Διπλωματική Εργασία. της φοιτήτριας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Αθανασακοπούλου Θεοδώρας Αριθμός Μητρώου: 6705 ΘΕΜΑ «Χαρακτηρισμός ασύρματου καναλιού για εφαρμογές στον κυψελοειδή σχεδιασμό των επίγειων δικτύων κινητών επικοινωνιών» Επιβλέπων Καθηγητής Κωτσόπουλος Σταύρος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2014 Πάτρα, Φεβρουάριος

2 2

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα «Χαρακτηρισμός ασύρματου καναλιού για εφαρμογές στον κυψελοειδή σχεδιασμό των επίγειων δικτύων κινητών επικοινωνιών» της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Αθανασακοπούλου Θεοδώρας Αριθμός Μητρώου: 6705 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 05 / 02 / 2014 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Σταύρος Κωτσόπουλος Νικόλαος Φακωτάκης 3

4 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: /2014 Θέμα «Χαρακτηρισμός ασύρματου καναλιού για εφαρμογές στον κυψελοειδή σχεδιασμό των επίγειων δικτύων κινητών επικοινωνιών» Η Φοιτήτρια Ο Επιβλέπων Αθανασακοπούλου Θεοδώρα Κωτσόπουλος Σταύρος 4

5 Περίληψη Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι ο κυψελοειδής σχεδιασμός ένος ασύρματου δικτύου κινητής τηλεφωνίας σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή με βάση το πρότυπο GSM και η μελέτη των χαρακτηστικών του ασύρματου καναλιόυ επικοινωνίας. Στο πρώτο κεφάλαιο κεφάλαιο αναλύονται η βασική ιδέα του κυψελοειδούς σχεδιασμού, τα βήματα που ακολουθούνται για την πραγματοποιησή του και οι βασικές έννοιες των κυψελοειδών συστημάτων. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται ο τρόπος μοντελοποίησης του ασύρματου καναλιού με βάση τα προβλήματα που δημιουργούνται κατά τη διάδοση του σηματός μας και αναλύονται τα διάφορα στατιστικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή του ασύρματου καναλιού ανάλογα με τις συνθήκες κάτω από τις οποίες πρέπει να υφίστανται. Στο τρίτο περιγράφεται το πρότυπο GSM και πιο συγκεκριμένα η αρχιτεκτονική του και οι λειτουργίες που εκτελεί. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται ο σχεδιασμός του κυψελοειδούς μας δικτύου στη γεωγραφική περιοχή του δήμου Πατρέων και γίνεται μια εκτίμηση των απωλειών που παρουσιάζουν τα μοντέλα διάδοσης που χρησιμοποιούμε. 5

6 Abstract The main purpose of this thesis is the cellular design of a wireless mobile network in a specific geographic area based on the GSM standard and the research to the characteristics of the wireless communication channel. In the first chapter, the concept of cellular design, the steps followed for the realization and the basic characteristics of cellular systems are being held. In the second chapter, the modeling of wireless channel based on the problems created by signal propagationand various statistical models used to describe the wireless channel depending on the conditions under which they must exist are being held. In the third, the GSM standard is described and more specifically its architecture and the functions it performs. In the fourth chapter, the design of our cellular network in the geographical area of the municipality of Patras is made and the losses of the propagation models are estimated. 6

7 7

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΩΝ ΤΟΥ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΒΑΣΙΚΗ ΙΔΕΑ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΚΑΛΥΨΗΣ ΜΟΡΦΗ ΚΑΙ ΜΕΓΕΘΟΣ ΚΥΨΕΛΩΝ ΒΑΣΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΤΩΝ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων και είδη παρεμβολών Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης (Intermodulation) Παρεμβολή γειτονικού καναλιού (Adjacent channel interference Ομοκαναλική παρεμβολή (Co-channel interference) Διάσπαση κυττάρων Μεταπομπή (Handover) Πιθανότητα μπλοκαρίσματος κλήσης (Blocking probability) Επίπεδο ραδιοδικτύου Κεραία Φίλτρα Πομποί και δέκτες ΒΗΜΑΤΑ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Διαχείριση ραδιοπόρων Αριθμός συνδρομητών Quality of Service Blocking probability Διαχείριση συχνοτήτων Απαλλαγή από παρεμβολή γειτονικού καναλιού Απαλλαγή από ομοκαναλική παρεμβολή Απαλλαγή από παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Προσδιορισμός του αριθμού των συστάδων και των κυψελών Προσδιορισμός αριθμού πομποδεκτών, BSC και MSC ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΜΟΝΤΕΛΑ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ Σκίαση Απώλειες διαδρομής Διαλείψεις Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας Διαλείψεις μικρής κλίμακας ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ Πολυόδευση Ζώνες Fresnel Ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς (ERP) Υπολογισμός ισχύος εκπομπής ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΛΕΙΨΕΩΝ Διαλείψεις κατά Rice Δαλείψεις κατά Rayleigh Δαλείψεις κατά Nagakami ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΠΩΛΕΙΩΝ Μοντέλο ελευθέρου χώρου (Free space) Μοντέλο log-distance Μοντέλο Okumura Μοντέλο Hata Μοντέλο Hata-Urban Μοντέλο Hata-Suburban Μοντέλο Ray-Tracing Μοντέλο Egli ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ. 46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΡΑΔΙΟΔΙΚΤΥΟΥ ΤΟΥ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ GSM 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ (GSM) Δίκτυα βασισμένα στο GSM πρότυπο ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ GSM

10 3.3.1 Κινητή μονάδα Τερματική συσκεύη Βαθμίδα Ταυτότητας Συνδρομητή (SIM) Σύστημα Σταθμού Βάσης (BSS) Ελεγκτής Σταθμού Βάσης (BSC) Σταθμός Βάσης Πομποδεκτών (BTS) Σύστημα Δικτύου και Κόμβου Μεταγωγής (NSS) Σύστημα Λειτουργιών και Υποστήριξης (OSS) ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM Μετάδοση Διαχείριση ραδιοφάσματος Μεταγωγή Διαχείριση κινητκότητας Διαχείριση θέσης Πιστοποίηση και ασφάλεια Διαχείριση επικοινωνιών Έλεγχος κλήσεων Διαχείριση πρόσθετων υπηρεσιών Διαχείριση σύντομων μηνυμάτων Λειτουργία, διοίκηση και συντήρηση ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΚΙΝΗΤΟΥ ΚΑΙ ΣΤΑΘΜΟΥ ΒΑΣΗΣ (AIR INTERFACE) Ανάθεση συχνοτήτων Τεχνική πολλαπλής πρόσβασης FDMA και TDMA Γενικά για τα κανάλια στο GSM σύστημα Κανάλια κίνησης Κανάλια ελέγχου Κανάλια εκπομπής Αφιερωμένα κανάλια Κοινά κανάλια ελέγχου Frame, Multiframe, Superframe, Hyperframe Ρίπες (Bursts)

11 3.7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 74 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΚΥΨΕΛΩΤΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΣΤΗΝ ΕΥΡΥΤΕΡΗ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΠΟΛΕΩΣ ΠΑΤΡΕΩΝ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΠΟΤΥΠΩΣΗ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΡΑΔΙΟΚΑΛΥΨΗΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΚΤΙΝΑΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΙ ΑΡΙΘΜΟΥ BTS, BSC KAI MSC ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗΣ ΙΣΧΥΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ.. 82 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ. 83 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ. 84 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 85 11

12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αυξανόμενη ζήτηση κινητών τηλεφώνων οδήγησε στην εισαγωγή του κυτταρικού ή κυψελοειδούς συστήματος κινητής ραδιοτηλεφωνίας (Cellular Mobile radio). Το πρότυπο που χρησιμοποιείται για την ανάπτύξη του κυψελοειδούς σχεδιασμου των επίγειων δικτύων κινητών επικοινωνιών είναι το GSM.. Το πρότυπο GSM χωρίζεταις σε τρία επίπεδα: διαχείρισης, μεταγωγής και ραδιοδικτύου. Εμείς ασχολούμαστε κυρίως με της μεταγωγής και του ραδιοδικύου. Το ραδιοδίκτυο είναι το μέρος του δικτύου που αποτελείται από το σταθμό βάσης και την κινητή μονάδα καθώς και από τη διεπαφή αναμεσά τους. Στο επίπεδο της μεταγωγής έχουμε το ψηφιακό κέντρο, κατάλληλο λογισμικό για την δρομολόγηση των κλήσεων και βάσεις δεδομένων στις οποίες καταχωρούνται τα στοιχεία των πελατών, οι απαιτήσεις τους και τα στοιχεία της συσκευής μας. Επίσης στο επίπεδο αύτο βρίσκονται τα πρωτόκολλα για την ασφάλεια τους συστήματος από πιθανές παραβιάσεις και πρωτόκολλα για την πιστοποίηση και την αυθεντικότητα των συνδρομητών. Όσον αφορά την διαδικασία κυψελοειδόυς σχεδιασμού στο επίπεδο του ραδιοδικτύου, η γεωγραφική περιοχή που έχουμε στη διάθεση μας διαμελίζεται σε μικρότερες περιοχές σχήματος εξαγώνου που λέγονται κυψέλες, οι οποίες εφάπτονται μεταξύ τους με κάθε κυψέλη να έχει ένα σταθμό βάσης (Base Station) συνθέτοντας μια δομή κυψελών. Ο κυψελοειδής σχεδιασμό ένος δικτύου διέπεται από κάποιες αρχές όπως η πρόβλεψη της κάλυψης, η διαστασιολόγηση του δικτύου, η κυκλοφορικακή ικανότητα του δικτύου, ο σχεδιασμός συχνοτήτων και τα διπλής μπάντας συστήματα. Η κάλυψη είναι η περιοχή όπου το ραδιοσήμα είναι αρκετά δυνατό για να χρησιμοποιηθεί. Το επίπεδο του σήματος εξαρτάται από το περιβάλλον του χρήστη αστικό, ημιαστικό και αγροτική περιοχή. Για να προβλέψουμε την κάλυψη από μια κεραία, μοντελοποιούμε το πώς τα ραδιοκύματα επηρεάζονται από το περιβάλλον μέσα από το οποίο περνανε. Παράγοντες που λαμβάνουμε υπόψιν είναι οι απώλειες διαδρομής, αταξία της περιοχής και η περίθλαση. Η διαστασιολόγηση του δικτύου γίνεται για να προσδιορίσουμε τον εξοπλισμό και το είδος του δικτύου που απαιτείται για να φροντίσουμε τη κάλυψη και τις απαιτήσεις ποιότητας. Όσο πιο ακριβής είναι η διαστασιολόγησή τόσο πιο αποδοτική είναι η εγκατάσταση του δικτύου. Η διαστασιολόγηση γίνεται με βάση την 12

13 κάλυψη του σταθμού βάσης και την κίνηση του δικτύου. Ανάλογα με τις απώλειες του δικτύου βρίσκουμε την ελάχιστη απαιτούμενη ένταση του σήματος και υπολόγιζουμε τη μέγιστη περιοχή που μπορεί να καλύψει ένας σταθμός βάσης. Η ικανότητα του δικτύου να διαχειριστεί την κινησή του ονομάζεται χωρητικότητα. Η κίνηση του δικτύου βασίζεται στο όλοι οι συνδρομητές εξυπηρετούνται από ένα περιορισμένο αριθμό καναλιών ή ζεύξεων. Αυτό οδηγεί στις έννοιες του μπλοκαρίσματος και της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών που πρέπει να λαμβάνουμε υπόψιν κατά την διαστασιολόγηση της κίνησης του δικτύου. Έτσι υπολογιζουμε τον αριθμό των κανάλιων που απαίτουνται για να καλύψουν το δεδομένο συνδρομητικό φορτίο για δεδομένη ποιότητα παρεχομένων υπηρεσιών. Εφόσον έχουμε προσδιορίσει το είδος των κυψελών που θα χρησιμοποιηθούν για την κάλυψη του δικτύου μας, προχωράμε στο σχεδιασμό συχνοτήτων. Ο σχεδιασμό συχνοτήτων είναι σημαντικός για την ελαχιστοποίηση των παρεμβολών ανάμεσα στις κυψέλες ενώ ικανοποιούνται οι απαιτήσεις κάλυψης και χωρητικότητας. Επίσης σημαντική παράμετρος είναι και η απόσταση επαναχρησημοποίησης συχνοτήτων που εξαρτάται από το πλάνο επαναχρησιμοποίησης. Τα διπλής μπάντας συστήματα χρησιμοποιούν ένα συνδυασμό κυψελών 900 MHz και 1800 MHz προκειμένου να παρέχουν πιο ευέλικτη κάλυψη. Μια κυψέλη 900 MHz είναι μεγαλύτερη από αυτή των 1800 MHz και οι απώλειες ελεύθερης διαδρομής αυξάνονται με τη συχνότητα. Έτσι λοιπόν στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τις αρχές του κυψελοειδούς σχεδιασμού και τις βασικές λειτουργίες των κυψελοειδών συστημάτων, με σκοπό στη συνέχεια την αποτύπωση των βημάτων, που πρέπει να ακολουθηθούν για την υλοποίηση ενός σχεδιασμού σε μία συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφουμε τα διάφορα προβλήματα διάδοσης, δίνοντας μια σύντομη περιγραφή των φυσικών φαινομένων που εμπλέκονται. Στη συνέχεια αφού έχουν ήδη αναλυθεί τα φαινόμενα τα οποία επηρεάζουν τη διάδοση του ασύρματου τηλεπικοινωνιακού σήματος, αναλύουμε τις διαλείψεις μικρής και μεγάλης κλίμακας και παρουσιάζουμε τα πιθανά μοντέλα εξασθένισης που αντιπροσωπεύουν καλύτερα τη περιοχή μας αναλογα αν μιλάμε για αστική, 13

14 ημιαστική ή αγροτική περιοχη ώστε να μας δίνουν τις μικρότερες απώλειες, τη μεγαλύτερη λαμβανόμενη ισχύ και άρα να έχουν καλύτερη αποδοσή στο σύστημα. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφουμε την αρχιτεκτονική του GSM, αναλύοντας ξεχωριστά κάθε δομικό του στοιχείο. Επίσης καταγράφουμε τις ραδιοσυχνότητες του GSM και αναλύουμε τα κανάλια σηματοδοσίας του και στη συνέχεια περιγράφουμε τον τρόπο με τον οποίο λαμβάνει χώρα το φαινόμενο της μεταπομπής στο δίκτυο αυτό. Στο τέταρτο κεφάλαιο αποτυπώνεται η γεωγραφική περιοχή όπου θα σχεδιάσουμε ένα κυψελοειδές δίκτυο και γίνεται εκτίμηση της λαμβανομένης ισχύος με βάση κάποια μοντέλα διαλείψεων που καθορίζονται από την ανομοιγένεια της γεωγραφικής μας περιοχής. 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΩΝ ΤΟΥ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό αναλύουμε τις βασικές έννοιες των κυψελοειδών συστημάτων και στη συνέχεια παραθέτουμε τα βήματα με βάση τα οποία σχεδιάζουμε το κυψελοειδές σύστημα για μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή και για μια συγκεκριμένη τεχνολογία. Πιο συγκεκριμένα, αναλύουμε την ιδέα της επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων και τα είδη των παρεμβολών που την περιορίζουν και αναφέρουμε τις βασικές λειτουργίες που λαμβάνουν χώρα σε ένα κυψελοειδές δίκτυο, όπως η μεταπομπή και η διαίρεση συχνοτήτων. Στη συνέχεια, παρουσιάζουμε βασικές έννοιες του δικτύου, όπως η πιθανότητα μπλοκαρίσματος κλήσης, και περιγράφουμε τα τμήματα από τα οποία αποτελείται το ραδιοδίκτυο. Όλα αυτά παρουσιάζονται για να κατανοήσουμε τον τρόπο σχεδιασμού του κυψελοειδούς δικτύου και τα κριτήρια που χρησιμοποιούμε. 1.2 ΒΑΣΙΚΗ ΙΔΕΑ ΤΗΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΚΑΛΥΨΗΣ Λόγω περιορισμών στο διαθέσιμο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων και της συνεχούς αύξησης των συνδρομητών της κινητής τηλεφωνίας, αναγκαστήκαμε να εισάγουμε προηγμένες στρατηγικές για τη διαχείριση των κινητών δικτύων. Έστω λοιπόν ότι έχουμε μία γεωγραφική περιοχή που πρέπει να καλυφθεί ηλεκτρομαγνητικά. Αν χρησιμοποιήσουμε έναν πομποδέκτη, τότε θα πρέπει να εκπέμπει σε πολύ υψηλή στάθμη ισχύος, ενώ αν χρησιμοποιήσουμε μία ομάδα πομποδεκτών, τότε ο καθένας από αυτούς θα καλύπτει μια μικρότερη ζώνη, άρα απαιτείται μικρότερη ισχύς εκπομπής. Συνεπώς, η βασική ιδέα στην οποία βασίστηκε η κατασκευή των ραδιοδικτύων, είναι η έννοια της κυψέλης, δηλαδή η διάσπαση της γεωγραφικής περιοχής που 15

