από το shadowing και το path loss (milliseconds, microseconds) και οφείλεται στην πολυόδευση του σήματος και την λήψη από τον δέκτη πολλών αντιγράφων του εκπεμπόμενου ηλεκτρομαγνητικού κύματος με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Θα μπορούσαμε λοιπόν να εκφράσουμε τον παράγοντα εξασθένισης συναρτήσει αυτών των φαινομένων ως a t =a PL t a ash t a FA t όπου α PL t, a SH t, a FA t η συνεισφορά του path loss, του shadowing και του fading αντίστοιχα στην ολική εξασθένιση.

42 Path Loss Το path loss εκφράζει την εξασθένιση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος κατά την μετάδοσή του. Είναι ένα μέτρο ευρείας κλίμακας ως προς τον χρόνο (min) και το μήκος κύματος λ και δίνεται ως συνάρτηση της απόστασης που διανύει το σήμα από την πηγή μέχρι το σημείο της λήψης και της συχνότητας. Ο υπολογισμός του είναι ιδιαίτερα σημαντικός κατά την σχεδίαση των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας καθώς μας δίνει μια αξιόπιστη προσέγγιση της εξασθένισης και επομένως της στάθμης του λαμβανόμενου σήματος σε κάποια συγκεκριμένη απόσταση από τον Σταθμό Βάσης. Στα συστήματα πρώτης και δεύτερης γενιάς, το path loss καθορίζει τον βαθμό της αλληλεπίδρασης των συνδρομητών που κινούνται σε διαφορετικά κελιά και κατά συνέπεια την ελάχιστη απόσταση που πρέπει να υπάρχει ανάμεσα σε δύο κελιά που χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες έτσι ώστε να περιοριστούν οι μεταξύ τους παρεμβολές. Ο υπολογισμός του βασίζεται σε διάφορα θεωρητικά και εμπειρικά ή ημιεμπειρικά μοντέλα τα οποία έχουν αναπτυχθεί και τα οποία όπως αποδεικνύεται από τις μετρήσεις δίνουν πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα Free Space Propagation Το βασικότερο και απλούστερο μοντέλο υπολογισμού της εξασθένισης της ισχύος συναρτήσει της απόστασης είναι αυτό του free space propagation. Το μοντέλο αυτό βασίζεται στην υπόθεση ότι υπάρχει οπτική επαφή μεταξύ των κεραιών (Line Of Sight) και ότι η μετάδοση γίνεται στον ελεύθερο χώρο (δεν υπάρχουν ανακλαστήρες κτλ). Από την θεωρία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων γνωρίζουμε ότι η ισχύς ενός σήματος ακολουθεί έναν νόμο διάδοσης αντιστρόφου τετραγώνου συναρτήσει της απόστασης, της μορφής Pr λ 2 = G tx G rx Pt 4πd όπου Pt η εκπεμπόμενη ισχύς, Gt, Gr τα κέρδη των κεραιών αποστολής και λήψης αντίστοιχα, λ το μήκος κύματος και d η απόσταση. Η σχέση αυτή εκφρασμένη σε db δίνει Pr Pr λ [db ]=10 log [db ]=20 lo g 10 lo g G tx 10 lo g G rx Pt Pt 4πd Βλέπουμε ότι σύμφωνα με το μοντέλο αυτό η λαμβανόμενη ισχύς είναι αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της απόστασης. Η φυσική ερμηνεία του τετραγωνικού ρυθμού εξασθένισης του σήματος δίνεται απευθείας από την ηλεκτρομαγνητική θεωρία: Γνωρίζουμε ότι στον ελεύθερο χώρο η ενέργεια ακτινοβολείται ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις και έτσι το κύμα μπορεί να εξεταστεί σαν μια σφαίρα αυξανόμενης ακτίνας. Επειδή η

43 43 ενέργεια διατηρείται θα πρέπει να είναι σταθερή σε οποιαδήποτε απόσταση από την πηγή. Καθώς όμως η ενέργεια ανακατανέμεται στην επιφάνεια της σφαίρας όταν αυξάνεται η ακτίνα, η επιφάνεια της σφαίρας αυξάνεται με ρυθμό ανάλογο του τετραγώνου της ακτίνας και επομένως η ενέργεια του κύματος σε ένα σημείο στην επιφάνεια της σφαίρας μειώνεται με τον ίδιο ακριβώς ρυθμό. Το μοντέλο του Free Space Propagation αν και είναι σύμφωνο με την θεωρία δεν έχει μεγάλη πρακτική αξία στις τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές γιατί το περιβάλλον μέσα στο οποίο αναπτύσσονται οι ραδιοδίαυλοι είναι πολύ διαφορετικό από αυτό του ελεύθερου χώρου και έτσι οι τιμές ισχύος που λαμβάνουμε διαφέρουν σημαντικά από αυτές που θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε από την παραπάνω σχέση Plane Earth Model Ένα μοντέλο που προσεγγίζει καλύτερα τις πραγματικές συνθήκες διάδοσης είναι αυτό των δύο ακτίνων.οι παραδοχές που κάνουμε για την μελέτη του μοντέλου αυτού είναι ότι το επίπεδο πάνω στο οποίο βρίσκονται οι κεραίες είναι μια επίπεδη επιφάνεια ( μοντέλο επίπεδης γης ) και ότι στην κεραία του δέκτη φτάνουν μόνο δύο κύματα το ευθέως μεταδιδόμενο από την κεραία του σταθμού βάσης Xd και ένα ανακλώμενο Xr. Θεωρούμε ακόμα ότι η κεραία του σταθμού βρίσκεται σε ύψος hd ενώ του συνδρομητή σε hm και οτι η μεταξύ τους απόσταση είναι d όπως φαίνεται στο σχήμα. Από την γεωμετρία της διάταξης έχουμε d 1= h tx h rx 2 d 2 d 2= htx h rx d 2 α=arctan 2 h tx hrx d Η ισχύς του ανακλώμενου κύματος στον δέκτη υπολογίζεται προσεγγιστικά από τους τύπους ανάκλασης των επίπεδων κυμάτων.

44 44 Ο παράγοντας ανάκλασης για ένα τέτοιο κύμα είναι R Θ, ε eff = cosθ ε eff sin 2 θ cosθ ε eff sin 2 θ και η ισχύς του ανακλώμενου κύματος που φτάνει στον δέκτη είναι 2 P r =P t R Θ, ε eff λ G tx G rx 4πd τότε η ολική ισχύς στον δέκτη είναι 2 jδφ λ 1 e P r =P t G tx G rx R θ, ε eff 1 4π d1 d2 όπου Δφ=2π d 2 d 1 λ είναι η διαφορά φάσης μεταξύ των δύο κυμάτων. Καθώς απομακρυνόμαστε από τον πομπό μπορούμε να θεωρήσουμε ότι d =d1 d2 και ότι οι γωνίες θ είναι σχεδόν 90 μοίρες. Δεχόμαστε δηλαδή ότι η απόσταση μεταξύ του πομπού και του δέκτη είναι πολύ μεγαλύτερη από το ύψος των κεραιών. Έτσι ο συντελεστής ανάκλασης τείνει στο 1 και η σχέση (1) για οριζόντια πολικότητα απλοποιείται στην Pr= Pt λ 2 Gtx Grx 2 1 cosδφ 4πd = Pt λ 2 2 2π htx hrx Gtx Grx 4 sin 4πd λd = Pt λ 2 Gtx Grx 4 sin 2 ΔΦ /2 4πd Ο λόγος για τον οποίο υποθέσαμε οριζόντια πόλωση είναι πως στην πράξη τα κύματα ανεξαρτήτως πολικότητας συμπεριφέρονται σαν να ήταν οριζόντια πολωμένα. Για τιμές του ΔΦ μικρότερες από 0.6 rad είναι sin ΔΦ / 2 ΔΦ / 2 και έτσι καταλήγουμε στην σχέση 2 h P r =P t G tx G rx h tx rx2 d Παρατηρούμε ότι αυτός ο τύπος διαφέρει πολύ από αυτόν του free space propagation καθώς είναι ανεξάρτητος της συχνότητας και αντιστρόφως ανάλογος της τετάρτης δύναμης της απόστασης.