16 πρόκειται να καλυφθεί ηλεκτρομαγνητικά σε μικρές ζώνες όπου υπάρχει η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησης των συχνοτήτων. 1.3 ΜΟΡΦΗ ΚΑΙ ΜΕΓΕΘΟΣ ΚΥΨΕΛΩΝ Οι κυψέλες που καλύπτουν μια περιοχή είναι ίδιες μεταξύ τους και η κάθε μία εξυπηρετείται από έναν σταθμό βάσης. Αν υποθέσουμε ότι μία πανκατευθυντική κεραία βρίσκεται στο κέντρο της κυψέλης, τότε η μορφή των κυψελών θα είναι κυκλική. Άρα όλη η γεωγραφική περιοχή μπορούμε να θεωρήσουμε ότι χωρίζεται σε κύκλους ακτίνας r. Όμως παρατηρούμε ότι έτσι θα υπάρχουν περιοχές που θα επικαλύπτονται μεταξύ τους. Γι αυτό πρέπει να προσπαθήσουμε να προσεγγίσουμε τον κύκλο με κάποιο άλλο σχήμα. Αν χρησιμοποιήσουμε τρίγωνο ή τετράγωνο δε θα έχουμε επικάλυψη, αλλά δεν θα προσεγγίσουμε καλά τον κύκλο με αποτέλεσμα να χρησιμοποιήσουμε περισσότερες κυψέλες. Άρα καταλήγουμε στο εξάγωνο. Εικόνα 1-1: Προσέγγιση κύκλου με γεωμετρικά σχήματα Το μέγεθος και τα χαρακτηριστικά των κυψελών μεταβάλλονται ανάλογα με την περιοχή της κάλυψης (αστική, ημιαστική, αγροτική), αλλά και την πυκνότητα του πληθυσμού που πρόκειται να χρησιμοποιήσει το δίκτυο. Και άλλες παράμετροι επηρεάζουν τη μορφή και το μέγεθος των κυψελών, όπως τα φυσικά εμπόδια (π.χ. βουνά), ενώ διαφοροποιήσεις στην επιλογή του σημείου και του ύψους που θα τοποθετηθεί η κεραία της κυψέλης οφείλονται και στην ύπαρξη ψηλών κτιρίων, πυκνής βλάστησης και άλλων ειδικών για κάθε περιοχή χαρακτηριστικών. Πέντε είναι τα είδη των κυψελών στο GSM. Πικοκύτταρα (Pico Cells). Τα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης μικρότερη από 100 m. Η δομή αυτή χρησιμοποιείται για την κάλυψη των 16

17 επικοινωνιακών αναγκών των χρηστών με φορητές μονάδες οι οποίοι κινούνται γενικά εντός κτιρίων και ειδικότερα αυτών που βρίσκονται μέσα σε τρένα, αεροπλάνα, πλοία και λεωφορεία. Μικροκύτταρα (Micro Cells). Tα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης η οποία έχει ελάχιστη τιμή 100 m και μέγιστη τιμή 1 Km. H δομή αυτή χρησιμοποιείται για την επικοινωνιακή κάλυψη κινητών μονάδων οι οποίες ευρίσκονται και κινούνται στις κεντρικές περιοχές των πόλεων. Μακροκύτταρα (Macro Cells). Tα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης η οποία έχει ελάχιστη τιμή 1 Km και μέγιστη τιμή 20 Km. H δομή αυτή χρησιμοποιείται για την επικοινωνιακή κάλυψη κινητών μονάδων οι οποίες κινούνται σε οδούς εκτός των πόλεων καθώς και σε πυκνοκατοικημένες περιοχές. Υπερκύτταρα (Hyper Cells). Tα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης μεγαλύτερη από 20 Km και χρησιμοποιούνται για την επικοινωνιακή κάλυψη κινητών μονάδων οι οποίες ευρίσκονται εντός επαρχιακών περιοχών. Κύτταρα μεγάλης κάλυψης (Overlay Cells). Tα κύτταρα αυτά έχουν ακτίνα κάλυψης η οποία φθάνει μέχρι μερικές εκατοντάδες Km και χρησιμοποιούνται στη δορυφορική κινητή τηλεφωνία προκειμένου να καλυφθούν επικοινωνιακά οι κινητές και οι φορητές μονάδες που βρίσκονται σε απομακρυσμένες περιοχές. 1.4 ΒΑΣΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΤΩΝ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων και είδη παρεμβολών Η βασική αρχή λειτουργίας ενός κυψελωτού συστήματος είναι η ιδέα της επαναχρησιμοποίησης καναλιών. Η επαναχρησιμοποίηση γίνεται με τη δημιουργία συστάδων κυψελών που χρησιμοποιούν συγκεκριμένες συχνότητες. Γειτονικές κυψέλες χρησιμοποιούν διαφορετικές συχνότητες για να αποφύγουμε την παρεμβολή. Επίσης θα πρέπει να έχουμε ελεγχόμενη ισχύ εκπομπής για περιορισμό της ισχύος του σήματος που διαφεύγει στις γειτονικές κυψέλες και να καθοριστεί ο αριθμός των 17

18 κυψέλων που πρέπει να παρεμβληθούν ανάμεσα σε δύο κυψέλες που χρησιμοποιούν την ίδια συχνότητα. Εικόνα 1-2: Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων Είδη παρεμβολών: Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Παρεμβολή από γειτονικό κανάλι Παρεμβολή ομοκαναλική Παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης (Intermodulation) Η παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης εμφανίζεται στα κυκλώματα εξόδου των πομπών ή στα κυκλώματα εισόδου των δεκτών, όταν δύο ή περισσότερα σήματα διέρχονται ταυτόχρονα από μη γραμμικά κυκλώματα. Επομένως, η παρουσία μη γραμμικού στοιχείου σε ένα σύστημα προκαλεί στο σήμα γραμμική παραμόρφωση και έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία προϊόντων ενδοδιαμόρφωσης. Τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης είναι θόρυβος, ο οποίος παράγεται σε άλλες συχνότητες και μπορούμε να τα προσδιορίσουμε μέσω μαθηματικής ανάλυσης. Μέσω της μαθηματικής ανάλυσης καταλήγουμε στο ότι εμφανίζονται προϊόντα 2 ης 3 ης 4 ης..ν-ης τάξης που όσο αυξάνεται η τάξη τόσο μειώνεται η ισχύς τους. Άρα η επίδραση τους ελαττώνεται στο σήμα της εκάστοτε συχνότητας που εμφανίζονται 18

19 όσο αυξάνεται η τάξη τους. Αυτό σε συνδυασμό με την διαπίστωση ότι τα προϊόντα περιττής τάξης έχουν σημαντική επίδραση στη μείωση του λόγου σήματος προς θόρυβο, οδηγεί κατά το σχεδιασμό να λαμβάνουμε υπόψη μας μέχρι προϊόντα 3 ης τάξης. Υπάρχουν πολλοί αλγόριθμοι, όπως ο αλγόριθμος του Mifsud, που μας βοηθάει να βρούμε για κάθε τεχνολογία σε ποιες συχνότητες θα εμφανιστούν προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης για να μπορέσουμε να τα αντιμετωπίσουμε. Επείδη δεν γίνεται να εξαφανίσουμε τελείως τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης γιατί θα έπρεπε να διαγράψουμε έναν μεγάλο αριθμό συχνοτήτων, κάτι το οποίο είναι πολύ αντιοικονομικό, μέσω διαφόρων τεχνικών έχουμε καταφέρει να μειώσουμε την επίδραση τους και να διαγράψουμε μόνο λίγες συχνότητες Παρεμβολή γειτονικού καναλιού (Adjacent channel interference) Η παρεμβολή γειτονικού καναλιού συμβαίνει όταν μέσα σε μία κυψέλη δύο ή περισσότερα κανάλια παρεμβάλλονται το ένα στο άλλο. Το φαινόμενο αυτό συναντάται συνήθως όταν τα κανάλια σχηματίζονται σε κοντινές συχνότητες. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού χρησιμοποιούνται φίλτρα σημάτων και καταβάλλεται προσπάθεια ώστε να παρουσιάζουν όσο το δυνατόν κάθετες πλευρές για να αποκόπτονται οι ανεπιθύμητες συχνότητες. Τέλεια φίλτρα όμως δεν υπάρχουν και έτσι πάντοτε κάποια γειτονική συχνότητα περνάει από το φίλτρο και υποβαθμίζει τη λήψη. Εικόνα 3-3: Παρεμβολή γειτονικού καναλιού 19

20 Ομοκαναλική παρεμβολή (Co-channel interference) Η ομοκαναλική παρεμβολή συμβαίνει όταν δύο συσκευές πομπών, που λειτουργούν στην ίδια συχνότητα, είναι ταυτοχρόνως ενεργοί με αποτέλεσμα ο δέκτης να λαμβάνει το σήμα από τον ένα πομπό και να λαμβάνει και άλλο ένα αδύναμο σήμα από τον άλλο πομπό. Η επίδραση αυτή μετριέται σαν λόγος σήματος που φθάνει στη κεραία του κινητού συνδρομητή από τον τοπικό σταθμός βάσης προς το σήμα που λαμβάνεται στην ίδια κεραία από έναν μακρινό σταθμό βάσης. Για να μπορέσουμε να κάνουμε επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων στις κυψέλες θα πρέπει να εξασφαλίσουμε απόσταση r μεταξύ των κυψελών έτσι ώστε να μην παρεμβάλλονται τα δύο σήματα όταν εκπέμπονται στην ίδια συχνότητα. Αυτή η απόσταση r ορίζεται από τον τύπο: όπου D είναι η απόσταση των κυψελών αν θεωρήσουμε ότι οι κυψέλες έχουν την κεραία στο κέντρο τους και είναι πανκατευθυντική. R είναι η ακτίνα κάθε κυψέλης. N είναι ο αριθμός των κυττάρων ανά συστάδα, δηλαδή ο αριθμός των κυψελών που έχει η κάθε ομάδα κυψελών που επαναχρησιμοποιείται. Με τη βοήθεια αυτού του τύπου προσδιορίζουμε την απόσταση, που πρέπει να έχουν τα κέντρα δύο διαδοχικών συγκαναλικών κυττάρων, ως συνάρτηση της ακτίνας του κυττάρου για κάθε τεχνολογία. Εικόνα 1-4: Ομοκαναλική παρεμβολή 20

21 1.4.2 Διάσπαση κυττάρων Αν το κυψελοειδές σύστημα περιέχει Ν κυττάρα και C είναι ο συνολικός αριθμός συχνοτήτων, τότε κάθε κελί θα περιέχει S=C / N αριθμό συχνοτήτων. Για να αυξηθεί περαιτέρω από τη χωρητικότητα S, τα όρια των κυττάρων πρέπει να αναθεωρηθούν ώστε κάθε κύτταρο να διαιρεθεί σε μικρότερα κύτταρα. Αυτό αυξάνει τον αριθμό των φορών επαναχρησιμοποίησης των καναλιών. Δηλαδή μία μείωση της ακτίνας στο μισό, αυξάνει τον αριθμό των κυττάρων τέσσερις φορές (υποδιαίρεση σε τέσσερα κύτταρα). Για να μην διαταραχθεί η ισορροπία του συστήματος και για να διατηρηθεί η τιμή του λόγου σήματος προς παρεμβολή (C/I), πρέπει να ελαττωθεί η ισχύς εκπομπής. Η διάσπαση κυττάρων συνήθως γίνεται σε συγκεκριμένες περιστάσεις όπως συναυλίες, μεγάλα αθλητικά γεγονότα στις οποίες έχουμε μεγάλη αύξηση του συνδρομητικού φορτίου. Η διάσπαση πραγματοποιείται με τη χρήση μη σταθερών κεραιών όπως για παράδειγμα πάνω σε φορτηγάκια, που πάνε και τοποθετούνται σε συγκεκριμένα σημεία όταν είναι ανάγκη. Αποτέλεσμα της διάσπασης της υπάρχουσας κυψέλης σε μικρότερη είναι η αύξηση της χωρητικότητας σε κανάλια, αύξηση του αριθμού μεταπομπών ανά κλήση, χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας στην κινητή συσκευή, μεγαλύτερος χρόνος ομιλίας, αυξημένη πολυπλοκότητα στον εντοπισμό του συνδρομητή, χαμηλότερες απώλειες διαδρομής και αύξηση παρεμβολών. Εικόνα 1-5: Υποδιαίρεση κυττάρων 21

22 1.4.3 Μεταπομπή (Handover) Όταν ένα κινητό μετακινείται από τη μία κυψέλη σε άλλη κατά την διάρκεια μιας συνομιλίας, το κέντρο μεταγωγής αυτόματα μεταφέρει την κλήση σε νέο δίαυλο που ελέγχεται από το νέο σταθμό βάσης. Η διαδικασία αυτή της μεταπομπής, εκτός από την αναγνώριση του νέου σταθμού βάσης, προϋποθέτει και την εκχώρηση των καναλιών ελέγχου και ομιλίας στο νέο σταθμό βάσης. Η διαδικασία της μεταπομπής πρέπει να υλοποιείται χωρίς να γίνεται αντιληπτή από το χρήστη και εν γένει να αποφεύγεται κατά το δυνατόν. Όταν το κινητό πλησιάζει τα όρια της κυψέλης και η στάθμη του σήματος πέσει κάτω από ένα όριο, τότε το σύστημα ετοιμάζεται να του δώσει σήμα από την κεραία του κυττάρου που εισέρχεται. Υπάρχει και η intracell handover, πραγματοποιείται στο εσωτερικό της ίδιας κυψέλης. Όταν εμφανίζεται κάποιο σφάλμα στη γραμμή που συνδέει τον τερματικό σταθμό με τη βάση και η στάθμη του σήματος δεν είναι πλέον αποδεκτή, τότε το σύστημα παραχωρεί ένα νέο κανάλι σηματοδοσίας σε άλλη συχνότητα. Εικόνα 1-6: Μεταπομπή Εικόνα 1-7: Κατώφλι ευαισθησίας 22

23 Στην περίπτωση που μια κινητή συσκευή κινείται στα σύνορα δύο κυττάρων, τότε επειδή η στάθμη δεν είναι σταθερή, θα παίρνει σήμα πότε από το σταθμό της μίας και πότε από της άλλης. Σε αυτή την περίπτωση θα καταπονείται το σύστημα και αυτή η καταπόνηση ονομάζεται ping-pong. Εικόνα 1-8: Διαδικασία Ping Pong Πιθανότητα μπλοκαρίσματος κλήσης (Blocking probability) Κάθε σταθμός βάσης έχει καθορισμένο αριθμό καναλιών που διατίθενται για τη μεταφορά δεδομένων κυκλοφορίας. Όταν μια νέα κλήση φθάνει στο σταθμό βάσης, θα πρέπει πρώτα να ελεγχθεί η διαθεσιμότητα για ένα ελεύθερο κανάλι. Εάν υπάρχει ελεύθερο κανάλι, τότε αυτό το ελεύθερο κανάλι κατανέμεται για την κλήση. Αν δεν υπάρχει διαθέσιμο κανάλι, τότε η κλήση μπλοκάρεται. Το blocking probability είναι η πιθανότητα να πραγματοποιήσει κλήση μία κινητή μονάδα αλλά το σύστημα να μην έχει διαθέσιμο κανάλι σηματοδοσίας. Δηλαδή όταν λέμε ότι έχουμε 2% blocking probability σημαίνει ότι από τις 100 κλήσεις οι 2 θα αποτύχουν. Μέσω αυτής της παραμέτρου, προσδιορίζουμε πόσους συνδρομητές μπορούμε να εξυπηρετήσουμε και άρα πόσα κανάλια πρέπει να χρησιμοποιήσουμε σε μία συγκεκριμένη περιοχή. Το b.p. το υπολογίζουμε με πάρα πολλές μεθόδους αλλά η πιο εύχρηστη είναι μέσω του τύπου Erlang-B 23

24 όπου Ε είναι το φορτίο κίνησης m ο αριθμός των εξυπηρετητών. (1.2) Από αυτόν τον τύπο προκύπτει ένας πίνακας ο οποίος μας διευκολύνει στη χρήση του. ΕΕΕΚΝΞΔ Εικόνα 1-9: Πίνακας Erlang B Έτσι αν θέλουμε να δούμε πόσα κανάλια χρειαζόμαστε π.χ. όταν έχουμε b.p. 1% και συνδρομητικό φορτίο 8,88 erlang πάμε στον πίνακα και βλέπουμε ότι Ν=16 κανάλια. 24

25 Για το συνδρομητικό φορτίο συνήθως παίρνουμε την πιο κοντινή τιμή του πίνακα γιατί δύσκολα θα ταυτίζεται Επίπεδο ραδιοδικτύου Το επίπεδο ραδιοδικτύου χωρίζεται στα εξής τμήματα: Την κεραία Τα φίλτρα Τους πομπούς και τους δέκτες Κεραία Παραπάνω θεωρήσαμε ότι η κεραία βρίσκεται στο κέντρο της κυψέλης και είναι πανκατευθυντική, προκειμένου να κάνουμε πιο εύκολους υπολογισμούς. Στην πραγματικότητα όμως, η κεραία βρίσκεται στην άκρη και είναι κατευθυντική. Συγκεκριμένα τοποθετείται μία κεραία ανά τρεις κυψέλες, δηλαδή τοποθετούνται τρία δίπολα με ανακλαστήρα στη γωνία που ενώνονται οι τρεις κυψέλες και το κάθε δίπολο φωτίζει στην αντίστοιχη κυψέλη. Οι ανακλαστήρες χρησιμοποιούνται για να μην έχουμε παρεμβολές γειτονικών κυψελών και για να μετατρέπουν τα δίπολα σε κατευθυντικές κεραίες. Εικόνα 1-10: Θέση κεραίας στις κυψέλες και τρόπος ακτινοβολίας κεραίας 25