45 45 Διάγραμμα λαμβανόμενης ισχύος συναρτήσει της απόστασης Παρατηρώντας το διάγραμμα την μεταβολής της ισχύος συναρτήσει της απόστασης βλέπουμε ότι μπορούμε να διακρίνουμε δύο περιοχές. Την περιοχή κοντά στον σταθμό βάσης δηλαδή ( d 8 h b hm ) μέσα στην οποία εμφανίζονται λ ταλαντώσεις της ισχύος καθώς τα δύο κύματα αλληλεπιδρούν ενισχυτικά και καταστροφικά αντίστοιχα. Καθώς όμως απομακρυνόμαστε από τον σταθμό και αφού η διαφορά μεταξύ των δύο καναλιών λ όδευσης γίνει μικρότερη από 4 μέχρι να γίνει τελικά μηδέν. η διαφορά φάσης των κυμάτων μειώνεται σταδιακά από π/2 Στο διάστημα αυτό η τιμή της λαμβανόμενης ισχύος μειώνεται αντιστρόφως ανάλογα της τετάρτης δύναμης της απόστασης. Αυτός ο ρυθμός εξασθένισης οφείλεται στην αλληλεπίδραση δύο νόμων. Του νόμου αντιστρόφου τετραγώνου της ελεύθερης διάδοσης που είδαμε προηγουμένως και ενός νόμου αντιστρόφου τετραγώνου που εκφράζει την μείωση της διαφοράς φάσης των δύο ακτίνων και που προκύπτει από την γεωμετρία της διάταξης. Αν και το μοντέλο αυτό είναι αρκετά απλοποιημένο έχει ενδιαφέρον να παρατηρήσει κανείς ότι περιγράφει πολύ ικανοποιητικά την μεταβολή της μετρούμενης ισχύος συναρτήσει της απόστασης σε ένα αστικό μικροκύτταρο. Όπως φαίνεται στο επόμενο σχήμα στο οποίο αποτυπώνονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων σε ένα τέτοιο κύτταρο, υπάρχει μία περιοχή στην οποία ισχύει ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου και μια περιοχή όπου η μεταβολή είναι αντιστρόφως ανάλογη της τέταρτης δύναμης της απόστασης όπως ακριβώς προβλέπει το μοντέλο των δύο ακτίνων. Το κρίσιμο σημείο σε αυτήν την περίπτωση είναι περίπου 150 μέτρα.

46 Εμπειρικά και Ήμι Εμπειρικά Μοντέλα Μέχρι τώρα σε όλα τα μοντέλα στα οποία αναφερθήκαμε υποθέσαμε ότι υπάρχει υπάρχει οπτική επαφή ανάμεσα στην κεραία του σταθμού βάσης και τον δέκτη. Αυτό όμως δεν ισχύει στην πράξη. Οι γεωγραφικές συνθήκες που συναντάμε στις διάφορες εφαρμογές είναι πολύ πιο πολύπλοκες από αυτές που υποθέτουμε στους θεωρητικούς υπολογισμούς. Για τον λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφορα εμπειρικά και ημιεμπειρικά μοντέλα για τον καθορισμό του path loss σε συγκεκριμένα είδη περιβάλλοντος και για διαφορετικές συχνότητες. Τα μοντέλα αυτά βασίζονται σε εκτεταμένες μετρήσεις που έχουν γίνει στα περιβάλλοντα αυτά και την χρήση εμπειρικών και θεωρητικών δεδομένων. Pr 1 Είναι της γενικής μορφής Pt =K α ή d Pr [db ]=10 lo g K 10 α lo g d σε db Pt

47 47 Όπου οι σταθερές Κ και α, προσαρμόζονται στα δεδομένα των μετρήσεων της υπό μελέτη περιοχής. Ο παράγοντας Κ συνήθως εξαρτάται από την συχνότητα και από το ύψος των κεραιών. Δύο από τα πιο γνωστά μοντέλα είναι το Okumura Hata και το Lee Μοντέλο Okumura Hata Είναι το πιο δημοφιλές εμπειρικό μοντέλο. Ισχύει για τις ακόλουθες τιμές παραμέτρων συχνότητα : MHz απόσταση : Km 'Ύψος κεραίας πομπού (από το έδαφος) : m Ύψος κεραίας δέκτη (από το έδαφος) : m Ο τύπος για το path loss είναι A [db ]= log f MHz log h tx [m ] log h tx [m ] log d [m ] β όπου β είναι ένας παράγοντας που εξαρτάται από το περιβάλλον και παίρνει τις τιμές 2. [1.1 lo g f [ MHz ] 0.7 ]hrx [m ] [1.56 lo g f [MHz ] 0.8 ] για αραιοκατοικημένες περιοχές [lo g 1.54 hrx [m ] ]2 1.1 για αστικές περιοχές και f 300 MHz [lo g hrx [m ] ] για αστικές περιοχές και f 300MHz Το μοντέλο αυτό επεκτάθηκε από την COST (European Coorperation in the Field of Scientific and Technical Research) και έτσι δημιουργήθηκε το COST 231-Hata για συχνότητες Mhz : A [db ]= log f [ MHz ] lo g htx [m ] [ lo g htx [m ] ] lo g d [ Km] β c όπου c = 3 για αστικές περιοχές 0 για κάθε άλλη περίπτωση και β =[1.1log f 0.7 ] hrx [ m ] [ 1.56 lo g f [ MHz ] 0.8 ]

48 Μοντέλο Lee Ένα άλλο πολύ διαδεδομένο μοντέλο είναι το μοντέλο του Lee. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα του είναι πως οι παράμετροι του μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν στο περιβάλλον που θέλουμε να το εφαρμόσουμε χρησιμοποιώντας τα δεδομένα των μετρήσεων. Το μοντέλο αποτελείται από δύο μέρη 2. το point-to-point που σχετίζεται με την μορφολογία του εδάφους. 3. Το area-to-area το οποίο συνυπολογίζει την επίδραση των κατασκευών στον περιβάλλοντα χώρο. To area-to-area σκέλος είναι όμοιο με το μοντέλο του Hata και οι παράμετροι του καθορίζονται μετά από μετρήσεις στην περιοχή που μας ενδιαφέρει. Το point-to-point σκέλος διαφοροποιείται ανάλογα με το αν υπάρχουν εμπόδια στο κανάλι ή όχι. Έτσι έχουμε P r =P r0 10αlog d 20 log he ' CF h1 Για κανάλια χωρίς εμπόδια και P r =P r0 1 0αlog d 20 lo g he ' ' L CF Για κανάλια με εμπόδια και h e ' ' 1 h1 P r =P r0 10αlog d L CF Για κανάλια με εμπόδια και h e ' ' 1 P r =P t 2 0 log λ 10 lo g G Tx 10 lo g G Rx Για όδευση πάνω από επιφάνειες νερού. 4πd Το P r0 10αlogd εκφράζει τις απώλειες που οφείλονται στις κατασκευές στο περιβάλλον των κεραιών, h e ' ' και h e ' τα ενεργά ύψη για LOS και non-los συνθήκες και L είναι οι απώλειες που οφείλονται στην knife edge διάθλαση. Ο παράγοντας CF έχει να κάνει με το model calibration Η επίδραση του φαινομένου του Path Loss στον σχεδιασμό των συστημάτων Με βάση τα υπάρχοντα μοντέλα υπολογισμού του path loss και τους πίνακες παραμέτρων που προσδιορίζονται πειραματικά για κάποια περιοχή κατά τον σχεδιασμό ενός συστήματος κινητής τηλεφωνίας μπορούν να καθοριστούν πολλές κρίσιμες παράμετροι όπως η απαιτούμενη ισχύς εκπομπής και το εμβαδόν της περιοχής κάλυψης. Παράλληλα η μορφή του νόμου διάδοσης που χρησιμοποιούμε για να υπολογίσουμε το path loss σχετίζεται με φαινόμενα όπως το near far effect τα οποία επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση του συστήματος.

49 49 Πίνακας Παραμέτρων Γενικού Μοντέλου Path Loss Enviroment Model Type Used Antenna height (m) α 10logK[dB] Urban LOS 4 1,4 58,6 Urban NLOS 4 2,8 50,6 Urban LOS 12 2,5 35,8 Urban NLOS 12 4,5 20 Urban LOS 45 3,5 16,7 Urban NLOS 45 5,8-16,9 Suburban LOS 12 2,5 38 Suburban NLOS 5 3,4 25,6 Rural LOS 55 3,3 21,8 Rural NLOS 55 5,9-27,8 Πίνακας του γενικού μοντέλου path loss από μετρήσεις στην Φινλανδία για συχνότητα 5.3 Ghz σε απόσταση αναφοράς 1 m Δυνατότητα Κάλυψης και Path Loss Στην πράξη, γνωρίζουμε πως στα συστήματα επικοινωνίας ο εκθέτης του νόμου διάδοσης όσον αφορά το path loss κυμαίνεται μεταξύ 3 και 4. Αυτό σημαίνει πως μέσα στην περιοχή κάλυψης όσο απομακρυνόμαστε από τον σταθμό,το SNR είναι μικρότερο από ότι θα ήταν αν ίσχυε ο νόμος αντιστρόφου τετραγώνου. Από την άλλη όμως πλευρά το γεγονός ότι το σήμα εξασθενεί τώρα με ταχύτερο ρυθμό συναρτήσει της απόστασης από τον σταθμό βάσης περιορίζει και τις παρεμβολές από τα γειτονικά κελιά. Για να αυξήσουμε την δυνατότητα κάλυψης ενός πομπού δεδομένου ότι η ισχύς του μεταδιδόμενου σήματος μειώνεται με ρυθμό ανάλογο της τετάρτης δύναμης της απόστασης πρέπει να αυξήσουμε την ισχύ εκπομπής. Η αύξηση της ισχύος αυτής όμως δεν επιφέρει ανάλογη αύξηση της καλυπτόμενης περιοχής. Ας θεωρήσουμε κυκλική περιοχή κάλυψης ακτίνας R 1 η οποία εξυπηρετείται από σταθμό βάσης με ισχύ εκπομπής P 1 και ότι ο νόμος που εκφράζει τις απώλειες είναι τάξης κ.

50 50 Η ισχύς σε οποιαδήποτε απόσταση r είναι P r= P1 rk P 1 Στην άκρη του κελιού λοιπόν θα είναι P min= R k και θεωρούμε ότι αυτή είναι η ελάχιστη αποδεκτή 1 ισχύς προκειμένου να καλύπτονται οι απαιτήσεις του SNR. Αν μεταβάλλουμε την ισχύ εκπομπής σε P 2 για να εξακολουθεί να ικανοποιείται η απαίτηση για το SNR θα πρέπει να μεταβληθεί η ακτίνα του κελιού σε R 2 σύμφωνα με την σχέση Pmin= P1 R k 1 = P2 (2) R k2 και ο λόγος του εμβαδού των δύο περιοχών θα είναι 2 2 A2 R P = 2 = 2 k A1 R1 P1 Στην περίπτωση λοιπόν που το κ=4 όπως εξετάσαμε προηγουμένως πρέπει να τετραπλασιάσουμε την ισχύ για να διπλασιαστεί η περιοχή κάλυψης. Αντίθετα αν ίσχυε ένας νόμος αντιστρόφου τετραγώνου θα αρκούσε να διπλασιάσουμε την ισχύ. Αυτό είναι ενδεικτικό της σημασίας της σωστής επιλογής του μοντέλου που θα χρησιμοποιήσουμε για τον υπολογισμό του path loss. Αν θεωρήσουμε τώρα ότι οι συνδρομητές είναι ομοιόμορφα κατανεμημένοι μέσα στο κύτταρο οδηγούμαστε στο συμπέρασμα ότι οι περισσότεροι από αυτούς βρίσκονται μακριά από τον σταθμό βάσης. Επομένως ένα σημαντικό ποσοστό του συνολικού αριθμού των συνδρομητών εξυπηρετείται με το ελάχιστο SNR.

51 51 Μέσα σε μία κυκλική περιοχή ακτίνας R και με ελάχιστη αποδεκτή ισχύ λήψης Pmin η πιθανότητα ένας χρήστης να βρίσκεται σε απόσταση μεγαλύτερη ή ίση με r από τον σταθμό βάσης είναι Pr dist r = πr 2 πr 2 r 2 =1 2 R πr Από την σχέση (2) προκύπτει ότι η απόσταση στην οποία θα έχουμε ισχύ λήψης S θα είναι r =R Pmin 1k S Συνδυάζοντας τις δύο παραπάνω σχέσεις έχουμε Pr P S =Pr dist R Pmin 1k Pmin 2k =1 S S Θέτοντας U=S/Pmin παίρνουμε την συνάρτηση 1 2 Fu u, k =1 k u που εκφράζει το ποσοστό των συνδρομητών που έχουν SNR κοντά στο ελάχιστο επιτρεπτό. Κάνοντας εφαρμογή αυτού του τύπου για διάφορες τιμές του κ παίρνουμε το παρακάτω διάγραμμα

52 52 Βλέπουμε ότι το αν υιοθετήσουμε τον νόμο τέταρτης τάξης το 30% των χρηστών έχει SNR μόλις 3 db μεγαλύτερο από το ελάχιστο επιτρεπτό. Αυτό το ποσοστό είναι πολύ υψηλό και θα πρέπει κατά την φάση του σχεδιασμού να ληφθούν τα κατάλληλα μέτρα ώστε το σύστημα να εξυπηρετεί όσο το δυνατόν λιγότερους συνδρομητές με τόσο χαμηλό SNR Near- Far Effect και Path Loss Ένα ακόμα φαινόμενο το οποίο σχετίζεται με το path loss είναι το near-far-effect. Το φαινόμενο αυτό έχει να κάνει με την παρεμβολή που εμφανίζεται μεταξύ γειτονικών κελιών (adjaccent channel interference- ACI) όταν ο σταθμός βάσης του ενός λαμβάνει ισχυρά σήματα από τερματικά που βρίσκονται σε κοντινά κύτταρα. Ειδικά στην περίπτωση που το τερματικό που προκαλεί τις παρεμβολές βρίσκεται στα όρια της περιοχής που καλύπτει ο σταθμός βάσης που το εξυπηρετεί και το επιθυμητό σήμα είναι ασθενές και προέρχεται από έναν χρήστη στα σύνορα του κελιού το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα έντονο. Το γεγονός ότι η εξασθένιση του σήματος συναρτήσει της απόστασης είναι αντιστρόφως ανάλογη της τετάρτης δύναμης της απόστασης επιδεινώνει ακόμη περισσότερο την κατάσταση καθώς στην κατεύθυνση του uplink τα σήματα που φθάνουν στον σταθμό βάσης από χρήστες που κινούνται στα όρια του κελιού είναι ιδιαίτερα ασθενή και κατά συνέπεια ευάλωτα σε αυτού του είδους τις παρεμβολές. Στα συστήματα UMTS το φαινόμενο αυτό είναι πολύ έντονο καθώς λόγω της χρήσης της CDMA τα γειτονικά κελιά χρησιμοποιούν και τις ίδιες συχνότητες. Για την αντιμετώπιση του near -fareffect εφαρμόζονται τεχνικές αυτόματης προσαρμογής της εκπεμπόμενης ισχύος καθώς

53 53 μεταβάλλεται η απόσταση των τερματικών από τον σταθμό βάσης έτσι ώστε να διατηρείται η λαμβανόμενη ισχύς σταθερή Συγκαναλική Παρεμβολή Εκτός από το near-far-effect στα συστήματα κυτταρικής δομής ένας καθοριστικός παράγοντας είναι και η συγκαναλική παρεμβολή (cochannel interference CCI ) δηλαδή η παρεμβολή μεταξύ κυττάρων που χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες (χωρίς να είναι απαραίτητα γειτονικά). Όπως είδαμε προηγουμένως λόγω της ιδιαιτερότητας των συστημάτων τρίτης γενιάς να χρησιμοποιούν ως τεχνική πρόσβασης την CDMA όλα τα κελιά χρησιμοποιούν τις ίδιες συχνότητες (κάτι που δεν γινόταν στα συστήματα δεύτερης γενιάς). Αυτό σημαίνει πως και η CCI είναι εξαιρετικά σημαντική. Η επίδραση της αμβλύνεται με την επεξεργασία των μεταδιδόμενων σημάτων και το propagation loss. Στην περίπτωση αυτή η ραγδαία εξασθένιση του σήματος όπως εκφράζεται από έναν νόμο αντίστροφης τετάρτης δύναμης συμβάλλει στο να καθοριστούν με περισσότερη ακρίβεια τα σύνορα των κυττάρων και να περιοριστεί η επίδραση της CCI καθώς η ισχύς στα όρια του κάθε κελιού είναι ελάχιστη. Αυτό αποτυπώνεται γραφικά στο παρακάτω σχήμα. Βλέπουμε δηλαδή ότι το φαινόμενο του path loss αν και αυξάνει την πολυπλοκότητα της σχεδίασης μπορεί να αξιοποιηθεί με τέτοιο τρόπο ώστε να συμβάλει στην βελτίωση της αποδοτικότητας του συστήματος.