26 Φίλτρα Τα φίλτρα τα χρησιμοποιούμε για να ενώσουμε σήματα και για να τα διασπάσουμε. Τα πιο συνηθισμένα φίλτρα είναι τα δύο εισόδων και μιας εξόδου και τα τριών εισόδων μιας εξόδου. Ο λόγος που δε χρησιμοποιείται ένα φίλτρο για όλες τις συχνότητες είναι ότι θα εμφανιζόταν μεγάλη εξασθένηση του σήματος και θα υπήρχε πιθανότητα παραμόρφωσης. Έτσι αν θέλουμε να δώσουμε σε μία κυψέλη κανάλια σηματοδοσίας τεσσάρων συχνοτήτων, τότε θα χρησιμοποιήσουμε τρεις combiners και τέσσερεις δέκτες αν έχουμε λήψη ή τέσσερις πομπούς αν έχουμε αποστολή Πομποί και δέκτες Οι πομποί και οι δέκτες είναι τόσοι όσες και οι συχνότητες που έχουμε για εκπομπή και λήψη. Οι πομποί και οι δέκτες συνδέονται με την κεραία και τα φίλτρα μέσω ομοαξονικού καλωδίου. Οι δέκτες είναι αυτοί που λαμβάνουν το σήμα ενώ οι πομποί είναι αυτοί που το στέλνουν. Επειδή από την κεραία φεύγει ένα ομοαξονικό καλώδιο για να γίνει η λήψη του σήματος παρεμβάλλεται ένα σύστημα από combiners μεταξύ της κεραίας και των δεκτών που διασπάει το σήμα και το μοιράζει στους αντίστοιχους δέκτες. Αντίστοιχα για να γίνει η αποστολή του σήματος παρεμβάλλεται ένα σύστημα το οποίο ενοποιεί τα σήματα και τα στέλνει στην κεραία. 1.5 ΒΗΜΑΤΑ ΚΥΨΕΛΟΕΙΔΟΥΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ Τα βασικά βήματα που πρέπει να ακολουθηθούν για την κάλυψη μιας περιοχής με κυψέλες είναι τα εξής: Διαχείριση ραδιοπόρων Διαχείριση συχνοτήτων Προσδιορισμός του αριθμού καναλιών 26

27 Προσδιορισμός του αριθμού των συστάδων και των κυψελών Προσδιορισμός αριθμού πομποδεκτών, BSC και MSC Διαχείριση ραδιοπόρων Αριθμός συνδρομητών Ο αριθμός των συνδρομητών μπορεί να θεωρηθεί σταθερός, που σημαίνει ότι έχουμε σε όλη την γεωγραφική περιοχή την ίδια πληθυσμιακή κατανομή, κάτι το οποίο είναι πολύ σπάνιο, ειδικά όταν έχουμε να καλύψουμε μεγάλες γεωγραφικές περιοχές που λόγω της γεωγραφικής ανομοιογένειας υπάρχει και πληθυσμιακή ανομοιογένεια Quality of Service Το Quality of Service είναι ο μηχανισμός που ελέγχει την απόδοση, την αξιοπιστία και τη χρηστικότητα των υπηρεσιών τηλεπικοινωνίας. Είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο και μας βοηθάει να προσδιορίσουμε την ποιότητα της σηματοδοσίας, αφού όσο μεγαλώνει αυτός ο λόγος τόσο αυξάνεται η ποιότητα του σήματος. Μέσω της εξίσωσης της θεωρίας πληροφορίας του Shannon προσδιορίζουμε το εύρος. όπου W είναι το εύρος ζώνης S/N είναι ο λόγος σήματος προς θόρυβο C είναι η χωρητικότητα 27

28 Blocking probability Η απαιτούμενη πιθανότητα αστοχίας μας δίνεται από τον εργοδότη. Εφόσον λοιπόν γνωρίζουμε το blocking probability και τον αριθμό των συνδρομητών πρέπει να προσδιορίσουμε τον αριθμό των καναλιών. Αυτή η ενέργεια πραγματοποιείται ως εξής: υπολογίζουμε το συνδρομητικό φορτίο, το οποίο είναι το γινόμενο του μέσου χρόνου πραγματοποίησης μιας κλήσης επί τον αριθμό των συνδρομητών δια την ώρα παρακολούθησης δηλαδή είναι ο τύπος όπου α είναι το φορτίο κίνησης h είναι ο μέσος χρόνος πραγματοποίησης κλήσης ν είναι ο αριθμός των συνδρομητών έχουμε το b.p. και το συνδρομητικό φορτίο οπότε κοιτάμε στον πίνακα erlangb και βλέπουμε πόσα κανάλια χρειαζόμαστε για την κάλυψη της γεωγραφικής περιοχής μας Διαχείριση συχνοτήτων Αφού έχουμε υπολογίσει τον αριθμό των καναλιών, πρέπει να προσδιορίσουμε τις συχνότητες που θα χρησιμοποιήσουμε σε κάθε κυψέλη. Ένοντας σα δεδομένο το εύρος των συχνοτήτων που θα χρησιμοποιήσουμε αναλόγα με την τεχνολογία, αυτό που μένει είναι να καταλήξουμε πως θα πρέπει να κατανεμηθούν οι συχνότητες στην κάθε κυψέλη ώστε να αποφύγουμε τις παρεμβολές. 28

29 Απαλλαγή από παρεμβολή γειτονικού καναλιού Η παρεμβολή γειτονικού καναλιού εξαρτάται από την απόσταση των δύο πομποδεκτών που χρησιμοποιούν γειτονική συχνότητα και την ποιότητα των φίλτρων συχνοτήτων. Τα φίλτρα συχνοτήτων όμως για να έχουν μεγάλη ακρίβεια, ώστε να μην δημιουργούνται παρεμβολές μεταξύ των γειτονικών καναλιών, είναι ακριβά. Επομένως για να καταφέρουμε να απαλλαγούμε από αυτές τις παρεμβολές θα πρέπει να χρησιμοποιούμε συχνότητες στα γειτονικά κανάλια που έχουν μεγάλες διαφορές. Στο GSM 900 έχουμε για κάθε εταιρία 62 συχνότητες και 12 κυψέλες ανά συστάδα. Αν βάλουμε σε κάθε κυψέλη τις συχνότητες με τη σειρά, δηλαδή η κυψέλη 1 να παίρνει τις συχνότητες 1, 2, 3, 4 η κυψέλη 2 τις 5, 6, 7, 8 κτλ, τότε θα έχουμε παρεμβολές γειτονικών καναλιών, αφού η απόσταση μεταξύ των συχνοτήτων που θα χρησιμοποιήσουμε σε κάθε κύτταρο θα είναι πολύ μικρή. Ωστόσο, μπορούμε να βάλουμε φίλτρα με πολύ μεγάλη ακρίβεια, τα οποία θα έχουν τη δυνατότητα να ξεχωρίσουν αυτές τις συχνότητες. Όμως κάτι τέτοιο είναι πολύ ακριβό και αν αναλογιστούμε και πόσα φίλτρα χρειαζόμαστε για μία εγκατάσταση, κάτι τέτοιο είναι απαγορευμένο. Για το λόγο αυτό κατασκευάζουμε ένα πίνακα με συχνότητες όπως παρακάτω: C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 f15 f16 f17 f18 f19 f20 f21 f22 f23 f24 f25 f26 f27 f28 f29 f30 f31 f32 f33 f34 f35 f36 f37 f38 f39 f40 f41 f42 f43 f44 f45 f46 f47 f48 f49 f50 f51 f52 f53 f54 f55 f56 f57 f58 f59 f60 f61 f62 Αν διαβάσουμε τον πίνακα ανά στήλη τότε βλέπουμε ότι έχουμε απαλλαγεί από τις παρεμβολές γειτονικού καναλιού, αφού στην κάθε κυψέλη βλέπουμε ότι αντιστοιχούν συχνότητες με αρκετά μεγάλη απόσταση. 29

30 Απαλλαγή από ομοκαναλική παρεμβολή Η ομοκαναλική παρεμβολή εξαρτάται από το συντελεστή επαναχρησιμοποίησης Ν. Για να βελτιώσουμε το λόγο σήματος προς παρεμβολή SIR πρέπει να αυξηθεί η απόσταση μεταξύ κυψελών που χρησιμοποιούν τα ίδια κανάλια. Εικόνα 1-11: Απαλλαγή από ομοκαναλική παρεμβολή Άρα με βάση τον τύπο και αναλόγα την τεχνολογία που θα χρησιμοποιήσουμε θα έχουμε ένα συγκεκριμένο αριθμό κυψελών σε κάθε συστάδα, π.χ. για GSM τεχνολογία το Ν είναι Απαλλαγή από παρεμβολή ενδοδιαμόρφωσης Σκοπός μας είναι να βρούμε σε ποιες συχνότητες εμφανίζονται τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης 2 ης και 3 ης τάξης. Η πιο διαδεδομένη τεχνική για να εντοπίσουμε τις συχνότητες που έχουν πρόβλημα σε κάθε κύτταρο, είναι ο αλγόριθμος του Mifsud. Aν έχω δεδομένο αριθμό συχνοτήτων (F1,F2,..,FK), οι οποίες ισαπέχουν μεταξύ τους, δημιουργούμε μία λίστα συχνοτήτων με βάση τη σχέση (αυτές είναι οι συχνότητες που έχουν πρόβλημα). 30

31 F y+ω = 2*F y + F ω F1 1<ω<y & ω=1,y (1.6) F1=1 & F2=2 Για το GSM 900, αν εφαρμόσουμε τον αλγόριθμο του Μifsud, τότε θα πάρουμε ως συχνότητες που έχουν πρόβλημα τις (f25 f26 f27 f28 f29 f30 f31 f32 f33 f34 f35 f36 f61 f62). Μετά πρέπει να βρούμε τρόπο να τις αναδιατάξουμε έτσι ώστε να απαλλαγούμε από τα προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης, χωρίς να τις διαγράψουμε. Έτσι αλλάζω τα στοιχεία της τρίτης σειράς αντιδιαμετρικά, όπως φαίνεται στον παρακάτω πίνακα C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 f15 f16 f17 f18 f19 f20 f21 f22 f23 f24 f36 f35 f34 f33 f32 f31 f30 f29 f28 f27 f26 f25 f37 f38 f39 f40 f41 f42 f43 f44 f45 f46 f47 f48 f49 f50 f51 f52 f53 f54 f55 f56 f57 f58 f59 f60 f61 f62 Έτσι οι μόνες συχνότητες που θα χρειαστεί να διαγράψουμε είναι οι f30, f31, f61 και f62 καθώς όλες οι άλλες έχουν απαλλαγεί από προϊόντα ενδοδιαμόρφωσης Προσδιορισμός του αριθμού των συστάδων και των κυψελών Αφού τώρα έχουμε βρει τον αριθμό επαναχρησιμοποίησης N των συστάδων και ξέρουμε ανάλογα με την τεχνολογία που χρησιμοποιούμε τις συχνότητες ανά κυψέλη που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και το πόσα κανάλια χρειαζόμαστε ανά περιοχή, είμαστε έτοιμοι να προσδιορίσουμε ακριβώς τον αριθμό των συστάδων και τον αριθμό των συχνοτήτων που θα χρησιμοποιήσουμε σε κάθε κυψέλη. Αυτός ο προσδιορισμός γίνεται με τα εξής βήματα: 31

32 Για να βρούμε πόσες συχνότητες χρειαζόμαστε γι αυτή την περιοχή υπολογίζουμε τον λόγο κανάλια αριθμό καναλιών ανά συχνότητα Παίρνουμε τον πίνακα που μας δείχνει πόσες και ποιες συχνότητες μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ανά κυψέλη για την κάθε συστάδα και υπολογίζουμε τον αριθμό των συστάδων που θα χρησιμοποιήσουμε χρησιμοποιώντας τον λόγο Με τη βοήθεια του πίνακα των συχνοτήτων που έχουμε δημιουργήσει από το δεύτερο βήμα (διαχείριση συχνοτήτων), προσδιορίζουμε πόσες κυψέλες θα χρησιμοποιήσουμε και ποιες συχνότητες θα έχει η κάθε κυψέλη Προσδιορισμός αριθμού πομποδεκτών, BSC και MSC Εφόσον γνωρίζουμε λοιπόν πόσες συχνότητες θα έχει κάθε κυψέλη προσδιορίζουμε τον αριθμό των πομποδεκτών, των BSC και των MSC. Ο αριθμός των πομποδεκτών θα είναι ίδιος με τον αριθμό των συχνοτήτων σε κάθε κυψέλη. Κάθε BSC ελέγχει 3 BTS και κάθε MSC 124 κυψέλες. 1.6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Βλέπουμε ότι ακολουθείται μία συγκεκριμένη διαδικασία για τον σχεδιασμό του κυψελοειδούς δικτύου, ανεξάρτητα από την τεχνολογία που χρησιμοποιούμε. Συνεπώς σημασία έχει να βρούμε τις τεχνικές για την κάθε τεχνολογία με τις οποίες μπορούμε να απαλλαγούμε από τις παρεμβολές χρησιμοποιώντας όσο το δυνατόν περισσότερες συχνότητες και κάνοντας όσο το δυνατόν οικονομικότερο σχεδιασμό. 32

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΜΟΝΤΕΛΑ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ 2.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στο κεφάλαιο αυτό αναφερόμαστε στον τρόπο μοντελοποίησης του ασύρματου καναλιού. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφονται τα διάφορα προβλήματα που δημιουργούνται λόγω των φυσικών φαινομένων που εμπλέκονται και δίνονται οι βασικές αρχές με βάση τις οποίες αξιολογούμε το κανάλι μας. Επίσης, με βάση τα φαινόμενα που επηρεάζουν τη διάδοση του σήματος, αναλύουμε τις διαλείψεις μικρής και μεγάλης κλίμακας και παραθέτουμε τα στατιστικά μοντέλα τα οποία μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για την περιγραφή ασύρματων καναλιών αναλόγως τις συνθήκες κάτω από τις οποίες πρέπει να υφίστανται. 2.2 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΑΣΥΡΜΑΤΗ ΔΙΑΔΟΣΗ Ανάκλαση (reflection): εμφανίζεται όταν το διαδιδόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει σε αντικείμενο διαστάσεων πολύ μεγαλύτερων από το μήκος κύματος λ. Εικόνα 2-1: Ανάκλαση Σκέδαση (scattering): εμφανίζεται όταν στη διαδρομή του κύματος υπάρχουν αρκετά αντικείμενα με διαστάσεις μικρότερες από το μήκος κύματος λ. 33

34 Εικόνα 2-2: Σκέδαση Περίθλαση (diffraction): εμφανίζεται όταν κατά τη διαδρομή του ραδιοκύματος από τον πομπό προς το δέκτη αυτό προσπίπτει σε αντικείμενα με αιχμή συγκρίσιμα με το μήκος κύματος λ Εικόνα 2-3: Περίθλαση Διάθλαση (refraction): εμφανίζεται λόγω αλλαγής του δείκτη διάθλασης στο μέσο διάδοσης, όπως όταν περνάει το ραδιοκύμα από τα διάφορα στρώματα της ατμόσφαιρας με διαφορετική πυκνότητα και έχει σαν αποτέλεσμα την εκτροπή του κύματος. Εικόνα 2-4: Διάθλαση 34

35 Λόγω των παραπάνω φαινομένων δημιουργούνται τα εξής προβλήματα κατά την ασύρματη διάδοση: Σκίαση (shadowing) Απώλειες διαδρομής (path losses) Διαλείψεις (fading) Σκίαση Όταν εμφανίζεται ένα μεγάλο εμπόδιο μεταξύ του πομπού και του δέκτη και έχει μεγαλύτερο μέγεθος από το μήκος κύματος του μεταδιδόμενου σήματος, τότε έχουμε το πρόβλημα της σκίασης. Το πρόβλημα αυτό εμφανίζεται με την απότομη πτώση του σήματος λήψης στα σημεία που κρύβει το εμπόδιο αυτό. Για να αντιμετωπίσουμε το πρόβλημα αυτό υπάρχουν τρεις μέθοδοι. Παθητικό κάτοπτρο: τοποθετείται στην κορυφή του εμποδίου και αντανακλά το σήμα που δέχεται προς την περιοχή που επισκιάζεται Κεραίες back to back: τοποθετούνται στην κορυφή του εμποδίου και εκπέμπουν και από τις δύο μεριές. Αύξηση ισχύος εκπομπής μέχρι κάποιο επιτρεπτό όριο Απώλειες διαδρομής Οι απώλειες διαδρομής είναι η μείωση της πυκνότητας ισχύος των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων καθώς διαδίδονται μέσα στο χώρο. Οι απώλειες διαδρομής μπορεί να οφείλονται σε πολλούς λόγους, όπως απώλειες ελευθέρου χώρου, διάθλαση, περίθλαση και ανάκλαση. Οι απώλειες διαδρομής επηρεάζονται επίσης από το περιβάλλον (αστική ή αγροτική, τη βλάστηση και το φύλλωμα), το μέσο διάδοσης (ξηρό ή υγρό αέρα), την απόσταση μεταξύ του πομπού και του δέκτη, καθώς και το ύψος και τη θέση των κεραιών. 35

36 2.2.3 Διαλείψεις Με τον όρο διαλείψεις σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα εννοούμε τις διακυμάνσεις του σήματος στο δέκτη όσον αφορά το πλάτος ή τη φάση ή τη γωνία αφίξεώς του. Η αιτία αυτών των διακυμάνσεων είναι η πρόσθεση των συνιστωσών πολλαπλών διαδρομών του σήματος, εφόσον το κύμα κατά τη διάδοσή του στο ασύρματο κανάλι δύναται να ακολουθήσει πολλές και διαφορετικές διαδρομές στη μετάδοση από τον πομπό στο δέκτη, υπόκειται δηλαδή στο φαινόμενο της πολυόδευσης (multipath). Υπάρχουν δύο είδη διαλείψεων: διαλείψεις μεγάλης κλίμακας διαλείψεις μικρής κλίμακας Διαλείψεις μεγάλης κλίμακας Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας πραγματεύονται την εξασθένηση της μέσης τιμής της ισχύος του σήματος λήψης εξαιτίας απώλειας στη διαδρομή και τη μεταβολή της τιμής αυτής λόγω της σχετικής κίνησης μεταξύ πομπού-δέκτη. Η ύπαρξη αυτού του φαινομένου είναι αποτέλεσμα της παρεμβολής μεταξύ πομπού και δέκτη, καθώς αλλάζει η σχετική τους θέση, διαφόρων εμποδίων (κτίρια, λόφοι, δασώδεις εκτάσεις κ.λ.π.). Έχουμε λοιπόν μια συνεχή αλλαγή του χώρου που παρεμβάλλεται μεταξύ πομπού και δέκτη που οδηγεί σε μια μεταβαλλόμενη «σκίαση» του δέκτη. Για τον λόγο αυτό, η μεταβολή της μέσης τιμής του σήματος λήψης αναφέρεται ως διαλείψεις σκίασης (Shadow Fading). Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας χαρακτηρίζονται από μία lognormal συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας παρέχοντας έναν τρόπο εκτίμησης των απωλειών διάδοσης ως συνάρτηση του χρόνου Διαλείψεις μικρής κλίμακας Στις διαλείψεις μικρής κλίμακας έχουμε απότομες μεταβολές του πλάτους και της φάσης του λαμβανόμενου σήματος που μπορούν να θεωρηθούν ως αποτέλεσμα 36

37 μικρών αλλαγών (της τάξης του μισού μήκους κύματος) της απόστασης μεταξύ πομπού και δέκτη ή ως αποτέλεσμα της αλλαγής θέσης, ταχύτητας ή πυκνότητας των σωμάτων που επηρεάζουν έμμεσα τις επικοινωνίες. Τέτοια σώματα είναι τα διάφορα κτίρια, οχήματα και ζωντανοί οργανισμοί που συναντιούνται στις πόλεις, καθώς επίσης και τα διάφορα σωματίδια της ατμόσφαιρας. Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας εκδηλώνονται με δύο μηχανισμούς όσον αφορά την παραμόρφωση του λαμβανόμενου σήματος, τη χρονική διασπορά του σήματος (signal dispersion) και τη χρονική διακύμανση της συμπεριφοράς του καναλιού (variance). Η διασπορά είναι ο μηχανισμός που εκφράζεται με τον διασκορπισμό της χρονικής διάρκειας των συμβόλων πληροφορίας στη λήψη του σήματος πληροφορίας λόγω των πολλαπλών διαδρομών που μεσολαβούν. Η διακύμανση είναι ο μηχανισμός που εκφράζεται ως η διαφορετική από στιγμή σε στιγμή συμπεριφορά του καναλιού εξαιτίας της σχετικής κίνησης πομπού-δέκτη ή της κίνησης σωμάτων του περιβάλλοντα χώρου. Οι διαλείψεις μικρής κλίμακας καλούνται διαλείψεις Rayleigh, εάν υπάρχουν πολλές διαφορετικές διαδρομές και δεν υπάρχει ισχυρή συνιστώσα λόγω οπτικής επαφής. Στην περίπτωση που υπάρχει μία ισχυρή LOS συνιστώσα, η κατανομή των διαλείψεων μικρής κλίμακας περιγράφεται από μια Rice σ.π.π. 2.3 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΔΙΑΔΟΣΗΣ Πολυόδευση Βασικός παράγοντας απωλειών είναι η πολυόδευση ή διάδοση με διαλείψεις πολλαπλών διαδρομών (multipath fading). H πολυόδευση οδηγεί σε ραγδαίες διακυμάνσεις της φάσης και του πλάτους του σήματος. Το σήμα που φτάνει στο δέκτη δεν περιέχει μόνο το κύμα της άμεσης οπτικής ευθείας, αλλά και μεγάλο αριθμό ραδιοκυμάτων που φτάνουν μέσω ανάκλασης και περίθλασης. Τα πολλαπλά επίπεδα κύματα συνδυάζονται στην κεραία του δέκτη για να παράγουν ένα σύνθετο λαμβανόμενο σήμα. 37

38 Εικόνα 2-5: Πολυόδευση Ζώνες Fresnel Αν δεν υπάρχουν εμπόδια, τα ραδιοκύματα ταξιδεύουν σε ευθεία γραμμή από τον πομπό στο δέκτη και μπορούμε να θεωρήσουμε ότι το σήμα μεταδίδεται σε μια ελλειψοειδή μορφή όπου αν χωρίσουμε αυτό τον ελλειψοειδή χώρο σε ζώνες, τότε αυτές οι ζώνες είναι οι ζώνες Fresnel. Αλλά αν υπάρχουν ανακλαστικές επιφάνειες κατά μήκος της διαδρομής, τα ραδιοκύματα που αντανακλούν σε αυτές τις επιφάνειες μπορεί να φτάσουν με διαφορετική φάση από τα σήματα που ταξιδεύουν απευθείας μειώνοντας την ισχύ του λαμβανομένου σήματος. Από την άλλη πλευρά, η αντανάκλαση μπορεί να ενισχύσει την ισχύ του λαμβανόμενου σήματος, εάν η αντανάκλαση και το άμεσο σήμα φτάσουν με την ίδια φάση. Για να αποφύγουμε αυτά τα προβλήματα πρέπει πάντα να εξασφαλίζουμε την καθαρότητα της 1 ης ζώνης Fresnel. Γενικά η ακτίνα της Ν ης ζώνης Fresnel δίνεται από τη σχέση: Εικόνα 2-6: Ζώνες Fresnel 38

39 2.3.3 Ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς (ΕRP) Είναι το γινόμενο της απολαβής της κεραίας επί την ισχύ που φτάνει στην κεραία του πομπού από το ομοαξονικό καλώδιο. Pt 2 και σε db ERP=Gt+Pt (2.1β) όπου Gt το κέρδος της κεραίας Pt η ισχύς που φτάνει στην κεραία Υπολογισμός ισχύος εκπομπής Για να υπολογίσουμε την ισχύ εκπομπής πρέπει να γνωρίζουμε το κατώφλι ευαισθησίας της συσκευής λήψης, το οποίο είναι η ελάχιστη ισχύς που πρέπει να φτάσει στην κεραία λήψης για να μπορέσει να υπάρχει επικοινωνία. Επίσης πρέπει να γνωρίζουμε τις απολαβές της κάθε κεραίας. Έπειτα πρέπει να προσδιορίσουμε τις απώλειες λόγω των καλωδίων μεταξύ των πομποδεκτών και της κεραίας και στο τέλος τις απώλειες του καναλιού, χρησιμοποιώντας το κατάλληλο μοντέλο για την περιοχή που μελετάμε. Από τον παρακάτω τύπου υπολογίζουμε την ισχύ εκπομπής. 2 2 σε db Pt = Pr Gt Gr Σloss (2.2β) όπου Pr είναι η ισχύς της λήψης Pt είναι η ισχύς της αποστολής Gt είναι το κέρδος της κεραίας λήψης Gr είναι το κέρδος της κεραίας εκπομπής Σloss σύνολο απωλειών 39

40 2.4 ΜΟΝΤΕΛΑ ΔΙΑΛΕΙΨΕΩΝ Διαλείψεις κατά Rice Οι διαλείψεις κατά Rice ακολουθούν ένα στοχαστικό μοντέλο για περιπτώσεις όπου προκαλείται ανωμαλία στη διάδοση λόγω του φαινομένου της πολυόδευσης. Πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχει μια κυρίαρχη συνιστώσα του σήματος, δηλαδή ένας κυρίαρχος δρόμος οπτικής επαφής (line of sight-los), που είναι πολύ ισχυρότερη από όλες τις άλλες επιβατικές ακτίνες του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που ακολουθούν διαφορετικές οδεύσεις μέχρι τη λήψη τους από το δέκτη. Ένα κανάλι διαλείψεων Rice μπορεί να περιγραφεί με δύο παραμέτρους Κ και Ω. Κ είναι ο λόγος μεταξύ της ισχύος στην άμεση διαδρομή προς την ισχύ στις άλλες διαδρομές και Ω είναι η ισχύς της άμεσης διαδρομής και δρα ως παράγοντας κλιμάκωσης της κατανομής. Το πλάτος του λαμβανόμενου σήματος R ακολουθεί την κατανομή Rice με παραμέτρους: (2.3) (2.4) Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF) προκύπτει ότι είναι: (2.5) όπου I 0 (.) είναι η μηδενικής τάξης τροποποιημένη συνάρτηση Bessel πρώτου είδους Διαλείψεις κατά Rayleigh Οι διαλείψεις κατά Rayleigh είναι ένα μοντέλο που περιγράφει το φαινόμενο της διάδοσης σε ένα περιβάλλον όπου υπάρχουν πολλά τεχνητά εμπόδια (π.χ. κτίρια σε αστική περιοχή) όπου προκαλούνται πολλαπλά φαινόμενα σκέδασης του σήματος 40

41 πριν ακόμα φτάσει στο δέκτη. Επίσης το μοντέλο αυτό βασίζεται στο ότι δεν υπάρχει κυρίαρχη συνιστώσα σε ζεύξη οπτικής επαφής. Σε αυτό το μοντέλο έχουμε φαινόμενα μικρής κλίμακας διαλείψεων. Για να βρούμε το πλάτος του καναλιού διαλείψεις, η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (PDF) είναι: (2.6) όπου Ω = Ε(R 2 ) = 2σ 2 δηλώνει τη μέση ισχύ της διαδρομής λήψης όπου είναι το άθροισμα όλων των ανακλώμενων διαδρομών που φτάνουν με την ίδια καθυστέρηση. (2.7) Διαλείψεις κατά Nagakami O Nakagami παρατήρησε ότι τα σήματα εισέρχονται σε γρήγορες διαλείψεις σε περιβάλλοντα διαλείψεων μεγάλης κλίμακας και για διαδόσεις μεγάλων αποστάσεων. Η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας του πλάτους της μεταβλητής α δίνεται από τον τύπο: m 2m 1 2 2m a ma pa ( a) exp, a 0 m ( m) (2.8) όπου ( ) η συνάρτηση Γάμμα και m η παράμετρος Nakagami-m που παίρνει τιμές από 0 έως. Για την οριακή τιμή της παραμέτρου m =, η κατανομή προσεγγίζει την περίπτωση απλού AWGN καναλιού, ενώ για m =1/ 2 τη μονόπλευρη Gaussian κατανομή. 41

42 2.5 ΜΟΝΤΕΛΑ ΑΠΩΛΕΙΩΝ Μοντέλο ελευθέρου χώρου (Free space) Το μοντέλο ελευθέρου χώρου προϋποθέτει την ύπαρξη μιας κεραίας εκπομπής και μιας κεραίας λήψης σε μια περιοχή ελεύθερη από αντικείμενα, που μπορούν να απορροφήσουν ή να ανακλάσουν την ενέργεια του ραδιοσήματος (RF). Ειδικότερα, η επίδραση της γήινης επιφάνειας υποτίθεται ότι είναι τελείως απούσα. Σε αυτό το εξιδανικευμένο μοντέλο ελεύθερου χώρου, η μείωση της ενέργειας RF μεταξύ πομπού και δέκτη συμπεριφέρεται σύμφωνα με το νόμο αντιστρόφου τετραγώνου. Η λαμβανόμενη ισχύς εκφρασμένη σε σχέση με την εκπεμπόμενη ισχύ μειώνεται από έναν παράγοντα Ls(d). Αυτός ο παράγοντας ονομάζεται απώλεια διαδρομής (path loss) ή απώλεια ελεύθερου χώρου (free space loss) και προϋποθέτει πως η κεραία είναι ισοτροπική. 2 όπου d είναι η απόσταση πομπού δέκτη λ το μήκος κύματος. Ο τύπος σε λογαριθμική μορφή είναι: L(Db) = 32, log(d) + 20log(f) (2.10) όπου d είναι σε km και f ειναι σε Mhz Μοντέλο log-distance Η απώλεια οδεύσεως υπολογίζεται αναλογικά με το λογάριθμο της απόστασης. Προκειμένου να αυξηθεί η ακρίβεια και η αξιοπιστία του μοντέλου, εισάγεται ένας παράγοντας στον τύπο του μοντέλου που εκφράζει τα φαινόμενα τυχαίας σκίασης. O τύπος γι αυτό το μοντέλο είναι: 42

43 PL(d) = PL(d 0 ) + 10log(d/d 0 ) + Xσ (2.11) όπου Χσ είναι ο παράγοντας που εκφράζει το φαινόμενο της σκίασης και μεταβάλλεται αναλόγως την περιοχή εργασίας, π.χ. για σπίτι είναι 3, για γραφείο είναι 1, Μοντέλο Okumura Το μοντέλο Okumura είναι ένα εμπειρικό μοντέλο για αστικές περιοχές και δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας δεδομένα που συλλέχθηκαν στην πόλη του Τόκιου στην Ιαπωνία. Το μοντέλο κατέληξε σε ένα σετ καμπυλών που δίνουν τη μέση εξασθένηση σήματος σε ημι-λεία επιφάνεια ως συνάρτηση της απόστασης και της συχνότητας. Χρησιμοποιείται σε αστικές περιοχές και σε ημιαστικές όπου λαμβάνονται υπόψη διορθωτικές παράμετροι εδάφους. Εφαρμόζεται για συχνότητες 150 MHz 2000 MHz, αποστάσεις km, ύψος κεραίας ΣΒ από m και ύψος κεραίας κινούμενου συνδρομητή 1,5 m ως 1,8 m. Το μοντέλο δε λειτουργεί ικανοποιητικά σε ανοικτές και υπαίθριες περιοχές. Το μοντέλο αυτό χρησίμευσε ως βάση για την μοντέλο Hata. Ο τύπος που το περιγράφει είναι: L 50 (Db) = LF + A(f,d)-G(hte)-G(hre)-G AREA (2.12) όπου Lf είναι η απώλεια όδευσης ελεύθερου χώρου A(f,d) είναι η μέση εξασθένιση G(Hte) είναι το κέρδος της κεραίας μετάδοσης G(Hre) είναι το κέρδος της κεραίας λήψης G AREA είναι το κέρδος που οφείλεται στον τύπο του περιβάλλοντος Hte=Hts-Hgo Ηts είναι το ύψος της κεραίας σταθμού βάσης και Hgo το μέσο επίπεδο εδάφους σε μία ζώνη 3-15 km γύρω από τον πομπό του σταθμού βάσης. G(hte)=20log(hte/200) 1000m>hte>30m (2.13) G(hre)=10log(hre/3) 10m>hre>3m (2.14) 43

44 G(hre)=10log(hre/3), hre<3m (2.15) Μοντέλο Hata To μοντέλο Hata είναι μια αναπτυγμένη έκδοση του μοντέλου Okumura και είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο μοντέλο διάδοσης για την πρόβλεψη των απωλειών σε κατοικημένες περιοχές. Αυτό το μοντέλο ενσωματώνει πληροφορίες από το μοντέλο Okumura και αναπτύσσεται περαιτέρω λαμβάνοντας υπόψη τις επιπτώσεις των περιθλάσεων, ανακλάσεων και σκεδάσεων που προκαλούνται από τη δομή της πόλης. Με συμπληρωματικές εξισώσεις το μοντέλο μπορεί να έχει εφαρμογή σε ημιαστικές και ανοικτές και υπαίθριες περιοχές. Εφαρμόζεται για εύρος συχνοτήτων 150 MHz ως 1500 MHz, ύψος κεραίας ΣΒ m, ύψος κεραίας κινητού συνδρομητή 1-10 m, απόσταση σταθμού βάσης και κινούμενου δέκτη 1-20 km Μοντέλο Ηata-Urban Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιείται για τις αστικές περιοχές και ο τύπος που το περιγράφει είναι ο παρακάτω: L(Db) = (fc) 13.82log(hte) a(hre) + ( loghte)logd (2.16) όπου f είναι η συχνότητα σε Μhz( ) hte είναι το ενεργό ύψος πομπού (ΣΒ) (από 30 έως 200 m) hre είναι το ενεργό ύψος κινούμενου συνδρομητή (1 έως 10 m) d είναι το μήκος οδεύσεως (απόσταση ΣΒ-κινούμενου συνδρομητή) (1-20 km a(hre) είναι ο συντελεστής διόρθωσης για το ενεργό ύψος της κεραίας του κινούμενου συνδρομητή ως συνάρτηση του μεγέθους της υπό κάλυψης περιοχής. Για μικρή ως μεσαίου μεγέθους πόλη, ο συντελεστής διόρθωσης δίνεται από τη σχέση : a(hre) = (1.11logfc-0.7)hre (1.56fc-0.8) Db (2.17) 44

45 Για μεγάλη πόλη έχουμε τις εξής δύο σχέσεις: a(hre) = 8.29(log(1.54hre)) για fc < 300 MHz (2.18) a(hre) = 3.2(log(11.75hre)) για fc > 300MHz (2.19) Μοντέλο Hata-Suburban Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιείται για ημιαστικές περιοχές και ο τύπος που το περιγράφει είναι ο παρακάτω: L(Db) = L urban (Db) 4.78(log(fc)) logfc (2.20) Μοντέλο Ray-Tracing Το μοντέλο Ray-Tracing είναι ένα μοντέλο πολλών επιβατικών ακτινών και χρησιμοποιείται για εξωτερικούς χώρους, όσο και για εσωτερικούς. Λόγω της φύσης του, όσο πιο πολλές ακτίνες χρησιμοποιούμε στην προσομοίωση τόσο πιο αξιόπιστο καθίσταται το μοντέλο. Ικανοποιητικά αποτελέσματα παίρνουμε όταν χρησιμοποιούμε τουλάχιστον 8 επιβατικές ακτίνες. Ο τύπος που το εκφράζει φαίνεται παρακάτω: Σ (2.21) όπου Lp είναι η απώλεια οδεύσεως Pr είναι η ισχύς λήψης Pt είναι η εκπεμπόμενη ισχύς λ είναι το μήκος κύματος r1 είναι το μήκος διαδρομής απευθείας ζεύξης ri είναι το μήκος διαδρομής I ακτίνας Ri είναι ο συντελεστής ανάκλασης Hre 45