54 shadowing Shadowing Αν και τα μοντέλα υπολογισμού του path loss μας παρέχουν πολλές πληροφορίες σχετικά με το είδος και την ποιότητα του καναλιού, πραγματοποιώντας μετρήσεις βλέπουμε ότι για μια συγκεκριμένη απόσταση από τον σταθμό βάσης, και για μία συγκεκριμένη συχνότητα και ισχύ εκπομπής η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος δεν συμπίπτει με τις τιμές που προβλέπουν τα μοντέλα αυτά. Παρατηρείται δηλαδή μια διακύμανση γύρω από μια μέση τιμή που θεωρητικά μπορεί να υπολογιστεί από τα μοντέλα που δίνουν το path loss. Αυτό συμβαίνει γιατί τα μοντέλα υπολογισμού του path loss δεν λαμβάνουν υπ' όψιν τους την επίδραση που ασκούν τα διάφορα κτίσματα και αντικείμενα που βρίσκονται στο περιβάλλοντα χώρο των κεραιών. Το αποτέλεσμα της ανάκλασης της διάθλασης της περίθλασης και της απορρόφησης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος στα αντικείμενα αυτά στην λήψη του σήματος εκφράζεται μέσω του φαινόμενου του shadowing. Το φαινόμενο αυτό είναι μικρότερης κλίμακας σε σχέση με το path loss τόσο στο πεδίο του χρόνου (sec, min) όσο και του μήκους κύματος. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η διακύμανση του λαμβανόμενου σήματος (shadowing variation) γύρω από τις τιμές που προβλέπονται από έναν νόμο αντιστρόφου τετραγώνου υπολογισμού του path loss. Το συμπέρασμα που προκύπτει από μετρήσεις που έχουν γίνει σε διάφορα είδη περιβάλλοντος είναι πως η τιμή των διακυμάνσεων αυτών ακολουθεί μια λογαριθμική κατανομή με μέση τιμή 0 (εκφρασμένη σε db) και τυπική απόκλιση 6-8 db. Δηλαδή ο λογάριθμος της τιμής της μεταβολής ακολουθεί μια κανονική κατανομή με μέση τιμή μηδέν. Συνεπώς η τιμή των διακυμάνσεων ακολουθεί την συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας

55 55 α sh2 1 p α sh = exp σ sh 2π 2σ sh2 όπου σ sh η τυπική απόκλιση Συνάρτηση Πυκνότητας Πιθανότητας Κανονικής Κατανομής. Πίνακας Τυπικών Αποκλίσεων για το Path Loss στα 900 Μhz για διάφορες πόλεις Πόλη Ύψος Κεραίας (m) σ SH [db ] Hamburg 40 8,3 Stuttgart 23 9,6 Dusseldorf 88 10,8 Frankfurt 20 7,1 Frankfurt 93 13,1 Kronberg 50 8,5 'Ένα ιδιαίτερα σημαντικό μέτρο που πρέπει να γνωρίζουμε κατά την σχεδίαση ενός συστήματος

56 56 και την αξιολόγηση της επίδρασης του φαινομένου του shadowing είναι η πιθανότητα η τιμή της διακύμανσης που προκαλείται να είναι τόσο μεγάλη ώστε να επιφέρει μια εξασθένιση στο σήμα ικανή να δημιουργήσει πρόβλημα στην επικοινωνία. Για τον υπολογισμό της πιθανότητας αυτής δεδομένου ότι όπως είδαμε οι τιμές των διακυμάνσεων ακολουθούν την κανονική (εκφρασμένες σε db) κατανομή μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την αντίστοιχη αθροιστική συνάρτηση κατανομής. Έτσι, αν α shmax είναι η μέγιστη εξασθένιση που μπορεί να γίνει αποδεκτή χωρίς να πέσει δραματικά το SNR η πιθανότητα η πιθανότητα να παρουσιάζονται διακυμάνσεις μικρότερες από αυτήν την τιμή δίνεται από την cdf της κανονικής κατανομής ash ma x p ' α shmax = [ 1 x2 exp dx ] σ sh 2π 2σ sh2 ενώ η ζητούμενη πιθανότητα, δηλαδή η πιθανότητα να έχουμε μη αποδεκτή διακύμανση είναι P ' ' a shmax =1 p ' a shmax. pdf / cdf κανονικής κατανομής Εναλλακτικά μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την κατανομή γάμμα. Σε αυτήν την περίπτωση η τιμή των διακυμάνσεων ακολουθεί την συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας 1 p α sh = a α α 1 sh e β Γ a α sh β y a 1 όπου Γ a = e y dy, a>0

57 57 β η παράμετρος κλίμακας και α η παράμετρος μορφής. Pdf κατανομής Γάμμα Σε αυτήν την περίπτωση η πιθανότητα η τιμή της διακύμανσης να είναι μικρότερη από την μέγιστη επιτρεπτή δίνεται από την την αθροιστική συνάρτηση της Γάμμα κατανομής : ashma x p ' α shmax = [ 1 x α 1 e β a Γ a X β dx ] Cdf της Γάμμα Κατανομής

58 58 και η πιθανότητα να έχουμε διακυμάνσεις ισχύος μεγαλύτερες της τιμής a shmax είναι p ' ' a shmax =1 p ' a shmax Αν και έχει η χρήση της Λογαριθμικής κατανομής για την περιγραφή της συμπεριφοράς των διακυμάνσεων της ισχύος που προκαλεί το shadowing η κατανομή Γάμμα είναι πιο εύχρηστη καθώς είναι πιο εύκολο να προσαρμοστεί στα χαρακτηριστικά του καναλιού. Σε περίπτωση αυτή η εξασθένιση λόγω του shadowing προστίθεται στην τιμή της εξασθένισης που επιφέρει το path loss και η συνολική εξασθένιση του σήματος εξαιτίας αυτών των δύο φαινομένων σε [db] είναι a [db ]=1 0 log Pr =α PL [db ] α SH [db ] Pt Κατά την σχεδίαση ενός συστήματος κινητής τηλεφωνίας η εξασθένιση που επιφέρει το shadowing πρέπει να λαμβάνεται υπ όψιν για να εξασφαλιστεί η κατάλληλη ποιότητα υπηρεσιών στους συνδρομητές Η επίδραση του Shadowing στον σχεδιασμό των συστημάτων Αν ο σχεδιασμός των συστημάτων κινητής τηλεφωνίας γινόταν αποκλειστικά και μόνο με βάση τα μοντέλα του path loss, θα αντιμετωπίζαμε πολλά προβλήματα στην επικοινωνία και η χρηστικότητα των δικτύων θα μειωνόταν σημαντικά λόγω του φαινομένου του shadowing. Όπως είδαμε προηγουμένως καθώς απομακρυνόμαστε από τον σταθμό βάσης σύμφωνα με τα μοντέλα όδευσης η ισχύς του σήματος μειώνεται εκθετικά συναρτήσει της απόστασης και το SNR πλησιάζει την ελάχιστη αποδεκτή τιμή του. Αν σχεδιάσουμε το σύστημα έτσι ώστε στα σύνορα της κυψέλης οι συνδρομητές να ικανοποιούνται με το ελάχιστο SNR και δεν συνυπολογίσουμε την διακύμανση της ισχύος που επιφέρει το shadowing είναι πολύ πιθανό μεγάλο ποσοστό των δεκτών που βρίσκονται στις περιοχές αυτές να λαμβάνει σήμα χαμηλότερης ισχύος από αυτήν που προβλέπει το μοντέλο path loss που χρησιμοποιούμε και έτσι να μην ικανοποιείται η συνθήκη του ελαχίστου SNR ή ακόμα και αν ικανοποιείται να είναι τόσο χαμηλό ώστε να μην είναι δυνατή η παροχή υπηρεσιών ικανοποιητικής ποιότητας. Για τον λόγο αυτό πρέπει να φροντίζουμε ώστε κατά την ρύθμιση της ισχύος εκπομπής να εξασφαλίζουμε ότι υπάρχει ένα περιθώριο ισχύος ικανό να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις που θέτουμε για το SNR ακόμα και αν το σήμα υποστεί τις βαθύτερες διακυμάνσεις που προκαλεί το shadowing. Φυσικά η αύξηση της ισχύος εκπομπής πρέπει να γίνει στο μέτρο που δεν θα επιβαρύνει με παρεμβολές τα γειτονικά κελιά. Μια άλλη επίπτωση του shadowing είναι η δημιουργία σκιασμένων περιοχών μέσα στις κυψέλες. Το πρόβλημα είναι περισσότερο έντονο στην κατεύθυνση του uplink καθώς στην περίπτωση αυτή η ισχύς του εκπεμπόμενου σήματος είναι χαμηλότερη. Μια λύση που εφαρμόζεται συχνά για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού είναι η τοποθέτηση μιας ενισχυτικής κεραίας για την εξυπηρέτηση των σκιασμένων σημείων. Στην κατεύθυνση του uplink ο δέκτης μπορεί να επιλέξει το ισχυρότερο σήμα ή να συνδυάσει τα δύο