46 Gdirect είναι το γινόμενο κατευθυντικότητας πομπού δέκτη για την απευθείας ζεύξη Gri είναι το γινόμενο κατευθυντικότητας πομπού- δέκτη για την I ακτίνα K=2π/λ (κυματικός αριθμός) Μοντέλο Egli Αυτό το μοντέλο εισήχθη για πρώτη φορά από τον John Egli το 1957 και προήλθε από πραγματικά δεδομένα για UHF και VHF τηλεοπτικές μεταδόσεις σε πολύ μεγάλες πόλεις. Προβλέπει το συνολικό path loss για μια point to point (σημειακή) σύνδεση. Συνήθως χρησιμοποιείται για εξωτερικούς χώρους και το μεγάλο του πλεονέκτημα είναι ότι είναι πολύ γρήγορο στον υπολογισμό του. Ο τύπος που το περιγράφει φαίνεται παρακάτω: Α(Db) = 40logd +20logf 20log(ht8hr) 32 (2.22) όπου d είναι η απόσταση που διανύει το σήμα σε km f είναι η συχνότητα σε MHz ht είναι το ύψος της κεραίας μετάδοσης πάνω από το έδαφος σε m hr είναι το ύψος της κεραίας λήψης πάνω από το έδαφος σε m 2.6 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε αυτό το κεφάλαιο είδαμε το που οφείλονται οι απώλειες του σήματος εκπομπής κατά τη διαδοσή του στο περιβάλλον. Επίσης έγινε παρουσίαση των μοντέλων διαλείψεων και των μοντέλων απωλειών που χρησιμοποιούμε ανάλογα με τη γεωγραφική περιοχή και την κατανομή του πληθυσμού. 46

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΡΑΔΙΟΔΙΚΤΥΟΥ ΤΟΥ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ GSM 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτό το κεφάλαιο αναλύουμε τα τέσσερα βασικά μέρη του δικτύου GSM. Την Κινητή Μονάδα, το Σύστημα Σταθμού Βάσης, το Σύστημα Δικτύου και Κόμβου Μεταγωγής και το Σύστημα Λειτουργιών και Υποστήριξης. Η κινητή μονάδα δεν είναι τίποτα παραπάνω από το κινητό τηλέφωνο που διαθέτουμε. Το κινητό αποτελείται από το υλικό (πομπός, δέκτης, κεραία, οθόνη) και την κάρτα SIM. Το σύστημα σταθμού βάσης χωρίζεται στον ελεγκτή σταθμού βάσης (BSC) και στο σταθμό βάσης πομποδεκτών (BTS). Τα BTS είναι υπεύθυνα για τον έλεγχο της επικοινωνίας μεταξύ δικτύου και κινητού και επίσης ελέγχουν αυτό που ορίζουμε σαν κυψέλη. Το ΒSC ελέγχει ένα ή περισσότερα BTS και είναι υπεύθυνο για τη μετατροπή των 13Kbps φωνής που χρησιμοποιούν τα κινητά τηλέφωνα σε 64Κbps που χρησιμοποιείται στα σταθερά τηλέφωνα. Το BTS συνδέεται με το Μοbile Switching Center (MSC), το οποίο είναι υπεύθυνο για τη διαχείριση του κάθε συνδρομητή, όπως την καταχώρηση στο δίκτυο, την πιστοποίηση, την ενημέρωση της θέσης του συνδρομητή κ.α. Επίσης στο MSC υπάρχουν βάσεις δεδομένων όπως Visitor Locator Register (VLR), Home Locator Register (HLR) και Equipment Identify Register (EIR). Επιπλέον παρουσιάζονται οι βασικές λειτουργίες του GSM δικτύου, όπως η μετάδοση, η διαχείριση κινητικότητας, η διαχείριση ράδιοφάσματος, η διαχείριση επικοινωνιών κτλ. Τέλος αναλύεται η διεπαφή αέρος, η οποία είναι υπεύθυνη για τη διασύνδεση της κινητής συσκευής με το BTS. 47

48 3.2 ΤΟ ΠΑΓΚΟΣΜΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΚΙΝΗΤΩΝ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ (GSM) Το Global System for Mobile Communications (Παγκόσμιο Σύστημα Κινητών Επικοινωνιών) είναι ένα κοινό ευρωπαϊκό ψηφιακό σύστημα κινητής τηλεφωνίας. Tο Ευρωπαϊκό Τηλεπικοινωνιακό Συμβούλιο (European Telecommunications Standards Institute) το 1982 άρχισε τη μελέτη για τη δημιουργία ενός κοινού ευρωπαϊκού ψηφιακού συστήματος κινητής τηλεφωνίας δεύτερης γενιάς (2G). Για τρία χρόνια από το 1982 έως το 1985 οι συζητήσεις επικεντρώνονταν στο αν θα έπρεπε να αναπτυχθεί ένα αναλογικό ή ένα ψηφιακό σύστημα, ώσπου το 1985 αποφασίστηκε τελικά το σύστημα να είναι ψηφιακό. Το 1986 εταιρείες συμμετείχαν σε ένα τεστ στο Παρίσι ώστε να αποφασιστεί αν θα επιλεγεί η λύση της narrowband ή της broadband μετάδοσης σήματος. Το Μάιο του 1987 επιλέχθηκε τελικά η narrowband τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαχωρισμό του διαθέσιμου φάσματος συχνοτήτων σε ένα αριθμό καναλιών και τη διαίρεση αυτών σε χρονοθυρίδες για τη μετάδοση σημάτων (narrowband TDMA). Ομόφωνα οι 13 εμπλεκόμενες χώρες στο όλο εγχείρημα του GSM υπέγραψαν μνημόνιο συμφωνίας που τους δέσμευε να ορίσουν τα χαρακτηριστικά του GSM και να έχουν έτοιμο ένα νέο σύστημα για τις κινητές επικοινωνίες έως την πρώτη Ιουλίου του Αυτές οι εξελίξεις δημιούργησαν στη πορεία μια τεράστια νέα αγορά. Η πρώτη φάση των προδιαγραφών GSM δημοσιεύτηκε το 1990, ενώ η παροχή εμπορικών υπηρεσιών άρχισε στα μέσα του 1991 και μέχρι το 1993 υπήρξαν 36 δίκτυα GSM σε 22 χώρες. Στην Ελλάδα το σύστημα χρησιμοποιήθηκε το 1993 από τη WIND Hellas (πρώην TIM ή πρώην TELESTET). Tο πρότυπο GSM δεν αποτελεί μόνο ευρωπαϊκό πρότυπο, αφού υιοθετήθηκε από πολλές άλλες χώρες των άλλων ηπείρων, εκμεταλλευόμενο διάφορες ζώνες συχνοτήτων. Στην αρχή του 1994 υπήρξαν 1,3 εκατομμύρια συνδρομητές παγκοσμίως και ο αριθμός αυτός αυξήθηκε σε περισσότερο από 55 εκατομμύρια συνδρομητές μέχρι τον Οκτώβριο του Τα συστήματα GSM υπάρχουν σε κάθε ήπειρο και το ακρωνύμιο GSM πλέον αντιπροσωπεύει το σφαιρικό σύστημα για την κινητή επικοινωνία. 48

49 3.2.1 Δίκτυα βασισμένα στο GSM πρότυπο Network Type GSM 800 GSM 900 GSM 1800 GSM 1900 Frequency band UL/DL / MHz / MHz / MHz / MHz Εικόνα 3-1: Ζώνες συχνοτήτων λειτουργίας των διαφόρων κυτταρικών συστημάτων βασισμένα στο πρότυπο GSM Σε μερικές χώρες ένας πάροχος υπηρεσιών κινητής τηλεφωνίας υποβάλλει αίτηση στο κράτος για να του αποδοθούν προς χρήση διαθέσιμες συχνότητες και να αναπτύξει το δικό του δίκτυο. Σε άλλες χώρες, ο πάροχος αγοράζει τις διαθέσιμες συχνότητες έπειτα από δημοπρασία. 3.3 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ GSM Η δομή του δικτύου GSM μπορεί να αναλυθεί σε τέσσερα κύρια μέρη: Την Κινητή Μονάδα (ΚΜ) Mobile Station (MS) Το Σταθμό Βάσης (ΣΒ) Base Station Subsystem (BSS) Το Σύστημα Δικτύου και Κόμβου Μεταγωγής Network and Support Subsystem (NSS). Το Σύστημα Λειτουργιών και Υποστήριξης Operation and Support Subsystem (OSS). Η αρχιτεκτονική του συστήματος GSM φαίνεται διαγραμματικά παρακάτω. 49

50 Εικόνα 3-2: Αρχιτεκτονική δικτύου GSM Κινητή μονάδα Η κινητή μονάδα αποτελείται από δύο κύρια στοιχειά: Την Τερματική συσκευή ή Κινητή συσκευή Τη Βαθμίδα Ταυτότητας Συνδρομητή Subscriber Identity Module (SIM). Εικόνα 3-3: Κινητή μονάδα Τερματική συσκευή Η τερματική συσκευή είναι το το κινητό τηλέφωνο που χρησιμοποιεί ο συνδρομητης που όσο περνούν τα χρόνια μπορεί να υλοποιήσει όλο και περισσότερες 50

51 εφαρμογές και να εκπέμπει όλο και μικρότερη ισχύ Βαθμίδα Ταυτότητας Συνδρομητή (SIM) Η συνδρομητική κάρτα ταυτότητας SIM είναι μια έξυπνη κάρτα που χαρακτηρίζει το τερματικό. Ο χρήστης μπορεί να έχει πρόσβαση σε όλες τις προσυπογραμμένες υπηρεσίες με την είσοδο της κάρτας SIM στο τερματικό. Χωρίς την κάρτα SIM το τερματικό δεν είναι λειτουργικό. Η κάρτα SIM προστατεύεται από έναν τετραψήφιο προσωπικό αριθμό αναγνώρισης (Personal Identification Number, PIN). Προκειμένου να προσδιοριστεί ο συνδρομητής στο σύστημα, η κάρτα SIM περιέχει μερικές παραμέτρους του χρήστη όπως η διεθνής κινητή ταυτότητα συνδρομητών ή αλλιώς διεθνής αριθμός (International Mobile Subscriber Identity, IMSI). Ένα άλλο πλεονέκτημα της κάρτας SIM είναι η κινητικότητα των χρηστών. Στην πραγματικότητα, το μόνο στοιχείο που προσωποποιεί ένα τερματικό είναι η κάρτα SIM. Επομένως, ο χρήστης μπορεί να έχει πρόσβαση σε όλες τις υπηρεσίες που έχει εγγραφεί σε οποιοδήποτε τερματικό χρησιμοποιώντας την κάρτα SIM του Σύστημα Σταθμού Βάσης (BSS) Το BSS συνδέει τον κινητό σταθμό και το υποσύστημα δικτύων και μεταγωγής NSS. Είναι υπεύθυνο για τη μετάδοση και τη λήψη και μπορεί να διαιρεθεί σε δύο μέρη: Τον Ελεγκτή Σταθμού Βάσης (BSC Base Station Controller) Το Σταθμό Βάσης Πομποδεκτών (BTS Base Transceiver Station) 51

52 Εικόνα 3-4: Σταθμός βάσης BSS Ελεγκτής Σταθμού Βάσης (BSC) Η μονάδα ελεγκτής του σταθμού βάσης (Base Station Controller, BSC) είναι ένα από τα βασικά τμήματα του ευρύτερου ραδιο-υποσυστήματος του GSM. Η μονάδα BSC ελέγχει τις λειτουργίες διαχείρισης διαφόρων σταθμών βάσης και διαχειρίζεται τους ράδιο-πόρους τους, σύμφωνα με το αποκεντρωτικό σενάριο διεργασιών του GSM, ανακουφίζοντας με αυτό τον τρόπο το κέντρο MSC. Η μονάδα αυτή συνεργάζεται με το σύστημα κωδικοποίησης μετατρέποντας τα σήματα φωνής κωδικοποιημένα με ρυθμούς μετάδοσης 13 Kbps σε αντίστοιχα σήματα των 64 Kbps, σύμφωνα με τα πρότυπα του Δημόσιου Διακοπτικού Τηλεφωνικού Δικτύου (PSTN). Ένας BSC είναι κυρίως υπεύθυνος για τις μεταγωγές, τη μεταπήδηση συχνότητας, τις λειτουργίες ανταλλαγής και τον έλεγχο της στάθμης ισχύος των ράδιο-συχνοτήτων των BTSs. Η διεπαφή μεταξύ του BTS και BSC είναι γνωστή ως η διεπαφή Abis και είναι υπεύθυνη για τη μεταφορά της πληροφορίας που εισέρχεται στον BSC. Επίσης υποστηρίζει την χωρίς σφάλματα μετάδοση της πληροφορίας μεταξύ του ελεγκτή σταθμού βάσης BSC και του σταθμού εκπομπής BTS. Σε αυτή τη διεπαφή συναντάμε το πρωτόκολλο LAPD, το οποίο είναι πρωτόκολλο ζεύξης και πρόσβασης για το ISDN κανάλι. 52

53 Σταθμός Βάσης Πομποδεκτών (BTS) Ο σταθμός βάσης πομποδεκτών περιέχει όλο το ραδιοεξοπλισμό (πομποί, δέκτες και μονάδες ελέγχου), ο οποίος είναι απαραίτητος για τον έλεγχο των επικοινωνιών στην ενεργό περιοχή ενός κυττάρου. Ο εξοπλισμός του σταθμού αυτού τοποθετείται σε ειδικές συγκεκριμένες τοποθεσίες (π.χ. σε επαγγελματικές στέγες, στις ταράτσες των πολυκατοικιών, σε containers, κτλ). Κάθε BTS λειτουργεί χρησιμοποιώντας ένα ή περισσότερα ζεύγη συχνοτήτων. Η μία συχνότητα χρειάζεται για την επικοινωνία από το σταθμό βάσης προς το κινητό, γνωστή ως Κάτω Ζεύξη (downlink), και η άλλη συχνότητα απαιτείται για την επικοινωνία από το κινητό προς το σταθμό βάσης, γνωστή ως Άνω Ζεύξη (uplink). Κάθε BTS έχει μεταξύ ενός και δέκα έξι πομποδεκτών ανάλογα με την πυκνότητα των χρηστών στο κύτταρο. Ένα BTS τοποθετείται συνήθως στο κέντρο ενός κυττάρου. Η ισχύς του BTS καθορίζει το μέγεθος ενός κυττάρου. Η διασύνδεση μεταξύ της φορητής συσκευής και του BTS είναι γνωστή ως Um Interface. Η ονομασία Um προέρχεται από το τμήμα της φορητής συσκευής (mobile) στη διεπαφή U του ISDN και καθορίζεται στις σειρές των προδιαγραφών του GSM συστήματος. Με τη συγκεκριμένη διεπαφή υποστηρίζεται η μετάδοση φωνής και δεδομένων κατά την ασύρματη ζεύξη μεταξύ της φορητής συσκευής και του σταθμού BTS Σύστημα Δικτύου και Κόμβου Μεταγωγής (NSS) Κύριος ρόλος του είναι η διαχείριση των επικοινωνιών ανάμεσα στους συνδρομητές του δικτύου μας καθώς και με άλλους συνδρομητές γενικότερα, όπως κινητούς συνδρομητές άλλων εταιρειών, συνδρομητές PSTN κλπ. Επίσης περιλαμβάνει βάσεις δεδομένων που είναι απαραίτητες για την αποθήκευση πληροφοριών σχετικά με τους συνδρομητές τους, ώστε να μπορούν να διαχειρισθούν με επιτυχία τη μετακίνηση τους. Παρακάτω θα περιγράψουμε σύντομα τα διάφορα τμήματα του NSS. Ψηφιακό Κέντρο (Μobile Switching Center MSC): Η κύρια λειτουργία του είναι να αποκαταστήσει την κλήση του συνδρομητή και να διασυνδέει 53

54 τον/τους σταθμούς βάσης με άλλα ψηφιακά κέντρα του ίδιου δικτύου καθώς και με το Σύστημα Λειτουργίας και Υποστήριξης. Με βάση τη διασφάλιση των διασυνδέσεων αυτών, μπορούν να υποστηρίζονται όλες οι λειτουργίες που απαιτούνται για τον χειρισμό των κινητών συνδρομητών, όπως η εγγραφή, η επικύρωση, η ενημέρωση θέσης, οι μεταγωγές και η δρομολόγηση κλήσης σε έναν περιπλανώμενο συνδρομητή οι οποίες πραγματοποιούνται μεταξύ των κινητών συνδρομητών του ιδίου παρόχου ή διαφορετικών παρόχων καθώς και μεταξύ κινητών συνδρομητών με συνδρομητές του Σταθερού Δικτύου. Επίσης, υποστηρίζει τις διαδικασίες που αφορούν τη διεπαφικότητα του δικτύου και την υποστήριξη των αναγκαίων σημάτων σηματοδοσίας (signaling). Οικεία Βάση Δεδομένων (Home Location Register HLR):Η βάση αυτή καταχωρεί δυναμικά και μόνιμα τα στοιχεία των συνδρομητών. Επομένως, η βάση αυτή χρησιμοποιείται για την αποθήκευση και την διαχείριση των δεδομένων των συνδρομητών. Συγκεκριμένα, τα στοιχεία που είναι αποθηκευμένα, αφορούν τις υπηρεσίες στις οποίες είναι εγγεγραμμένοι οι συνδρομητές, πληροφορίες σχετιζόμενες με τη γεωγραφική θέση των συνδρομητών κ.λ.π. Χαρακτηριστικό της HLR είναι η χωρητικότητά της και οι διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα για την προσβασιμότητά της κατά την φάση των κλήσεων των συνδρομητών. Βάση Δεδομένων Επισκεπτών (Visitor Location Register VLR): H βάση αυτή περιέχει πληροφορίες που αφορούν τους συνδρομητές, η αποθήκευση των οποίων είναι προσωρινή και για όσο χρονικό διάστημα είναι αναγκαίο από το MSC να εξυπηρετήσει τους επισκέπτες συνδρομητές. Η VLR συνδέεται με το MSC και παίρνει τα αναγκαία δεδομένα του συνδρομητή από την HLR, σύμφωνα με τις απαιτήσεις της σηματοδοσίας. Επομένως, όταν ένας συνδρομητής περιάγεται από ένα ψηφιακό κέντρο σε ένα νέο ψηφιακό κέντρο, τότε τα δεδομένα του μεταφέρονται από τη μια VLR στη νέα VLR με ενεργοποίηση των κατάλληλων σημάτων σηματοδοσίας και μέσω της HLR. Αξιοσημείωτο είναι ότι το MSC δεν περιέχει καμία πληροφορία για τους κινητούς σταθμούς, αφού αυτές οι πληροφορίες αποθηκεύονται στους καταλόγους θέσης. Η VLR εφαρμόζεται πάντα μαζί με ένα κέντρο MSC. Έτσι 54

55 η περιοχή που βρίσκεται υπό τον έλεγχο του MSC είναι επίσης η περιοχή υπό τον έλεγχο της VLR. Κέντρο Πιστοποίησης (authentication center AuC): Το κέντρο αυτό παρέχει τις παραμέτρους πιστοποίησης και κρυπτογραφίας προκειμένου να επαληθεύεται η ταυτότητα του συνδρομητή και να διασφαλίζεται η εμπιστευτικότητα των κλήσεων των συνδρομητών. Τέλος, το AuC με τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτό, διασφαλίζει το όλο δίκτυο από πιθανές ανεπιθύμητες δόλιες καταστάσεις που μπορούν να προκληθούν κατά την ώρα λειτουργίας του συστήματος. Βάση Δεδομένων καταχώρησης Ταυτότητας Εξοπλισμού (Equipment Identity Register EIR): Η βάση αυτή περιέχει πληροφορίες οι οποίες σχετίζονται με την ταυτότητα της φορητής συσκευής. Ειδικότερα, περιέχει έναν κατάλογο όλων των έγκυρων συσκευών. Κάθε συσκευή χαρακτηρίζεται από τη δική της μοναδική ταυτότητα (IMEI - International Mobile Station Equipment Identity). Με αυτό τον τρόπο, η βάση μπορεί να εμποδίσει να γίνονται κλήσεις από κλεμμένες και από μη πιστοποιημένες φορητές συσκευές. Πρέπει να σημειωθεί ότι το AuC και η EIR μπορούν να θεωρηθούν σαν stand-alone κόμβοι του δικτύου ή μπορεί να θεωρηθεί σαν ένας συνδυασμένος AuC/HLR κόμβος. Gateway Mobile Switching Centre (GMSC): Το GMSC θεωρείται ότι είναι το ψηφιακό κέντρο πύλη προς τα άλλα δίκτυα (κινητής τηλεφωνίας ή σταθερά δίκτυα). Επίσης, το κέντρο αυτό είναι υπεύθυνο για τη λήψη της ταυτότητας περιαγωγής MSRN (Mobile Station Roaming Number) από την HLR και βασίζεται στην ταυτότητα MSISDN (Mobile Station ISDN number) του κινητού συνδρομητή. Το GMSC εφαρμόζεται συχνά στα ίδια μηχανήματα με το MSC απλώς είναι ενισχυμένο με επιπλέον λογισμικό (π.χ. για έκδοση λογαριασμών μεταξύ GSM και PSTN δικτύου). Πύλη Υπηρεσίας Αποστολής Μικρών Μηνυμάτων (SMS Gateway SMS- G]): H Πύλη SMS αναφέρεται ουσιαστικά σε δύο πύλες της υπηρεσίας μικρών μηνυμάτων οι οποίες καθορίζονται σύμφωνα με το πρότυπο GSM. Με βάση επομένως το πρότυπο GSM υπάρχουν δύο πύλες οι οποίες χειρίζονται τα δημιουργούμενα από τους συνδρομητές μικρά μηνύματα, τα οποία κατευθύνονται σε διαφορετικές διευθύνσεις. Η πρώτη πύλη SMS-GMSC 55

56 (Short Message Service Gateway Mobile Switching Center) είναι υπεύθυνη για την αποστολή μικρών μηνυμάτων τα οποία θα πρέπει να αποσταλούν σε ένα συνδρομητή (τα μηνύματα αυτά προέρχονται από συνδρομητές εκτός δικτύου) και η δεύτερη πύλη SMS-IWMSC (Short Message Service Inter- Working Mobile Switching Centre) είναι υπεύθυνη για να χειρίζεται μικρά μηνύματα τα οποία δημιουργούνται από ένα συνδρομητή εντός του δικτύου. Τέλος, ο ρόλος του SMS-G είναι παρόμοιος με αυτόν του GMSC, με μόνη διαφορά ότι αναφέρεται σε διαχείριση δρομολόγησης της υπηρεσίας μικρών μηνυμάτων και όχι για πληροφορία που αναφέρεται σε φωνή ή δεδομένα Σύστημα Λειτουργιών και Υποστήριξης (OSS) Το Σύστημα Λειτουργιών και Υποστήριξης διασυνδέεται με τα διάφορα τμήματα του NSS και του BSC για να μπορεί να ελέγχει και να παρακολουθεί το δίκτυο GSM. Επίσης είναι υπεύθυνο να ελέγχει το φορτίο κίνησης του BSS. Λόγω της ανάπτυξης των κυτταρικών δικτύων, ο αριθμός των σταθμών βάσης αυξήθηκε με αποτέλεσμα μερικές από τις λειτουργίες συντήρησης να μεταφερθούν από το OSS στο ίδιο το BTS. Αυτό είχε σαν αποτέλεσμα να μειωθεί σημαντικά το κόστος συντήρησης του συστήματος. 3.4 ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM Ένα κύτταρο καθορίζεται από την περιοχή ράδιο-κάλυψης του σταθμού βάσης και η ταυτότητα του καθορίζεται μονοσήμαντα από το Διεθνή Αριθμό Ταυτότητας Κυττάρου (Cell Global Identity number CGI). Μία περιοχή θέσης ( Location Area LA) καθορίζεται από μία ομάδα κυττάρων που έχουν διαφορετικές ράδιοσυχνότητες και προσδιορίζεται από τον αριθμό Ταυτότητας Περιοχής Θέσης (Location Area Identity LAI). Όλα τα κύτταρα της περιοχής θέσης εξυπηρετούνται από το ίδιο MSC. Μια ομάδα περιοχών θέσης που βρίσκονται κάτω από τον έλεγχο του ίδιου MSC/VLR ορίζει τη γεωγραφική περιοχή του MSC/VLR. Ένα Δημόσιο 56

57 Επίγειο Κινητό Δίκτυο (Public Land Mobile Network PLMN) είναι η γεωγραφική περιοχή που καλύπτεται με τις υπηρεσίες ενός δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Εικόνα 3-5 : Περιοχές δικτύου GSM 3.5 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΤΟΥ ΔΙΚΤΥΟΥ GSM Στο δίκτυο GSM μπορούν να ορισθούν πέντε κύριες λειτουργίες: Μετάδοση (Transmission) Διαχείριση Ράδιο-φάσματος (Radio Resources Management RR) Διαχείριση Κινητικότητας (Mobility Management MM) Διαχείριση Επικοινωνιών (Communication Management CM) Λειτουργία, Διοίκηση και Συντήρηση (Operation, Administration and Maintenance OAM) Μετάδοση Η λειτουργία μετάδοσης περιλαμβάνει δύο υπολειτουργίες: 57

58 Η πρώτη σχετίζεται με τα μέσα που απαιτούνται για τη μετάδοση πληροφοριών χρηστών. Η δεύτερη συσχετίζεται με τα μέσα που απαιτούνται για τη μετάδοση της πληροφορίας για την απαραίτητη σηματοδοσία. Δεν συσχετίζονται όλα τα συστατικά του δικτύου GSM έντονα με τις λειτουργίες μετάδοσης. Η κινητή συσκευή MS, τα συστατικά του σταθμού βάσης BTS και του BSC ενδιαφέρονται ουσιαστικά για τη μετάδοση. Όμως άλλα συστατικά, όπως οι κατάλογοι HLR, VLR ή EIR, ενδιαφέρονται μόνο για τη μετάδοση πληροφοριών σηματοδοσίας σε άλλα τμήματα του δικτύου GSM Διαχείριση ραδιοφάσματος Ο ρόλος της λειτουργίας της διαχείρισης ραδιοφάσματος είναι να αποκαθιστά ή να διακόπτει τις τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις ανάμεσα στη κινητή μονάδα και το MSC. Τα στοιχεία του GSM που συνδέονται άμεσα με τη λειτουργία RR είναι η κινητή μονάδα και ο σταθμός βάσης. Επιπλέον η λειτουργία RR είναι υπεύθυνη να διατηρεί τη σύνδεση ακόμα και ο χρήστης εισέρχεται σε νέα κυψέλη ενώ το κέντρο MSC που είναι υπεύθυνο για τις μεταγωγές, ενδιαφέρεται επίσης για τις λειτουργίες RR. Η λειτουργία RR είναι επίσης αρμόδια για τη διαχείριση του φάσματος συχνοτήτων και την αντίδραση του δικτύου στις μεταβαλλόμενες ράδιο-περιβαλλοντικές συνθήκες. Μερικές από τις κύριες διαδικασίες RR που βεβαιώνουν τις ευθύνες της είναι: Εκχώρηση, αλλαγή και απελευθέρωση ράδιο-καναλιών Μεταγωγή (Handover) Μεταπήδηση συχνοτήτων (Frequency hopping) Έλεγχος στάθμης ισχύος Ασυνεχής μετάδοση και λήψη Συγχρονισμός Παρακάτω θα περιγράψουμε τη διαδικασία της μεταγωγής στο GSM που είναι η πιο σημαντική από τις λειτουργίες RR. 58

59 Μεταγωγή Η μετακίνηση του συνδρομητή μπορεί να δημιουργήσει την ανάγκη για αλλαγή του κυττάρου που τον εξυπηρετεί, όταν η ποιότητα επικοινωνίας ελαττωθεί σημαντικά. Η διαδικασία αυτή της αλλαγής κυττάρου ονομάζεται μεταγωγή (handover). Διακρίνονται τέσσερις διαφορετικοί τύποι μεταγωγής: Μεταγωγή καναλιών στο ίδιο κύτταρο Μεταγωγή σε κύτταρα που ελέγχονται από το ίδιο BSC Μεταγωγή σε κύτταρα που ελέγχονται μεν από το ίδιο MSC αλλά ανήκουν σε διαφορετικά BSCs Μεταγωγή σε κύτταρα που ανήκουν σε διαφορετικά MSCs Γενικά οι μεταγωγές ελέγχονται κυρίως από το MSC. Ωστόσο, για να μην γίνονται περιττές ανταλλαγές σημάτων σηματοδοσίας, οι πρώτοι δύο τύποι μεταγωγών ελέγχονται από το αντίστοιχο BSC και το MSC ενημερώνεται για τη μεταγωγή στο τέλος. Η κινητή μονάδα είναι το ενεργό στοιχείο στην διαδικασία της μεταγωγής. Για την πραγματοποίηση της μεταγωγής, η κινητή μονάδα ελέγχει συνεχώς τη στάθμη του σήματος που λαμβάνεται από το σταθμό βάσης του κυττάρου που ανήκει καθώς και από τα γειτονικά κύτταρα. Οι μετρήσεις στην ένταση του σήματος που εκτελεί η κινητή μονάδα της επιτρέπουν να αποφασίσει ποιο είναι το ιδανικό κύτταρο για την εξυπηρέτησή της ώστε να διατηρεί συνεχώς ικανοποιητικό επίπεδο επικοινωνίας. Δύο είναι οι κύριοι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται για τη μεταγωγή στο GSM: Ο αλγόριθμος «προϋπολογισμού ισχύος». Σύμφωνα με αυτόν τον αλγόριθμο, γίνεται μεταγωγή άμεσα χωρίς αυξήσεις στα επίπεδα εκπομπής της ισχύος της κινητής μονάδας προκειμένου να διατηρείται πάντα το καλό επίπεδο στην ποιότητα επικοινωνίας. Ο αλγόριθμος «ελάχιστης αποδεκτής απόδοσης». Όταν η ποιότητα μετάδοσης ελαττωθεί, το επίπεδο ισχύος της κινητής μονάδας αυξάνει. Αυτό γίνεται μέχρι η αύξηση της ισχύος εκπομπής της κινητής μονάδας να πάψει να είναι 59

60 θετική επίπτωση για την ποιότητα του σήματος. Όταν αυτό συμβαίνει λαμβάνει χώρα μεταγωγή Διαχείριση κινητικότητας Η λειτουργία της διαχείρισης κινητικότητας είναι υπεύθυνη για όλες τις διαδικασίες που προκύπτουν λόγω της μετακίνησης του χρήστη, ειδικά τη διαχείριση θέσης, την πιστοποίηση και την ασφάλεια της επικοινωνίας του Διαχείριση θέσης Όταν μία κινητή μονάδα τεθεί σε λειτουργία, εκτελεί τη διαδικασία ενημέρωσης της θέσης της στο δίκτυο αποστέλλοντας προς το δίκτυο τον αριθμό ταυτότητας της IMSI. Η πρώτη διαδικασία ενημέρωσης θέσης καλείται IMSI διαδικασία σύνδεσης. Η κινητή μονάδα εκτελεί επίσης την ενημέρωση θέσης προκειμένου να υποδείξει τη τρέχουσα θέση της, όταν κινείται προς μια νέα περιοχή θέσης (LA) ή ένα διαφορετικό δίκτυο PLMN. Αυτό το μήνυμα ενημέρωσης θέσης στέλνεται στο νέο κέντρο MSC/VLR, το οποίο δίνει τις πληροφορίες θέσης στη βάση δεδομένων HLR του συνδρομητή. Εάν τώρα η κινητή μονάδα εισέλθει στο χώρο ευθύνης ενός νέου κέντρου MSC/VLR τότε η HLR του συνδρομητή μόλις ενημερωθεί για τη νέα θέση ακυρώνει την εγγραφή της με το προηγούμενο MSC/VLR. Η ενημέρωση της θέσης του συνδρομητή γίνεται επίσης περιοδικά. Εάν μετά το πέρας μιας συγκεκριμένης χρονικής περιόδου η κινητή μονάδα δεν έχει καταχωρηθεί για το που βρίσκεται, τότε διαγράφεται. Όταν η κινητή μονάδα σταματήσει να λειτουργεί, εκτελείται μια IMSI διαδικασία αποσύνδεσης προκειμένου να ενημερωθεί το δίκτυο ότι δεν συνδέεται πλέον με αυτό. 60

61 Πιστοποίηση και ασφάλεια Η διαδικασία πιστοποίησης εμπλέκει την κάρτα SIM και το κέντρο πιστοποίηση AuC. Ένα μυστικό κλειδί που αποθηκεύεται στην κάρτα SIM και στο κέντρο AuC και ένας αλγόριθμος κρυπτογράφησης (ciphering) αποκαλούμενος A3 χρησιμοποιούνται προκειμένου να ελεγχθεί η αυθεντικότητα του χρήστη. Ο κινητός σταθμός και το AuC υπολογίζουν ένα SRES χρησιμοποιώντας το μυστικό κλειδί, τον αλγόριθμο A3 και έναν τυχαίο αριθμό που παράγεται από το AuC. Εάν τα δύο μηνύματα που υπολογίστηκαν είναι τα ίδια, ο συνδρομητής πιστοποιείται για επικοινωνία στο δίκτυο. Επίσης ελέγχονται αμέσως μετά οι υπηρεσίες στις οποίες έχει πρόσβαση ο συνδρομητής. Μια άλλη διαδικασία ασφάλειας είναι να ελεγχθεί η ταυτότητα της συσκευής του συνδρομητή. Εάν ο αριθμός IMEI της κινητής μονάδας πιστοποιηθεί επιτυχώς από τη βάση δεδομένων EIR, τότε η κινητή μονάδα επιτρέπεται να συνδεθεί στο δίκτυο. Προκειμένου να βεβαιωθεί η εμπιστευτικότητα του συνδρομητή, αυτός καταχωρείται με μια Προσωρινή Ταυτότητα Κινητού Συνδρομητή (Temporary Mobile Subscriber Identity TMSI) αμέσως μετά την πρώτη επιτυχή καταχώρηση της θέσης του στο δίκτυο. Η διαδικασία αποκρυπτογράφησης (enciphering) είναι μία άλλη επιλογή για την εγγύηση μιας πολύ ισχυρής ασφάλειας Διαχείριση επικοινωνιών Η λειτουργία της διαχείρισης της επικοινωνίας είναι υπεύθυνη για: Τον Έλεγχο των Κλήσεων (Call Control CC) Τη Διαχείριση Πρόσθετων Υπηρεσιών (Supplementary Services) Τη Διαχείριση Σύντομων Μηνυμάτων (Short Message Services SMS) Έλεγχος κλήσεων Η λειτουργία ελέγχου κλήσεων είναι υπεύθυνη για την αποκατάσταση, διατήρηση και διακοπή κλήσεων και για την επιλογή των υπηρεσιών που ζητά ο συνδρομητής 61

62 από το δίκτυο. Μια από τις σημαντικότερες λειτουργίες του CC είναι η δρομολόγηση κλήσης (call routing). Για να μπορέσει ο συνδρομητής του PLMN ή PSTN δικτύου που καλεί να συνδεθεί με τον κινητό συνδρομητή του GSM δικτύου, θα πρέπει να πληκτρολογήσει τον Αριθμό Κινητού Συνδρομητή ISDN (Mobile Subscriber ISDN Number- MSISDN) που περιλαμβάνει: Τον κωδικό χώρας Τον εθνικό κωδικό χώρας που δηλώνει την εταιρεία κινητής τηλεφωνίας του συνδρομητή (π.χ. 697 για COSMOTE στη χώρα μας) Τον κωδικό που δηλώνει την αντίστοιχη HLR που είναι καταχωρημένος ο κινητός συνδρομητής. Η κλήση κατευθύνεται έπειτα στο αντίστοιχο GMSC (εάν η κλήση προέρχεται από άλλη τηλεφωνική εταιρεία), το οποίο γνωρίζει την HLR που αντιστοιχεί σε έναν ορισμένο MSISDN αριθμό. Το κέντρο GMSC ρώτα την HLR για τις πληροφορίες που βοηθούν στη δρομολόγηση της κλήσης. Η HLR ζητά αυτές τις πληροφορίες από την τρέχουσα βάση δεδομένων VLR του συνδρομητή. Η VLR καταχωρεί προσωρινά για τη συγκεκριμένη κλήση έναν Κινητό Αριθμό Περιπλάνησης Σταθμών (Mobile Station Roaming Number MSRN). Ο αριθμός MSRN είναι οι πληροφορίες που επιστρέφονται από την HLR στο κέντρο GMSC. Χάρη στον αριθμό MSRN, η κλήση οδηγείται στο κατάλληλο κέντρο MSC/VLR του συνδρομητή, ο οποίος στο τέλος της διαδικασίας ειδοποιείται με μήνυμα paging για εισερχόμενη κλήση Διαχείριση πρόσθετων υπηρεσιών Η κινητή μονάδα και η HLR είναι τα μόνα στοιχεία που δικτύου GSM που εμπλέκονται σε αυτήν τη λειτουργία. Οι πιο γνωστές πρόσθετες υπηρεσίες στις οποίες έχουν πρόσβαση οι συνδρομητές είναι: Προώθηση κλήσης Φραγή κλήσης Κράτηση κλήσης 62