59 59 σήματα (από τον κινητό συνδρομητή και την ενισχυτική κεραία ) προκειμένου λάβει το επιθυμητό σήμα. Στην κατεύθυνση του downlink οπού οι ενισχυτικές κεραίες χρησιμοποιούνται για εκπομπή πρέπει πρώτα από όλα να βρεθεί η κατάλληλη περιοχή για την τοποθέτηση της κεραίας έτσι ώστε και να είναι αποτελεσματική αλλά και να μην θέτει σε κίνδυνο την υγεία των ανθρώπων που διαμένουν στην περιοχή αυτή. Το shadowing όμως επηρεάζει και το handoff. Αν η σκιασμένη περιοχή που δημιουργείται λόγω του φαινομένου του shadowing βρίσκεται κοντά στα όρια του κελιού είναι πιθανό οι δέκτες στην περιοχή αυτή να λαμβάνουν παροδικά ισχυρότερα σήματα από τους σταθμούς των γειτονικών κελιών. Στην περίπτωση αυτή ενεργοποιούνται οι διαδικασίες του handoff.επειδή όμως το φαινόμενα είναι παροδικό είναι πιθανό να έχουμε νέο handoff μετά από λίγο και έτσι το τηλεπικοινωνιακό δίκτυο επιφορτίζεται με επιπλέον φορτίο χωρίς κάτι τέτοιο να είναι απαραίτητο. Ιδιαίτερα στην περίπτωση που οι συνδρομητές κινούνται η επιβάρυνση που μπορεί να προκληθεί με τον τρόπο αυτό στο δίκτυο είναι ιδιαίτερα σημαντική. Για παράδειγμα στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε ότι η ύπαρξη των σκοτεινών περιοχών μέσα στα κελιά όπου οι δέκτες λαμβάνουν από τους σταθμούς των γειτονικών κελιών έχει ως αποτέλεσμα ο συνδρομητής που ακολουθεί την διαδρομή που φαίνεται στο σχήμα να υπόκειται σε πέντε αντί του ενός handoff. Βλέπουμε δηλαδή ότι είναι ιδιαίτερα σημαντικό τόσο για λόγους βελτίωσης της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών όσο και της εργονομίας του συστήματος να συνυπολογίσουμε κατά των σχεδιασμό του την εξασθένιση που επιφέρει το shadowing αλλά και να εντοπίσουμε τις σκιασμένες περιοχές μέσα στο δίκτυο και να τις καλύψουμε με τον καλύτερο δυνατό τρόπο.

60 Fading Κατά την μετάδοση ενός σήματος δεν ισχύουν οι συνθήκες που υποθέσαμε σε κάποια από τα μοντέλα υπολογισμού του path loss. Το έδαφος πάνω στο οποίο πατάνε οι κεραίες εκπομπής και λήψης δεν είναι μια επίπεδη επιφάνεια, πολύ συχνά δεν υπάρχει οπτική επαφή ανάμεσα στις κεραίες αυτές ενώ και το περιβάλλον μέσα στο οποίο βρίσκονται τοποθετημένες περιέχει έναν μεγάλο αριθμό κτισμάτων και αντικειμένων που λειτουργούν σαν ανακλαστήρες και επηρεάζουν την λήψη του σήματος. Το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης των ανακλώμενων σημάτων στην κεραία του δέκτη ονομάζεται fading. Είναι υπεύθυνο για τις έντονες μεταβολές που παρατηρούνται στην ισχύ και την φάση του σήματος σε πολύ μικρή χρονική κλίμακα (sec, msec). Σε ένα περιβάλλον όπως αυτό του παραπάνω σχήματος στο οποίο η κεραία περιβάλλεται από ανακλαστήρες δημιουργούνται πολλά κανάλια όδευσης. Κάθε κανάλι i έχει ένα διαφορετικό μήκος l l. Το αντίστοιχο σήμα φτάνει στον δέκτη σε χρόνο τ = li όπου c η ταχύτητα του φωτός. c Το γεγονός ότι τα σήματα που οδεύουν μέσω καναλιών μεγάλου μήκους φτάνουν αργότερα στην κεραία του δέκτη δημιουργεί ένα είδος ηχώ μέσα στο σύστημα. Για τον λόγο αυτό τα συστήματα αυτά χαρακτηρίζονται ως κανάλια μνήμης καθώς έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν αντίγραφα του σήματος για κάποιο χρονικό διάστημα. Παράλληλα κάθε σήμα κατά την όδευση του μέσα από ένα συγκεκριμένο κανάλι υπόκειται σε μια διαφορετική εξασθένιση α i καθώς το περιβάλλον μέσα στο οποίο μεταδίδεται διαφέρει από αυτό των άλλων καναλιών.

61 Delay Spread Στην περίπτωση που κανένα από τα στοιχεία που απαρτίζουν το περιβάλλον της όδευσης (κεραίες εκπομπής βάσης, ανακλαστήρες ) δεν κινείται, το λαμβανόμενο σήμα επηρεάζεται μόνο από την διαφορετική καθυστέρηση (delay spread) και εξασθένιση την οποία παρουσιάζουν τα ανακλώμενα κύματα που φτάνουν στην κεραία του δέκτη. Η συμπεριφορά του καναλιού δεν μεταβάλλεται με τον χρόνο και το κανάλι χαρακτηρίζεται ως χρονικά αμετάβλητο. Έστω ότι έχουμε ένα μεταδιδόμενο σήμα της μορφής s t =ℜ s t e 2πjf t c και ότι το λαμβανόμενο σήμα είναι y t =ℜ y t e 2πj f c t Το λαμβανόμενο όμως σήμα όπως είδαμε είναι το προϊόν της υπέρθεσης των i κυμάτων που έχουν υποστεί διαφορετική εξασθένιση α i και έχουν μεταδοθεί μέσα από κανάλια μήκους l i. 'Άρα l y t = a i s t i = c l 2πj f = ℜ a i s t i e c c l t i c c Επίσης είναι λ= f τi= και φ i=2π li c f cli i =2π l η μεταβολή της φάσης που εμφανίζεται σε κάθε σήμα λόγω του c λ διαφορετικού μήκους του καναλιού όδευσης. Τότε y t = a i e 2πj li λ li jφ s t = ai e s t τ i c i (Ι) j φi Θέτοντας A i =a i e μπορούμε να πάρουμε το γενικό μαθηματικό μοντέλο που δίνει την απόκριση του συστήματος για μια είσοδο s t. Η είσοδος αυτή μπορεί να εκφραστεί συναρτήσει της εισόδου μέσω της μιγαδικής g t.

62 62 i y t = A s t τ i = g t s t Επειδή οι φάσεις των σημάτων είναι σταθερές (εφόσον υποθέσαμε ότι δεν υπάρχει κίνηση) μπορούμε να θεωρήσουμε το κανάλι ως ένα γραμμικό, χρονικά ανεξάρτητο φίλτρο με κρουστική απόκριση : g t = a i e j φi δ t τ i = A i δ t τ i Στο πεδίο της συχνότητας η σχέση μεταξύ της εισόδου S f και της εξόδου Y f προκύπτει από την συνάρτηση μεταφοράς f = A i e 2πjf τ G i Επειδή η καθυστέρηση τ i είναι διαφορετική για κάθε κανάλι κάποιες συχνότητες εξασθενούν ενώ άλλες όχι Frequency selective / non selective Στην περίπτωση που το delay spread τ s είναι πολύ μικρότερο από την περίοδο συμβόλου βασικής ζώνης T s τότε το delay fading ασκεί αμελητέα επίδραση στην λήψη του σήματος. Το κανάλι δηλαδή έχει αρκετό εύρος ζώνης για την αξιόπιστη μετάδοση. Έτσι δεν παρατηρείται το φαινόμενο της ενίσχυσης ή της εξασθένισης κάποιων συχνοτήτων και το κανάλι χαρακτηρίζεται από frequency non selective (flat) fading. Flat (frequency non selective) Fading Αντίθετα, αν το delay spread είναι σημαντικό σε σχέση με την περίοδο συμβόλου Τ s έχουμε frequency selective συμπεριφορά.