63 Αναμονή κλήσης Συμβουλή χρέωσης Απόκρυψη κλήσης Αναγνώριση κλήσης Υπηρεσία πολυμερών κλήσεων Περιαγωγή Διαχείριση σύντομων μηνυμάτων Προκειμένου να μπορέσει να υποστηρίξει ένα δίκτυο GSM αυτές τις δημοφιλείς υπηρεσίες πρέπει να επικοινωνεί με ένα Κέντρο Σύντομων Μηνυμάτων (Short Message Service Center) διαμέσου δύο διεπαφών: Η διεπαφή SMS-GMSC για σύντομα μηνύματα που καταλήγουν σε συνδρομητές κινητής τηλεφωνίας (Short Message Services Mobile Terminating Point-to-Point SMS-MT/PP). Η διεπαφή αυτή έχει το ρόλο κάποιας πύλης όπως και το GMSC. Η διεπαφή SMS-IWMSC για μηνύματα που ξεκινούν από συνδρομητές κινητής τηλεφωνίας (Short Message Services Mobile Originating Point-to- Point SMS-MO/PP) Λειτουργία, Διοίκηση και Συντήρηση Η διαδικασία της λειτουργίας, διαχείρισης και συντήρησης επιτρέπει στο διαχειριστή του συστήματος να παρακολουθεί και να ελέγχει το σύστημα καθώς επίσης και να τροποποιεί τις παραμέτρους λειτουργίας του συστήματος. Δεν είναι μόνο το υποσύστημα λειτουργίας και υποστήριξης OSS μέρος του OAM, αλλά επίσης και το υποσύστημα σταθμών βάσης BSS και το υποσύστημα διακοπτικού δικτύου NSS συμμετέχουν στις λειτουργίες του OAM όπως παρουσιάζεται στα ακόλουθα παραδείγματα: 63

64 Τα συστατικά των υποσυστημάτων BSS και NSS παρέχουν στο διαχειριστή όλες τις πληροφορίες που χρειάζεται. Τις πληροφορίες αυτές τις περνούν έπειτα στο υποσύστημα OSS που είναι υπεύθυνο να τις αναλύσει και να ελέγξει το δίκτυο. Οι δοκιμαστικοί ατομικοί στόχοι, που ενσωματώνονται συνήθως στα συστατικά των BSS και NSS, συμβάλλουν επίσης στις λειτουργίες OAM. Το υποσύστημα BSC, που είναι υπεύθυνο για τον έλεγχο των διάφορων BTSs, είναι ένα άλλο παράδειγμα μιας λειτουργίας OAM που εκτελείται έξω από το OSS. 3.6 ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΗ ΚΙΝΗΤΟΥ ΚΑΙ ΣΤΑΘΜΟΥ ΒΑΣΗΣ (AIR INTERFACE) Ανάθεση συχνοτήτων Δύο ζώνες συχνοτήτων έχουν διατεθεί για το σύστημα GSM, από τα 890 έως τα 915 MHz και από τα 935 έως τα 960 MHz. Η πρώτη περιοχή χρησιμοποιείται για την επικοινωνία του κινητού με το σταθμό βάσης (Άνω Ζεύξη Uplink), ενώ η δεύτερη για την επικοινωνία του σταθμού βάσης με το κινητό (Κάτω Ζεύξη Downlink). Οι περιοχές (ζώνες) των 25Μηz υποδιαιρούνται η καθεμία σε (1 ελεύθερο) κανάλια συχνότητας και κάθε κανάλι έχει εύρος ζώνης 200 KHz. Ωστόσο, δεν μπορούν όλες οι χώρες να χρησιμοποιήσουν ολόκληρες τις ζώνες συχνότητας GSM. Αυτό οφείλεται κυρίως στους στρατιωτικούς λόγους και στην ύπαρξη των προηγούμενων αναλογικών συστημάτων Τεχνική πολλαπλής πρόσβασης Η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης σε ένα τηλεπικοινωνιακό δίκτυο καθορίζει το τρόπο με τον οποίο διάφοροι χρήστες έχουν ταυτόχρονη πρόσβαση στο δίκτυο για την κάλυψη των τηλεπικοινωνιακών αναγκών τους. Όσον αφορά το GSM δίκτυο, η τεχνική πολλαπλής πρόσβασης καθορίζει πώς κινητές μονάδες που μπορεί να 64

65 βρίσκονται και σε διαφορετικά κύτταρα, έχουν ταυτόχρονη επικοινωνία χρησιμοποιόντας το ίδιο φάσμα συχνοτήτων. Για το GSM δίκτυο έχει υιοθετηθεί μία μίξη των τεχνικών της Πολλαπλής Πρόσβασης Επιμερισμού Συχνότητας (Frequency Division Multiple Access FDMA) και της Πολλαπλής Πρόσβασης Επιμερισμού Χρόνου (Time Division Multiple Access TDMA) σε συνδυασμό με την τεχνική μεταπήδησης συχνότητας FDMA και TDMA Στην τεχνική FDMA ορίζεται μια συχνότητα ανά χρήστη. Έτσι όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός χρηστών σε ένα σύστημα FDMA, τόσο μεγαλύτερος πρέπει να είναι ο αριθμός διαθέσιμων συχνοτήτων. Το περιορισμένο διαθέσιμο ραδιοφάσμα και το γεγονός ότι ένας χρήστης δεν θα ελευθερώσει τη συγκεκριμένη συχνότητα που του έχει καταχωρηθεί μέχρι να μην τη χρειάζεται άλλο, μπορεί να εξηγήσει γιατί σε ένα σύστημα FDMA ο αριθμός των χρηστών μπορεί γρήγορα να περιοριστεί. Από την άλλη, η TDMA τεχνική επιτρέπει σε διάφορους χρήστες να μοιραστούν την ίδια συχνότητα αλλά ο κάθε χρήστης έχει πρόσβαση σε αυτήν για περιορισμένο χρονικό διάστημα (timeslot ή bursts). Δηλαδή η τεχνική FDMA συνεχίζει να χρησιμοποιείται αλλά τώρα κάθε συχνότητα διαιρείται σε επιπλέον χρονοθυρίδες ή ριπές. Στο GSM μια ζώνη συχνοτήτων 25 MHz επιμερίζεται, χρησιμοποιώντας τεχνική FDMA, σε 124 συχνότητες φορέων που είναι χωρισμένοι ο ένας από τον άλλον κατά διαστήματα μιας μπάντας συχνοτήτων εύρους ζώνης 200 KHz. Κανονικά μία ζώνη συχνοτήτων 25 MHz μπορεί να παρέχει 125 συχνότητες φορέων αλλά η πρώτη συχνότητα φορέα χρησιμοποιείται ως ζώνη φρουράς (guard band) μεταξύ του GSM και άλλων υπηρεσιών που λειτουργούν στις χαμηλότερες συχνότητες. Κάθε συχνότητα φορέων επιμερίζεται έπειτα στο χρόνο χρησιμοποιώντας την τεχνική TDMA. Αυτή η τεχνική χωρίζει το ράδιο-δίαυλο με ένα πλάτος των 200 KHz σε 8 χρονοθυρίδες. Μία χρονοθυρίδα είναι η μονάδα του χρόνου σε ένα σύστημα TDMA και διαρκεί περίπου 0,577 ms. Ένα πλαίσιο ΤDMA διαμορφώνεται με 8 χρονοθυρίδες και διαρκεί 4,615 ms. Κάθε μία χρονοθυρίδα ύστερα καταχωρείται έπειτα σε ένα μοναδικό χρήστη. 65

66 Εικόνα 3-6: Οι διάφορες συχνότητες της τεχνικής FDMA απεικονίζονται με διαφορετικά χρώματα και απέχουν 200 KHz μεταξύ τους, ενώ οι χρονοθυρίδες που διατίθενται στους διάφορους χρήστες έχουν διαρκεί T b και φαίνονται επίσης με διαφορετικά χρώματα. Η διαίρεση χρόνου φαίνεται μόνο στη πρώτη συχνότητα αλλά ισχύει και για τις άλλες Γενικά για τα κανάλια στο GSM σύστημα Οι φέρουσες συχνότητες (carriers) μαζί με τις αντίστοιχες χρονοθυρίδες τους αποτελούν τα φυσικά κανάλια του GSM δικτύου. Όπως αναφέραμε και πιο πριν, κάθε φέρουσα συχνότητα έχει εύρος 200 KHz. Αυτό σημαίνει ότι στο σύστημα GSM 900 υπάρχουν 124 διαθέσιμα κανάλια. Επειδή κάθε κανάλι όμως, μέσω της τεχνικής TDMA, μπορεί να χρησιμοποιηθεί από 8 κινητές μονάδες ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών αυξάνεται στα 124 x 8 = 992 κανάλια. Αντίστοιχα για το το σύστημα GSM 1800 με ζώνες λειτουργίας MHz (Uplink) και από τα MHz (Downlink) ο αριθμός των διαθέσιμων καναλιών είναι 374. Σε κάθε φυσικό κανάλι αντιστοιχεί ένας αριθμός λογικών καναλιών. Κάθε ένα από αυτά χρησιμοποιείται για συγκεκριμένο σκοπό, όπως τη διαδικασία απόκρισης ειδοποίησης, για σηματοδοσία, ομιλία κτλ. Υπάρχουν 11 λογικά κανάλια στο GSM σύστημα από τα οποία 2 είναι κανάλια κίνησης και τα υπόλοιπα είναι κανάλια ελέγχου της σηματοδοσίας. 66

67 3.6.4 Κανάλια κίνησης Τα κανάλια αυτά χρησιμοποιούνται για επικοινωνίες σημείου προς σημείο (point to point) και για μετάδοση φωνής ή δεδομένων. Αυτά χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: Κανάλια πλήρους ρυθμού (Traffic Channels/Full Rate Channels TCH/F) Κανάλια μισού ρυθμού (Traffic Channels/Half Rate Channels TCH/H) Tα κανάλια πλήρους ρυθμού χρησιμοποιούν τα 24 από τα 26 πολυπλαίσια. Ο ρυθμός μετάδοσης των bit στα κανάλια αυτά είναι 22.7 kbit/s, παρόλο που ο πραγματικός ωφέλιμος ρυθμός μετάδοσης κυμαίνεται μεταξύ kbit/s. Αυτό φυσικά εξαρτάται από τον τύπο της κωδικοποίησης που χρησιμοποιείται στο κανάλι. Tα κανάλια αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μετάδοση δεδομένων (π.χ. fax, δεδομένα κυκλο-μεταγωγής). Tα κανάλια μισού ρυθμού χρησιμοποιούν τα 12 από τα 26 πολύ-πλαίσια. Ο ρυθμός μετάδοσης των bit στα κανάλια αυτά είναι 11.4 kbit/s, παρόλο που ο πραγματικός ωφέλιμος ρυθμός μετάδοσης κυμαίνεται μεταξύ kbit/s. Το κανάλι χρησιμοποιείται για κωδικοποίηση φωνής Κανάλια ελέγχου Σύμφωνα με τις λειτουργίες τους καθορίζονται τρείς διαφορετικές κατηγορίες καναλιών ελέγχου: Κανάλια εκπομπής (Broadcast Channels). Κανάλια κοινού ελέγχου (Common Control Channels). Αφιερωμένα κανάλια ελέγχου (Dedicated Control Channels). 67

68 Κανάλια εκπομπής Ένα τέτοιο κανάλι αποτελεί μία συνεχή ροή εξόδου από το σταθμό βάσης, η οποία περιέχει την ταυτότητα του σταθμού βάσης και πληροφορεί και για την κατάσταση του καναλιού. Τα κανάλια αυτά χρησιμοποιούνται στην Κάτω Ζεύξη και μπορούν να διακριθούν σε τρείς κατηγορίες: Broadcast Control Channel (BCCH): το κανάλι αυτό δίνει την πληροφορία σχετικά με τα γειτονικά κύτταρα αλλά και για το τρόπο με τον οποίο είναι κατανεμημένα τα λογικά κανάλια στο TDMA πλαίσιο. Frequency Correction Channel (FCCH): το κανάλι αυτό βοηθά στο συγχρονισμό του κινητού με τη συχνότητα του καναλιού. Synchronization Control Channel (SCH): το κανάλι αυτό περιέχει την πληροφορία του αύξοντα αριθμού του TDMA πλαισίου καθώς και τον Κώδικα της Ταυτότητας του Σταθμού Βάσης (BSIC) Αφιερωμένα κανάλια Τα κανάλια αυτά χρησιμοποιούνται για την ενημέρωση τοποθεσίας, καταχώρησης και πραγματοποίησης κλήσεων. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, κάθε σταθμός βάσης διατηρεί μια βάση δεδομένων με τις κινητές μονάδες που είναι εκείνη τη στιγμή στην αρμοδιότητα του. Οι πληροφορίες αυτές λοιπόν στέλνονται στο αφιερωμένο κανάλι. Τα κανάλια αυτά χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες: Standalone Dedicated Control Channel (SDCCH): το κανάλι αυτό χρησιμοποιείται για τις πλέον μικρές διενέργειες που απαιτούνται στο δίκτυο. Οι διενέργειες αυτές αφορούν το αρχικό βήμα της αποκατάστασης μιας κλήσης, την εγγραφή του συνδρομητή στο δίκτυο και τη μεταφορά του βραχέως μηνύματος (SMS). Fast Associated Control Channel (FACCH): το κανάλι αυτό συνυπάρχει πάντα μαζί με ένα κανάλι κίνησης. Η φιλοσοφία του συγκεκριμένου καναλιού είναι να αποσπά bits ριπών από το κανάλι κίνησης με το οποίο συνλειτουργεί. 68

69 Το FACCH χρησιμοποιείται για τη σηματοδοσία των κλήσεων, συμπεριλαμβάνοντας την αποδέσμευση των κλήσεων (call disconnect), τις μεταπομπές και τις τελευταίες καταστάσεις της διαδικασίας της αποκατάστασης των κλήσεων. Slow Associated Control Channel (SACCH): το κανάλι αυτό είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με τα SDCCH και TCH κανάλια. Η βασική του λειτουργία είναι να μεταφέρει πληροφοριακά μηνύματα του συστήματος στην κάτω ζεύξη, να μεταφέρει αναφορές μετρήσεων των δεκτών στην άνω ζεύξη και να πραγματοποιεί σε κλειστή διαδικασία έλεγχο των ισχύων και του χρονισμού. Ένα άλλο σημαντικό καθήκον του καναλιού SACCH είναι η παράδοση βραχέως μηνύματος (SMS) κατά την διάρκεια μιας κλήσης που ευρίσκεται σε εξέλιξη Κοινά κανάλια ελέγχου Τα CCCH είναι κανάλια ευρυεκπομπής και μεταφέρουν την αναγκαία πληροφορία για αιτήσεις αναζήτησης (paging) καθώς επίσης και τη πληροφορία που αφορά την καταχώρηση συχνότητας. Τα κανάλια αυτά χρησιμοποιούνται στην Άνω και Κάτω Ζεύξη και χωρίζονται σε τρείς κατηγορίες: Paging Channel (PCH): το κανάλι αυτό χρησιμοποιείται για αναζήτηση κλήσεων. Κάθε κινητή μονάδα το παρακολουθεί συνεχώς για να εντοπίσει τυχόν κλήσεις στις οποίες πρέπει να απαντήσει. Random Access Channel (RACH): το κανάλι αυτό χρησιμοποιείται από την κινητή μονάδα για να ζητήσει πρόσβαση στο δίκτυο. Access Grant Channel (AGCH): το κανάλι αυτό απαντά στην αίτηση πρόσβασης του κινητού στο δίκτυο και δίνει στο κινητό ένα κανάλι SDCCH. 69

70 3.6.6 Frame, Multiframe, Superframe, Hyperframe Σύμφωνα με το πρότυπο του συστήματος GSM, το TDMA πλαίσιο (frame) αποτελείται από 8 χρονοθυρίδες. Η κάθε χρονοθυρίδα η οποία ονομάζεται και περίοδος ριπής (burst period) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τις επικοινωνιακές ανάγκες διαφορετικών συνδρομητών. Οι χρονοθυρίδες εκπομπής και λήψης αντισταθμίζονται στον χρόνο, έτσι ώστε η εκπομπή και η λήψη αυτών να μην πραγματοποιείται την ίδια χρονική στιγμή. Η χρονική διάρκεια της ριπής (χρονοθυρίδας) είναι της τάξης των ms. Η χρονική διάρκεια του πλήρους πλαισίου (TDMA Frame) είναι της τάξης των ms. Πρέπει να σημειωθεί ότι η κάθε χρονοθυρίδα αποτελεί και ένα φυσικό κανάλι. Με βάση ότι ο σταθμός βάσης εκπέμπει δύο τύπων καναλιών (κανάλια κίνησης και κανάλια ελέγχου), υφίστανται δύο κατηγορίες TDMA πλαισίου. Η πρώτη κατηγορία αφορά το πλαίσιο κίνησης (traffic frame) και η δεύτερη κατηγορία αφορά το πλαίσιο ελέγχου (control frame). Mε βάση το πρότυπο του συστήματος GSM, τα TDMA πλαίσια (frames), ομαδοποιούνται σε πολυπλαίσια (multiframes), προκειμένου να οργανωθεί το κατάλληλο χρονοδιάγραμμα για τις επικείμενες λειτουργικές διαδικασίες που πρέπει να τελεσθούν, καθώς επίσης και να πραγματοποιηθεί ο συγχρονισμός του δικτύου. Επειδή οι διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα σε ένα GSM δίκτυο αφορούν αφενός μεν την συνδρομητική κίνηση και αφετέρου τον έλεγχο και διακρίνουμε τις παρακάτω δύο κατηγορίες πολυπλαισίων: Πολυπλαίσιο Κίνησης (Traffic Multiframe): To πολυπλαίσιο κίνησης αποτελείται από 26 ριπές (χρονοθυρίδες) συνολικής χρονικής διάρκειας 120 ms. Από το σύνολο των ριπών, οι 24 χρησιμοποιούνται για τις ανάγκες της συνδρομητικής κίνησης. Συγκεκριμένα, είναι οι χρονοθυρίδες από 0 έως 11 και οι χρονοθυρίδες από 13 έως 24. Μία από τις δύο υπόλοιπες ριπές χρησιμοποιείται για το SACCH και η άλλη παραμένει ελεύθερη για πιθανή χρήση. Πολυπλαίσιο Ελέγχου (Control Multiframe): Το πολυπλαίσιο αυτό αποτελείται από 51 ριπές συνολικής χρονικής διάρκειας ms. Το πολυπλαίσιο αυτό χρησιμοποιείται για την αντιστοίχιση των υπόλοιπων 70

71 λογικών καναλιών, δηλαδή των FCCH, SCH, BCCH, CCCH, SDCCH, SACCH και CBCH, στα φυσικά κανάλια. Εικόνα 3-7: TDMA Πολυπλαίσιο(Multιframe) Το υπερπλαίσιο (superframe) απαρτίζεται από 51 πολυπλαίσια κίνησης ή 26 πολυπλαίσια ελέγχου. Τα πολυπλαίσια κίνησης έχουν μήκος 26 ριπών και τα πολυπλαίσια ελέγχου έχουν αντίστοιχα μήκος 51 ριπών. Πρέπει να σημειωθεί ότι σε ένα υπερπλαίσιο μπορεί να καταχωρηθεί διαφορετικός αριθμός πολυπλαισίων κίνησης και ελέγχου με την προϋπόθεση ότι όλα τα εμπλεκόμενα υπερπλαίσια θα χαρακτηρίζονται από την ίδια διάρκεια. Με βάση το πρότυπο του GSM, ένα Μέγιστο Πλαίσιο (hyperframe) ομαδοποιείται από 1048 υπερπλαίσια και μπορεί να επαναλαμβάνεται κάθε 3 ώρες 28 min sec. To μέγιστο πλαίσιο έχει τη μεγαλύτερη διάρκεια, σύμφωνα με τη δομή πλαισίων του GSM. Στο μέγιστο πλαίσιο υπάρχει ένας μετρητής και κάθε χρονοθυρίδα έχει ένα μοναδικό σειριακό αριθμό όπου δηλώνεται ο αριθμός πλαισίου και ο αριθμός της χρονοθυρίδας. Η χρήση αυτού είναι σημαντική διότι διασφαλίζεται ο συγχρονισμός των διαφόρων δρομολογουμένων λειτουργιών με την οργάνωση των πλαισίων που 71

72 πρόκειται να δημιουργηθούν. Στην περίπτωση αυτή συμπεριλαμβάνονται και οι παρακάτω λειτουργίες: Μεταπήδηση Συχνότητας (Frequency hopping): Η διαδικασία της μεταπήδησης της συχνότητας είναι μια προαιρετική λειτουργία την οποία μπορεί να υποστηρίξει το σύστημα GSM. Η διαδικασία αυτή βοηθά στο να μειωθούν οι πιθανές παρεμβολές καθώς επίσης και να ελαχιστοποιηθούν τα προβλήματα λόγω διαλείψεων (fading). Στην περίπτωση αυτή, θα πρέπει να σημειωθεί ότι τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης θα πρέπει να συγχρονισθούν ώστε να μεταπηδήσουν στις ίδιες συχνότητες την ίδια χρονική στιγμή. Κρυπτογράφηση (Encryption): Η διαδικασία της κρυπτογράφησης συγχρονίζεται με βάση τα κριτήρια του μεγίστου πλαισίου στο οποίο υπάρχει ένας μετρητής και η διαδικασία της κρυπτογράφησης επαναλαμβάνεται σε κάθε μέγιστο πλαίσιο. Επειδή όμως το κάθε μέγιστο πλαίσιο επαναλαμβάνεται κάθε 3 ώρες 28 min sec και επειδή η επικοινωνία των συνδρομητών σπάνια διαρκεί τόσες ώρες, είναι αμφίβολο αν μπορεί να επιτευχθεί η αναμενόμενη ασφάλεια στο σύστημα. Εικόνα 3-8: Γενική Δομή Πλαισίων GSM 72

73 3.6.7 Ρίπες (Bursts) Η χρονική διάρκεια μιας χρονοθυρίδας (time slot) στο GSM είναι 577 μsec. Οι χρονοθυρίδες χαρακτηρίζονται από τις περιόδους ανόδου ισχύος (power up) και καθόδου ισχύος (power down) προκειμένου να ελαχιστοποιήσουν τις ταχείες μεταβολές της ισχύος των ραδιοσημάτων. Συγκεκριμένα, οι χρόνοι ανόδου και καθόδου της ισχύος χρησιμοποιούνται για να μειώθούν οι ανεπιθύμητες εκπομπές, οι οποίες μπορεί να προκληθούν από τα ταχέως μεταβαλλόμενα σήματα. Εικόνα 3-9: Δομή Χρονοθυρίδας Ρίπη ονομάζεται το φυσικό περιεχόμενο της χρονοθυρίδας και υπάρχουν τέσσερις διαφορετικοί τύποι. Κανονική Ριπή (Νormal Burst): Χρησιμοποιείται για να μεταφέρει πληροφορίες φωνής και δεδομένων μεταξύ της φορητής συσκευής και του σταθμού βάσης και έχει μήκος bits. Ρίπη Διόρθωσης Συχνότητας (Frequency Correction Burst): Συγχρονίζει τη συχνότητα του κινητού στη συχνότητα του καναλιού έτσι ώστε να μπορεί να λάβει και να αποδιαμορφώσει καλύτερα το σήμα στο κανάλι. Επίσης περιέχει μόνο μηδενικά bits και έχει μήκος bits. Οι επαναλαμβανόμενες FB ρίπες αποτελούν το FCCH κανάλι (Frequency Correction Channel). 73

74 Ρίπη Συγχρονισμού (Synchronization Burst): Χρησιμοποιείται για το συγχρονισμό του κινητού στο πεδίο του χρόνου. Επίσης μεταφέρει την πληροφορία για τον αύξοντα αριθμό TDMA πλαισίου καθώς και τον κωδικό BSIC και έχει μήκος bits.. Οι επαναλαμβανόμενες SB ρίπες αποτελούν το SCH κανάλι (Synchronization Channel). Ρίπη Πρόσβασης (Access Burst): Χρησιμοποιείται για τυχαία πρόσβαση και πρόσβαση μεταγωγής. Η ρίπη αυτή χρησιμοποιείται από το RACH και από το FACCH κατά τη διαδικασία της μεταγωγής. Έχει μήκος μικρότερο από τις άλλες ρίπες. 3.7 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σε αυτό το κεφάλαιο είδαμε τη δομή ενός δικτύου GSM. Οι κυριότερες πληροφορίες που πρέπει να αποκομίσουμε για να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο θα σχεδιάσουμε ένα κυψελοειδές δίκτυο σε μία περιοχή με τεχνολογία GSM, είναι ότι για κάθε κυψέλη χρησιμοποιούμε 1 BTS, 3BTS ελέγχονται από 1 BSC, 124 κυψέλες ελέγχονται από ένα MSC και πάντα στο δίκτυο χρειάζεται και ένα GMSC για να μπορεί το δίκτυο μας να επικοινωνεί με άλλα δίκτυα. Τέλος, κατανοούμε πόσο σημαντικός είναι ο ρόλος της μεταπομπής για τη σωστή λειτουργία του δικτύου μας, αφού με βάση αυτήν οργανώνεται όλο μας το δίκτυο. 74

75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΚΥΨΕΛΩΤΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΣΤΗΝ ΕΥΡΥΤΕΡΗ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΠΟΛΕΩΣ ΠΑΤΡΕΩΝ 4.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτό το κεφάλαιο θα γίνει ο σχεδιασμός του κυψελοειδούς μας δικτύου. Αρχικά γίνεται παρουσίασης της γεωγραφικής περιοχής του δήμου Πατρέων. Ύστερα παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του δικτύου GSM και τα στοιχεία που έχουμε λάβει ως δεδομένα για το σχεδιασμό μας. Τέλος υπολογίζεται η ακτίνα των κυψελών μας και γίνεται εκτίμηση της λαμβανομένης ισχύος με βάση κάποια μοντέλα διαλείψεων που καθορίζονται από την ανομοιγένεια της γεωγραφικής μας περιοχής. 4.2 ΑΠΟΤΥΠΩΣΗ ΓΕΩΓΡΑΦΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟΧΗΣ Η γεωγραφικη περιοχή που θα μελετήσουμε είναι ο δήμος Πατρέων οποίος αποτελείται από την Πάτρα, το Ρίο, τους ορεινούς οικισμούς, την ορεινή ζώνη, τα Βραχνέικα, τη Μεσσατιδα και την Παραλία. Περιοχή Διάσταση σε km 2 Ορεινή ζώνη 103,98 Ορεινοί οικισμοί 209,98 Κέντρο Πάτρας 19 Ρίο 97,93 Παραλία 66,37 Μεσσάτιδα 11,98 Βραχνέικα 32,11 Εικόνα 4-1: Διαστάσεις γεωγραφικών περιοχών 75

76 Εικόνα 4-2: Τμηματοποίηση δήμου Πατρεων 4.3 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΔΙΚΤΎΟΥ GSM Ο σχεδιασμός του δικτύου μας θα γίνει σύμφωνα με το πρότυπο GSM 900. Η Διεθνής Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU) έχει παραχωρήσει ένα ζεύγος συχνοτήτων από τα 890 εως τα 915 MHz και από τα 935 εως τα 960 MHz. Η πρώτη περιοχή χρησιμοποιείται για την επικοινωνία του κινητού με το σταθμό βάσης (uplink), ενώ η δεύτερη για την επικοινωνία του σταθμού βάσης με το κινητό (downlink). Οι περιοχές των 25 MHz υποδιαιρούνται σε 125 κανάλια συχνότητας εύρους 200 ΚHz. Από αυτά το ένα μένει ελεύθερο παντά και χρησιμοποίειται ως κανάλι ελέγχου και τα άλλα 124 χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία των συνδρομητών. Ένα άλλο επίσης σημαντικό πρότυπο είναι το DCS 1800 το οποίο δομείται όπως και το GSM 900 απλά χρησιμοποιούνται άλλα ζεύγη συχνοτήτων. Πίο συγκεκριμένα η άνω ζεύξη (uplink) έχει εύρος από τα 1710 εως τα 1785 MHz και η κάτω ζεύξη (downlink) από τα 1805 εως τα Οι περιοχές των 75 MHz υποδιαιρούνται σε 374 κανάλια συχνοτήτων για την επικοινωνία των συνδρομητών και ένα ελεύθερο με εύρος πάλι 200 ΚHz. Κάθε πάροχος κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιεί 62 συχνότητες, δηλαδή τις μισές από το συνολικό εύρος. Εμείς όμως στο δικτύο μας θα θεωρήσουμε ότι χρησιμοποιούμε και τις 124. Επίσης κάθε συστάδα αποτελείται από 12 κυψέλες, 76

77 δηλαδή ο αριθμός επαναχρησιμοποίησης είναι Ν=12. Τέλος κάθε συχνότητα αποτελείται από 8 χρονοθυρίδες, δηλαδή μπορεί να εξυπηρετήσει 8 συνδρομητές. 4.4 ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΡΑΔΙΟΚΑΛΥΨΗΣ Για το σχεδιασμό του δικτύου μας έχουμε κάνει κάποιες παραδοχές ως προς τις τεχνικές παραμέτρους του. Πιο συγκεκριμένα, το κέρδος της κεραίας εκπομπής, δηλαδή του σταθμού βάσης, θεωρούμε ότι είναι 8Db ενώ το κέρδος της κεραίας λήψης του κινητού μας 1.2Db. Εικόνα 4-3: Κεραία σταθμού βάσης Το κατώφλι ευαισθησίας, που είναι το κατώτερο όριο ισχύος σήματος που πρέπει να φτάσει στη συσκευή για να έχουμε σύνδεση μεταξύ συσκευής και σταθμού βάσης, θεωρούμε ότι είναι -99Db. Όσον αφορά το όριο ισχύος εκπομπής ορίζεται με βάση τον οργανισμό ETSI και οι κύριοι παράγοντες που το προσδιορίζουν είναι η ανθρώπινη υγεία και η οικονομία γιατί αν εκπέμπουμε με πολύ μεγάλη ισχύ, εκτός από το ότι είναι βλαβερό για τους ανθρώπους που θα εκτίθενται σε αυτή την ακτινοβολία, θα είναι και αντιοικονομικό. Έτσι εμείς στα πλαίσια αυτής της μελέτης θα πρέπει να κινηθούμε κοντά στα 45 Watt. 77

78 4.5 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΚΤΙΝΑΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΚΑΙ ΑΡΙΘΜΟΥ BTS, BSC KAI MSC Για το σχεδιασμό του δικτύου μας θεωρούμε ότι η κατανομή του συνδρομητικού φορτιού είναι ομοιόμορφη σε όλη τη γεωγραφική περιοχή του δήμου Πατρέων. Ο πληθυσμός του δήμου Πατρέων μετά και την απογραφή του 2011 είναι κάτοικοι. Από τον πίνακα Erlang-b και παίρνοντας το blocking probability 3% βλέπουμε ότι όταν έχουμε συνδρομητικό φορτίο 1008 Erlang έχουμε 1000 κανάλια. Εικόνα 4-4: Πίνακας Erlang-b Αν θεωρήσουμε ότι ο μέσος χρόνος που χρησιμοποιεί κάθε συνδρομητής το κανάλι επικοινωνίας είναι 1,76 min αύτο σε Erlang αντιστοιχεί σε 2 Έτσι λοιπόν 2 2 Για το συνδρομητικό φορτίο του δήμου Πατρέων τα κανάλια που θα χρειαστούμε είναι 2 78

79 Κάθε συχνότητα όμως αποτελείται από 8 κανάλια άρα Για το πρότυπο GSM 900 ισχύει ότι κάθε συστάδα (12 κυψέλες) αποτελείται από 124 συχνότητες. Επομένως 2 2 Η συνολική έκταση του δήμου Πατρέων όπως είδαμε είναι 541 km 2. Άρα 2 Το εμβαδόν της κυψέλης δίνεται από τον τύπο Άρα R= 1,67 km Ετσι λοιπόν θεωρώντας ότι κάθε κύψέλη έχει το δικό της BTS, ότι κάθε BSC ελέγχει 3 BTS και ότι κάθε MSC ελέγχει 124 κυψέλες, συμπεραίνουμε ότι το δίκτυό μας αποτελείται από 75 BTS, 25 BSC και 1 MSC. 4.6 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Ιδανικά η λαμβανόμενη ισχύς είναι πάντα ίδια για σταθέρη απόσταση από την κεραία πομπόυ. Η γεωγραφική περιοχή που εξετάζουμε όμως παρουσιάζει μεγάλη ανομοιγένεια λόγω των φυσικών και τεχνητών εμποδίων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η λαμβανομένη ισχύς να παίρνει διαφορετικές τιμές για σταθερή απόσταση από τη κεραία του πομπού εξαιτίας της διάδοσης πολλαπλών διαδρομών λόγω ανακλάσεων 79

80 κοντά στην κεραία λήψης. Έτσι έχουμε την εμφάνιση του φαινομένου των διαλείψεων, δηλαδή το λαμβανόμενο σήμα είναι αποτέλεσμα της απευθείας συνιστώσας μεταξύ πομπού και δέκτη και των ανακλώμενων που φτάνουν με την ίδια ή διαφορετική φάση σε σχέση με την απευθείας συνιστώσα. Ανάλογα με τη γεωγραφική περιοχή μπορεί άλλωτε να έχουμε οπτική επαφή μεταξύ πομπού και δέκτη και άλλωτε όχι. Στη περίπτωση του δήμου Πατρεών και για το κέντρο της Πάτρας, θεωρούμε πως δεν έχουμε οπτική επαφή και άρα εφαρμόζουμε Rayleigh κατανομή. Για την ορεινή περιοχή και τους ορεινούς οικισμούς θεωρούμε ότι υπάρχει οπτική επαφή άρα εφαρμόζουμε Rice και για τις άλλες περιοχές θεωρούμε ότι άλλωτε έχουμε Rice και άλλωτε Rayleigh ανάλογα με την κτιριακή δόμηση. Εικόνα 4-5: Παράδειγμα Μεγάλης Κλίμακας Διαλείψεων (Large-Scale Fading) και Μικρής Κλίμακας Διαλείψεων (Small-Scale Fading) Ο κάθετος άξονας δείχνει την ισχύ του λαμβανόμενου σήματος ενώ ο οριζόντος άξονας παρουσιάζει την απόσταση σε μέτρα κατά την οποία έχουμε τις ανάλογες διακυμάνσεις Στην ιδανική περίπτωση που δεν έχουμε εμπόδια, ισχύει το μοντέλο ελευθέρου χώρου και απο την εξίσωση του Friis που αναφέραμε πιο πάνω η κατανομή της λαμβανομένης ισχύς για μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή παρουσιάζεται πιο κάτω: 80