63 63 Frequency selective fading Εξαιτίας του μεγάλου πλάτους της καθυστέρησης όπως φαίνεται και στο παραπάνω σχήμα το εύρος ζώνης του καναλιού είναι μικρότερο από αυτό του μεταδιδόμενου σήματος όπως αυτό διαμορφώνεται μετά την επίδραση του delay spread. Επομένως το κανάλι λειτουργεί ως φίλτρο καθορίζοντας το φάσμα του λαμβανόμενου σήματος r(t). Στα frequency selective κανάλια εμφανίζεται πολύ συχνά διασυβολική παρεμβολή (ISI) στο πεδίο του χρόνου. Για παράδειγμα αν το delay spread ισούται με το μισό του εύρους του καναλιού τα αντίγραφα δύο διαδοχικών συμβόλων (ένα αργό αντίγραφο του πρώτου συμβόλου και ένα γρήγορο του δεύτερου ) αλληλοκαλύπτονται στον δέκτη δημιουργώντας παρεμβολές. Στον πίνακα που ακολουθεί δίνονται διάφορες τυπικές τιμές του delay spread για διάφορους τύπους περιβάλλοντος. Τύπος Περιβάλλοντος τ rms urban 1-25 μs suburban 0,2-2 μs indoor ns Doppler Spread Μέχρι τώρα υποθέσαμε πως κανένα από τα στοιχεία που συνθέτουν το περιβάλλον της όδευσης δεν κινείται. Αν όμως δεν συμβαίνει κάτι τέτοιο τότε τα κανάλια μέσω των οποίων μεταδίδεται το σήμα δεν είναι πια χρονικά αμετάβλητα και τα a i και l i αλλάζουν συνεχώς. Η απόκριση του καναλιού δεν είναι σταθερή με το χρόνο όπως στην περίπτωση που είχαμε μόνο το delay spread. Όπως υπολογίσαμε προηγουμένως το λαμβανόμενο από τον δέκτη σήμα στην περίπτωση που δεν παρατηρείται κίνηση μέσα στο σύστημα είναι : y t = a i e 2πj li λ li s t = c ai e j φ s t τ i i

64 64 Έστω τώρα γ i είναι η γωνία άφιξης του i καναλιού. Το μήκος του καναλιού μεταβάλλεται συναρτήσει της ταχύτητας v και του χρόνου t σύμφωνα με την σχέση : Δl i = v cos γ i t Τότε για το λαμβανόμενο σήμα θα ισχύει: y t = a i e = a i e jφ e i 2πj li Δli λ s t 2πjcos γi t v λ l i Δl i c s t τ i v cos γ i t c Η έκφραση αυτή μπορεί να απλοποιηθεί. jφ Θέτουμε A i =a i e όπως κάναμε και προηγουμένως. i Παρατηρούμε επίσης ότι η καθυστέρηση που εισάγει ο όρος v cos γ i t είναι πολύ μικρή και c μπορεί να παραληφθεί. Επίσης εισάγουμε στους υπολογισμούς μας την συχνότητα doppler: f d= fc v v= c λ και το doppler shift : v ι=cos γ i f d Έτσι παίρνουμε την εξίσωση : i e 2πjcos γ t f s t τ i = A i e 2πjv t y t = A s t τ i i d i (Ι) Η κίνηση του δέκτη σε συνδυασμό με την επίδραση των i ανακλώμενων ακτίνων επηρεάζει το λαμβανόμενο σήμα καθώς προκαλεί μια μετατόπιση της συχνότητας του φορέα. Αν ο αριθμός των ανακλαστήρων είναι πολύ μεγάλος το διακριτό μοντέλο ανάκλασης μπορεί να αντικατασταθεί από ένα συνεχές μοντέλο της μορφής i ρ v, τ dvdτ = A delay Doppler spread function Με i συμβολίζουμε τα ανακλώμενα κύματα με delay spread μέσα στην περιοχή dτ και και Doppler spread μέσα στην περιοχή που ορίζει το dv.

65 65 Τότε το λαμβανόμενο σήμα είναι y t = 0 fd f d ρ v, τ e 2πjv i t s t τ i dv dt Time selective / Time non selective Στην περίπτωση που το delay spread είναι τόσο μικρό ώστε να μην ασκεί επίδραση στην λήψη του σήματος, δηλαδή s t τ s t το λαμβανόμενο σήμα σύμφωνα με την εξίσωση (Ι ) θα είναι i e 2πjcos γ t f = y t = s t A s t g t i d Το g(t) είναι το μιγαδικό κέρδος του καναλιού το οποίο συνδέει την είσοδο με την έξοδο. Αν θεωρήσουμε το πλάτος του σήματος σταθερό s t =U, το σήμα y t θα παρουσιάζει μία κατανομή στο πεδίο της συχνότητας στο διάστημα [ f d, f d ].Κατά συνέπεια το λαμβανόμενο σήμα το οποίο αποτελείται από διάφορους τόνους σε διαφορετικές συχνότητες μεταβάλλεται στον χρόνο και το κανάλι χαρακτηρίζεται ως time selective (fast fading). Η σπουδαιότητα του φαινομένου εξαρτάται από το χρονικό διάστημα που απαιτείται για την επεξεργασία του σήματος στο ψηφιακό κανάλι (digital channel ). Στην περίπτωση που το κάθε σύμβολο επεξεργάζεται ξεχωριστά ο χρόνος επεξεργασίας είναι ίσος με την περίοδο του συμβόλου T s ενώ αν εφαρμόζεται στον δέκτη διαφορική ανίχνευση (π.χ DPSK) ο χρόνος επεξεργασίας διπλασιάζεται καθώς πρέπει να λάβουμε δύο σύμβολα αντί του ενός για να ανακτήσουμε την αρχική πληροφορία. Επίσης αν στο κανάλι χρησιμοποιούμε εξισορροπητές ο χρόνος αυτός αυξάνεται ακόμη περισσότερο. Μπορούμε να συμβολίσουμε με Nt s τον χρόνο αυτό. Αν ο ρυθμός μεταβολής των χαρακτηριστικών του λαμβανόμενου σήματος όπως εκφράζεται από την συχνότητα doppler f d είναι μεγαλύτερος από τον ρυθμό με τον οποίο επεξεργάζεται το σήμα 1 στον δέκτη, δηλαδή f d NT έχουμε time selective ή fast fading. s 1 Αντίθετα αν f d NT έχουμε non time selective συμπεριφορά ή slow fading. s Αν σε ένα κανάλι ασκείται η επίδραση και των δύο τύπων fading τότε μπορούμε να το θεωρήσουμε ως ένα γραμμικό χρονικώς μεταβαλλόμενο φίλτρο (το κανάλι συμπεριφέρεται ως φίλτρο λόγω του delay spread ενώ ο χρονικά μεταβαλλόμενος χαρακτήρας του οφείλεται στο doppler spread) και η σχέση που συνδέει την είσοδο με την έξοδο διαμορφώνεται ως εξής. i e 2πjv t y t = A s t τ i = g t, τ s t τ dτ i η κρουστική απόκριση του συστήματος είναι i e 2πjv t δ τ τ i g t, τ = A i

66 66 και στο πεδίο της συχνότητας t, f i e 2πjv t e 2πj f τ Y f =G S f = A S f i i Λόγω του μεγάλου αριθμού των μονοπατιών όδευσης σε ένα περιβάλλον μετάδοσης μπορούμε να εφαρμόσουμε το Θεώρημα Κεντρικού Ορίου για την στατιστική περιγραφή της αλληλεπίδρασης των αντιγράφων του σήματος στον δέκτη. Έτσι το μιγαδικό κέρδος στο οποίο αναφερθήκαμε παρουσία του Doppler μπορεί να θεωρηθεί ότι ακολουθεί μια γκαουσιανή κατανομή στον χρόνο. Αν μάλιστα εμφανίζεται και delay spread μπορούμε να θεωρήσουμε ότι και η μιγαδική συνάρτηση μεταφοράς G f μεταβάλλεται σύμφωνα με την κατανομή του Gauss και στο πεδίο της συχνότητας. Κατηγορίες fading με βάση το Doppler και το Delay Spread Κριτήριο Κατηγορία Δτ 1, f d T s 1 Ts Δτ 1, f d T s 1 Ts Δτ 1, f d T s 1 Ts Δτ 1, f d T s 1 Ts Non frequency selective (flat) fading, not time selective (slow) Frequency selective, non time selective (slow) Not frequency selective (flat), time selective (fast) Frequency selective, time selective Rayleigh Fading Αν θεωρήσουμε ότι έχουμε flat fading το μιγαδικό κέρδος ακολουθεί την κατανομή του Gauss. Στην περίπτωση που δεν υπάρχει οπτική επαφή ανάμεσα στην κεραία εκπομπής και λήψης δεν έχουμε LOS συνιστώσα και επομένως κατανομή θα έχει μηδενική μέση τιμή και η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας θα είναι: 1 p g = 2 e 2πσ g g 2 σ 2g και η τυπική απόκλιση σ 2 g = 1 1 E g t 2 = E g r t 2 E g i t Κάνοντας την αλλαγή από καρτεσιανές σε πολικές συντεταγμένες

67 67 jθ g =g r g i =r e η σ.π.π γίνεται r 2 r 2σ p r, θ = e 2 2πσ g 2 2 όπου τα r και θ είναι ανεξάρτητα και δίνονται από τις συναρτήσεις: r2 r P r r, σ g = 2 e 2σ σg 2 g r θ και P θ θ = 1 2π για π θ π Η σ.π.π του r δίνεται από την κατανομή Rayleigh. Αυτός ο τύπος fading που χαρακτηρίζεται από την απουσία LOS ονομάζεται Rayleigh fading. Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε την κατανομή Rayleigh για κάποιες συγκεκριμένες τιμές παραμέτρων.

68 Είναι συχνά προτιμότερο να χρησιμοποιούμε το z =r = g και την εκθετική κατανομή αντί της Rayleigh. Η σ.π.π του z είναι z 1 2σ P z = z, σ g = 2 e, z 0 2σ g 2 g 2 Ενδεικτικά για z i = r i και σ g =1 η εκθετική κατανομή έχει την μορφή: ενώ η αθροιστική συνάρτηση είναι F z z, σ g =1 e asympt z, σ g = z 2 2σ g με ασύμπτωτο z 2σ 2g Rice fading Rice fading έχουμε στις περιπτώσεις όπου υπάρχει LOS. Το μιγαδικό κέρδος που συνδέει την είσοδο με την έξοδο είναι g =g s g d και είναι το άθροισμα μιας συνεχής συνιστώσας (οφειλόμενη στην ύπαρξη του LOS ) g s και μιας συνιστώσας g d που εκφράζει μια γκαουσιανή κατανομή με μηδενική μέση τιμή. Η g s συνιστώσα έχε Κ φορές μεγαλύτερη ισχύ από την g d (παράγοντα Κ της κατανομής Rice) έτσι ώστε όταν Κ = 0 να έχουμε Rayleigh fading ενώ όταν Κ έχουμε ένα σταθερό κανάλι χωρίς fading. Αν σ 2 η απόκλιση του g s τότε από τον λόγο των ισχύων για το g d έχουμε 1 E [ g d 2]=σ 2 και g s = 2K σ 2 Τότε η ολική μέση ισχύς είναι

69 E [ g 2 ]= E [ g s 2 ] E [ g s 2 ]= K σ 2 σ 2 =σ 2 1 Κ με μέση τιμή μ g= g s 2 2 και απόκλιση σ g =σ. Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας είναι η γκαουσιανή 2 1 g μg σ2g 1 2 p g g = e 2 2π σ g Κάνοντας την αλλαγή σε πολικές συντεταγμένες η z =r 2 είναι μια κατανομή χ 2 με μέση τιμή σ 2 1 Κ και δύο βαθμούς ελευθερίας. Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας του r δίνεται από την κατανομή Rice r2 Κ r r 2K p rk r, K, σ = 2 e 2σ ΙΟ σ σ 2 ενώ για το θ είναι με Οι συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας για το θ και το r για Κ=2 και σ=1 δίνονται στο σχήμα που ακολουθεί.

70 70 Κατανομή Nakagami Όπως έχει διαπιστωθεί πειραματικά όταν έχουμε μικρό αριθμό καναλιών η σ.π.π της κατανομής Rayleigh δίνει μόνο μία χονδρική προσέγγιση των τιμών που παίρνουμε. Στις περιπτώσεις αυτές είναι προτιμότερο να χρησιμοποιούμε την Nakagami m κατανομή όπου m η τάξη της συνάρτησης, 2σ 2 η μέση τετραγωνική τιμή και Γ(m) η γνωστή συνάρτηση Γάμμα. Για m=1 παίρνουμε την κατανομή Rayleigh. Για σ = 1 και διάφορες τιμές του m η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της Nakagami έχει την μορφή

71 Επιπτώσεις του Fading στο BER Εξαιτίας του φαινομένου του fading εμφανίζεται μια μεγάλη διαφορά στην απόδοση των στατικών AWGN και των fading καναλιών. Σε ένα AWGN κανάλι γνωρίζουμε ότι το bit error rate μειώνεται εκθετικά σε σχέση με το SNR. Στα fading κανάλια σχεδόν όλα τα λάθη συμβαίνουν κατά την διάρκεια των έντονων διαλείψεων η πιθανότητα εμφάνισης των οποίων είναι αντιστρόφως ανάλογη του SNR. Σε αυτή την περίπτωση λοιπόν το BER αυξάνεται απλώς αντιστρόφως ανάλογα του SNR. Για να απλοποιήσουμε την μελέτη της επίδρασης του fading στο BER θεωρούμε ένα κανάλι με τα ακόλουθα χαρακτηριστικά 2. Flat fading έτσι ώστε να μην υπάρχει διασυμβολική παρεμβολή στο κανάλι. 3. Slow fading έτσι ώστε το SNR να μεταβάλλεται αργά σε σχέση με τον ρυθμό μετάδοσης των συμβόλων. 4. Rayleigh fading. Το BER εξαρτάται από το πλάτος r του σήματος επομένως μπορούμε να εκφράσουμε την μεταξύ τους σχέση ως P eav =E r P e r για την ανάλυση της παραπάνω σχέσης δουλεύουμε με το τετράγωνο του r γιατί έχει μια Eb απλούστερη εκθετική κατανομή. Συμβολίζουμε το στιγμιαίο SNR ως γ b = N0

72 72 Το γ b είναι συνδέεται με το μέσο SNR Γ b, με την σχέση γ b =Γ b z όπου z =r και E r z =1 ==> σ g = 2 έτσι ώστε Γ b=ε r γ b Έστω ότι μεταδίδουμε ορθογώνια σήματα και ότι αυτά λαμβάνονται ανεξάρτητα. Τότε το BER είναι μια συνάρτηση του z 1 P e z, Γ b = e 2 Γbz 2 (1) και το μέσο BER 1 P eav= 0 P e z, Γ b e z dz = 2 Γ ( 2 ) b Συγκρίνοντας τα BER ενός στατικού καναλιού (σχέση 1) και ενός fading καναλιού (σχέση 2) βλέπουμε ότι υπάρχει μια πολύ μεγάλη διαφορά στην συμπεριφορά τους.

73 Παρατηρήσεις Μέχρι τώρα μελετήσαμε το path loss, το shadowing και το fading ξεχωριστά. Σε ένα πραγματικό κανάλι όμως τα φαινόμενα αυτά εμφανίζονται ταυτόχρονα. Το path loss εκφράζει την εξασθένιση της ισχύος του σήματος συναρτήσει της απόστασης και συνήθως δίνεται από μία σχέση της μορφής P p= p0 r4 Σύμφωνα με την σχέση αυτή η ισχύς του λαμβανόμενου σήματος είναι σταθερή και προβλέψιμη. Όπως όμως φαίνεται και στο επόμενο σχήμα κάτι τέτοιο δεν ισχύει καθώς εξαιτίας του shadowing μέσα σε έναν δακτύλιο εμφανίζονται μεγάλες διακυμάνσεις της ισχύος. Μπορούμε λοιπόν να θεωρήσουμε πως το path loss είναι η μέση τιμή όλων των σημείων κατά μήκος του δακτυλίου.το εύρος των διακυμάνσεων που προκαλεί το shadowing εξαρτάται από το μέγεθος των εμποδίων που παρεμβάλλονται μεταξύ του πομπού και του δέκτη και συνήθως το θεωρούμε σταθερό σε μια κλίμακα μερικών δεκάδων μηκών κύματος. Τις διακυμάνσεις αυτές τις επεξεργαζόμαστε στατιστικά με την λογαριθμική κατανομή. Τότε το σήμα στον δέκτη εξαιτίας των δύο αυτών φαινομένων είναι P ps= P0 r z και z μια γκαουσιανή τυχαία μεταβλητή με μηδενική μέση τιμή και απόκλιση 6-10 db. Σύμφωνα με την τελευταία σχέση η ισχύς του σήματος μένει σταθερή σε μία περιοχή διαμέτρου μερικών δεκάδων μηκών κύματος. Γνωρίζουμε όμως πως κάτι τέτοιο δεν ισχύει λόγω του fading δηλαδή της αλληλεπίδρασης των ανακλώμενων συνιστωσών στην κεραία του δέκτη. Έτσι η ισχύς

74 74 του σήματος μπορεί να θεωρηθεί σταθερή μόνο μέσα σε μια περιοχή πολύ μικρού εύρους σε σχέση με το μήκος του κύματος. Το fading μοντελοποιείται με την συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της Rayleigh, Rice ή Nakagami κατανομής. Για την περιγραφή του λαμβανόμενου σήματος μπορούμε να κανονικοποιήσουμε το μεταδιδόμενο σήμα s(t) και το μιγαδικό κέρδος g(t). 2 Τότε Ε [ s ]=1 Ε [ g t 2 ]=2σ 2g =1 το λαμβανόμενο σήμα είναι r t = 2P ps g t s t = 2P p z g t s t = 2P z g t s t 2 r και η ισχύς είναι P 0 0.1z P0 0.1z P psf = E s [ r t ]= 4 10 g = 4 10 x 2 r r όπου το x εκφράζει το κέρδος του fading g μέσω μιας Rayleigh κατανομής. Παίρνοντας την μέση του fading καταλήγουμε στην P psf = P0 r z η οποία συμπίπτει με την σχέση στην οποία καταλήξαμε προηγουμένως για το shadowing και το path loss. Το σύνολο των διακυμάνσεων αυτών μπορεί να παρασταθεί γραφικά ως εξής

75 Όδευση εσωτερικού χώρου Ένα μεγάλο ποσοστό του τηλεπικοινωνιακού φορτίου σχετίζεται με την μετάδοση εσωτερικού χώρου. Η μετάδοση σε indoor συνθήκες είναι τόσο σημαντική στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες ώστε ειδικά συστήματα έχουν αναπτυχθεί την διεξαγωγή της (DECT) ενώ υπολογίζεται πως μέχρι το 2015 το 70% της τηλεπικοινωνιακής κίνησης θα διεκπεραιώνεται σε τέτοιου είδους περιβάλλοντα. Συμπεραίνουμε λοιπόν πως η ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών από τα δίκτυα θα εξαρτάται σε πολύ μεγάλο βαθμό από την απόδοσή τους σε περιβάλλον εσωτερικού χώρου Path Loss Η ξεχωριστή μελέτη της διάδοσης σε κλειστό χώρο επιβάλλεται από τις ιδιαίτερες συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό των κτιρίων. Το φαινόμενο της πολυόδευσης είναι πολύ έντονο, συχνά δεν υπάρχει Line of Sight ενώ και το περιβάλλον των κεραιών μπορεί να αλλάζει δραστικά με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Επίσης η ύπαρξη αντικειμένων μεγέθους συγκρίσιμου με το μήκος κύματος του μεταδιδόμενου σήματος, και η παρουσία διαφόρων ειδών επιφανειών (τοίχοι κτλ) με διαφορετικά χαρακτηριστικά επηρεάζουν την μετάδοση αυξάνοντας την πολυπλοκότητα των συστημάτων όδευσης σε σχέση με την μετάδοση εξωτερικού χώρου.

76 76 Η μακροσκοπική περιγραφή του καναλιού μέσω του path loss είναι εξαιρετικά σημαντική καθώς μας δίνει την δυνατότητα να υπολογίσουμε την περιοχή κάλυψης και να εντοπίσουμε την την βέλτιστη θέση για την τοποθέτηση της κεραίας εκπομπής. Από μετρήσεις που έχουνε γίνει γνωρίζουμε πως οι απώλειες που σχετίζονται με το path loss αυξάνονται καθώς αυξάνεται η συχνότητα εκπομπής. Στον πίνακα φαίνονται οι απώλειες που σχετίζονται με διάφορους τύπους υλικών.

77 77 Δείκτες path loss και τυπικές αποκλίσεις σκίασης για διαφορετικούς τύπους κτιρίων. Συγκεκριμένα, τα διαφορετικά υλικά που μπορούμε να συναντήσουμε μέσα σε ένα κτίριο, το συνεχώς μεταβαλλόμενο περιβάλλον όδευσης και η απουσία σε πολλές περιπτώσεις του Line of Sight ανάμεσα στον πομπό και τον δέκτη μας οδήγησαν στην ανάπτυξη εμπειρικών μοντέλων όδευσης εσωτερικού χώρου. Τα μοντέλα αυτά διακρίνονται σε συγκεκριμένου χώρου (site specific) και γενικού χώρου (site general). Τα μοντέλα γενικού χώρου μας δίνουν μια χονδρική προσέγγιση των απωλειών ενός συστήματος εσωτερικού χώρου ενώ τα μοντέλα συγκεκριμένου χώρου λαμβάνοντας υπ' όψιν τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της τοπολογίας μας παρέχουν μια ακριβέστερη μέθοδο υπολογισμού της στάθμης ισχύος ενός σήματος κατά την μετάδοσή του Free Space Loss Model Θεμελιώδους σημασίας όσον αφορά το path loss εξακολουθεί να είναι το μοντέλου ελευθέρου χώρου. 'Όπως είδαμε και προηγουμένως σύμφωνα με το μοντέλο αυτό η λαμβανόμενη ισχύς σε απόσταση d από την κεραία εκπομπής είναι P r =P t 10 log G t G r 20 lo g λ 20 log 4π 20 lo g d db. Όπως και στην περίπτωση της μετάδοσης εξωτερικού χώρου στην πράξη παρατηρούνται πολύ έντονες διακυμάνσεις της στάθμης του σήματος από τις τιμές που προβλέπονται θεωρητικά από το μοντέλο αυτό One Slope Model Ένα άλλο απλό μοντέλο το οποίο δίνει μια προσέγγιση του path loss καλύπτοντας όλα τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά την όδευση του κύματος είναι το one slope model. Το μοντέλο αυτό είναι ημιεμπειρικό και εκφράζεται από την σχέση: P r =P t K 10nlog d db d0 όπου είναι Κ μια αδιάστατη μεταβλητή εξαρτώμενη από τα χαρακτηριστικά των κεραιών και την μέση εξασθένιση του καναλιού, d 0 η απόσταση αναφοράς για το μακρινό πεδίο και n ο συντελεστής πτώσης ισχύος. Η τιμή του n εξαρτάται από το περιβάλλον μέσα στο οποίο γίνεται η μετάδοση. Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται κάποιες χαρακτηριστικές τιμές.

78 78 Ο μικρός αριθμός των παραμέτρων που απαιτούνται για τους υπολογισμούς καθιστά το μοντέλο αρκετά εύχρηστο τα αποτελέσματα όμως της εφαρμογής του αποκλίνουν σημαντικά από τις πραγματικές τιμές της ισχύος Log Distance Path Loss Model Το μοντέλο αυτό βασίζεται στο μοντέλου ελευθέρου χώρου εισάγει όμως έναν παράγοντα που εκφράζει το φαινόμενο του shadowing ενώ συνυπολογίζει και την επίδραση του περιβάλλοντος στην μετάδοση. Εκφράζεται από την σχέση : L total=pl d 0 N log d X σ d0 PL d 0 είναι το path loss σε μία απόσταση αναφοράς. Συνήθως ισούται με τις απώλειες που δίνονται από το μοντέλο ελευθέρου χώρου σε απόσταση ενός μέτρου από την κεραία εκπομπής. Η τιμή της παραμέτρου Ν εξαρτάται από το περιβάλλον ενώ Χ σ είναι μια γκαουσιανή μεταβλητή με μηδενική μέση τιμή και τυπική απόκλιση σ και εκφράζει τα φαινόμενα σκίασης που συμβαίνουν κατά την όδευση. Οι τιμές αυτές προσδιορίζονται πειραματικά. Τύπος Κτιρίου Μικρό Κατάστημα Γραφείο (Τοίχοι) Σπίτι Γραφείο(Ψευδότοιχοι) Υφασμα/Χημικές Ουσίες Υφασμα/Xημικές Ουσίες Χαρτί Μέταλλο Συχνότητα(ΜΗz ) Ν σ(db) / / / /6.8